周 雯, 楊開(kāi)廣, 趙寶鋒, 張麗華, 張玉奎

(1. 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所,中國(guó)科學(xué)院分離分析化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116023; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

功能材料近年來(lái)發(fā)展蓬勃,而且應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。相小超等[1]總結(jié)了應(yīng)用于蛋白質(zhì)組研究的功能材料,如磁性納米材料、金屬有機(jī)骨架材料等,該類(lèi)功能材料能夠克服傳統(tǒng)蛋白質(zhì)組學(xué)方法靈敏度低、準(zhǔn)確性差等缺點(diǎn)。除此之外,它在生物醫(yī)藥領(lǐng)域、功能材料中也有著廣泛的研究。

ROS響應(yīng)納米載體的核心是其骨架聚合物上的ROS響應(yīng)基團(tuán)(又稱(chēng)為ROS響應(yīng)連接子),響應(yīng)基團(tuán)對(duì)ROS響應(yīng),使得聚合物鏈段發(fā)生斷裂或者極性變化,進(jìn)而調(diào)控納米載體釋放藥物。如表1所示,響應(yīng)基團(tuán)可以根據(jù)元素的種類(lèi),劃分為硫族元素類(lèi)響應(yīng)基團(tuán)和其他元素類(lèi)響應(yīng)基團(tuán)。硫族元素類(lèi)響應(yīng)基團(tuán)主要包括硫醚、縮硫酮、硒化物、二硒化物、碲化物,其他元素類(lèi)響應(yīng)基團(tuán)主要包括芳香硼酸酯、過(guò)氧草酸酯、二茂鐵。

1 硫族元素類(lèi)ROS響應(yīng)載體

硫醚和縮硫酮都屬于硫元素的連接子,但各自的響應(yīng)機(jī)理存在差異。硫醚的響應(yīng)機(jī)理是ROS引起聚合物鏈段疏水-親水相變,從而釋放藥物;而縮硫酮的響應(yīng)機(jī)理是ROS引起聚合物鏈段斷裂,進(jìn)而釋放藥物。Cheng等[5]使用疏水的苯硫醚基團(tuán)(PhS)修飾介孔二氧化硅(MSNs)的納米孔,在ROS響應(yīng)下,疏水的苯硫醚被氧化成親水的苯亞砜或苯砜,從而使納米孔被潤(rùn)濕,導(dǎo)致內(nèi)部藥物的釋放;在其研究中,裝載羅丹明6G的納米顆粒MSNs-PhS (1∶20)在100 μmol/L H2O2中10 h約釋放25%;在ROS過(guò)表達(dá)的MCF-7細(xì)胞中明顯觀察到胞內(nèi)ROS促使納米顆粒內(nèi)部阿霉素釋放,而正常HUVEC細(xì)胞中只觀察到極少量的阿霉素釋放。

近幾年來(lái),硫族元素中縮硫酮是研究最為廣泛的ROS響應(yīng)載體材料之一。Li等[6]利用縮硫酮、美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)的聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)和聚乙二醇(PEG),以及靶向肽(RGD),合成了聚合物RGD-PEG-TK-PLGA,RGD靶向腫瘤細(xì)胞表面的整合素avβ3,在細(xì)胞內(nèi)ROS刺激下,縮硫酮發(fā)生斷裂進(jìn)而使得載體材料釋放藥物;裝載阿霉素的NPs在100 μmol/L KO2環(huán)境下,6h約釋放58%;對(duì)于Cal27細(xì)胞,修飾RGD的納米顆粒的細(xì)胞攝取量是未修飾的納米顆粒的3倍,說(shuō)明RGD腫瘤靶向性提高了細(xì)胞攝取量;小鼠活體實(shí)驗(yàn)表明:納米顆粒(NPs)降低了藥物阿霉素的毒性,增加了腫瘤積累,混合裝載能刺激細(xì)胞產(chǎn)生ROS的α-維生素E琥珀酸酯,能夠加速縮硫酮斷裂釋放阿霉素,并且進(jìn)一步提高其抗腫瘤效果。為了實(shí)現(xiàn)協(xié)同治療腫瘤,Chen等[7]將縮硫酮引入聚氨基酯骨架中,進(jìn)一步在載體表面覆蓋親水的藻酸雙酯鈉,并同時(shí)裝載光敏劑(IR780)和阿霉素,構(gòu)建出納米顆粒PPID;在808 nm激光照射下,IR780引起細(xì)胞內(nèi)溫度上升以及ROS大量產(chǎn)生,在ROS響應(yīng)下,縮硫酮斷裂釋放阿霉素,實(shí)現(xiàn)了光熱療法、光動(dòng)力療法、化學(xué)療法的組合;在100 μmol/L H2O2下,PPID納米顆粒在20 h釋放約40%阿霉素;在Hep1-6細(xì)胞中,沒(méi)有激光照射下,PPID納米顆粒的半抑制濃度(50% inhibiting concentration,IC50)為0.72 μg/mL阿霉素;在808 nm激光照射下,結(jié)合光熱療法、光動(dòng)力療法、化療,腫瘤細(xì)胞殺傷效果尤為顯著,對(duì)于腫瘤治療具有良好的應(yīng)用前景。

表 1 ROS響應(yīng)基團(tuán)的機(jī)理

有研究[8,9]表明,線粒體功能紊亂與癌癥、神經(jīng)性疾病等多種疾病有牽連。為了同時(shí)解決藥物的ROS響應(yīng)釋放和線粒體靶向問(wèn)題,Zhang等[10]直接將縮硫酮與藥物喜樹(shù)堿共價(jià)連接,利用靶向肽(cRGD)和三苯基磷(TPP),結(jié)合聚二甲基丙烯酰胺,合成了腫瘤細(xì)胞和線粒體雙重靶向的納米反應(yīng)器DT-PNs,實(shí)現(xiàn)了腫瘤組織、亞細(xì)胞器ROS響應(yīng)的靶向釋放;將細(xì)胞靶向的共聚物和線粒體靶向的共聚物共混自組裝,cRGD靶向腫瘤細(xì)胞表面的整合素avβ3,TPP靶向線粒體外膜,在線粒體ROS存在下,縮硫酮斷裂釋放喜樹(shù)堿,喜樹(shù)堿引起線粒體ROS產(chǎn)生,促進(jìn)喜樹(shù)堿釋放,實(shí)現(xiàn)自循環(huán);在100 μmol/L H2O2中80 h釋放28%喜樹(shù)堿;進(jìn)行腫瘤小鼠實(shí)驗(yàn),DT-PNs明顯抑制小鼠腫瘤生長(zhǎng),展現(xiàn)了極好的腫瘤治療效果。該研究實(shí)現(xiàn)了藥物的雙重靶向和ROS響應(yīng)釋放,在腫瘤細(xì)胞線粒體特異性釋放喜樹(shù)堿,并自循環(huán)實(shí)現(xiàn)ROS爆發(fā)和喜樹(shù)堿大量釋放,對(duì)于殺傷腫瘤具有良好的效果。

對(duì)于硫醚和縮硫酮的ROS敏感性差異,Xu等[11]利用硫醚、縮硫酮合成了3種兩親性嵌段共聚物(只含硫醚、只含縮硫酮、同時(shí)含硫醚和縮硫酮),比較了3種載體的ROS響應(yīng)釋放情況以及抗腫瘤效果;其中裝載阿霉素的只含硫醚的納米顆粒在500 μmol/L H2O2中展現(xiàn)出最快的ROS響應(yīng)釋放(72 h釋放約65%),對(duì)于HeLa細(xì)胞和4T1細(xì)胞也呈現(xiàn)出最強(qiáng)的腫瘤殺傷效果(IC50分別為0.46和1.29 μg/mL),是很有前景的ROS響應(yīng)載體。

跟硫同族的硒和碲,在ROS響應(yīng)方面也引起了關(guān)注。硒化物和碲化物性質(zhì)相似,都是在ROS響應(yīng)下,疏水的硒化物/碲化物轉(zhuǎn)變成親水的亞砜/砜,聚合物相變引起內(nèi)部藥物釋放;而二硒化物連接子的性質(zhì)略微獨(dú)特,具有氧化還原雙重響應(yīng),氧化環(huán)境下二硒鍵斷裂形成硒酸,還原環(huán)境下二硒鍵形成硒醇,斷裂引起內(nèi)部藥物的釋放。Ma等[12]將硒化物引入疏水的聚氨酯嵌段,搭配PEG合成兩親性嵌段共聚物PEG-PUSe-PEG,在ROS響應(yīng)下,硒化物的疏水-親水相變使載體發(fā)生膨脹、崩解,釋放出內(nèi)部裝載的阿霉素;在0.1% H2O2下10 h釋放72%阿霉素,響應(yīng)釋放效果明顯優(yōu)于嵌段共聚物PEG-PUS-PEG(10 h釋放41%),初步推測(cè)可能是因?yàn)樵匚土虻难趸舾行圆町悓?dǎo)致的。該團(tuán)隊(duì)[13]對(duì)此聚合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了持續(xù)并深入的探索,繼續(xù)引入二硒化物形成嵌段共聚物PEG-PUSeSe-PEG,在0.01% H2O2或0.01 mg/mL谷胱甘肽(GSH)中都觀察到良好的響應(yīng)以釋放羅丹明B。Cao等[14]引入碲化物形成嵌段共聚物PEG-PUTe-PEG,ROS響應(yīng)下發(fā)生碲化物的疏水-親水相變,通過(guò)循環(huán)伏安法比較含硫、硒、碲的模型化合物的氧化峰,碲化物更低的氧化電位顯示出它極好的氧化敏感性,能夠?qū)Ω蜐舛鹊腞OS響應(yīng),因此碲化物連接子被評(píng)價(jià)為超敏ROS響應(yīng)材料。在之前工作的基礎(chǔ)上,該團(tuán)隊(duì)[15]對(duì)該兩親性嵌段共聚物進(jìn)行了改進(jìn),用β-硒化羰基代替α-硒化部分,合成了聚合物C6-C3Se-PEG2000,在ROS響應(yīng)下,硒化物被氧化為硒亞砜,然后發(fā)生硒亞砜分子內(nèi)消除反應(yīng),實(shí)現(xiàn)了氧化引起聚合物結(jié)構(gòu)解聚;合成的C6-C3Se-PEG2000能對(duì)1 mmol/L H2O2氧化響應(yīng)斷裂,而超敏碲化物的類(lèi)似結(jié)構(gòu)正在探索,初步通過(guò)1H NMR能夠觀察到C6-C3Te能夠?qū)ι項(xiàng)l件下(50、100 μmol/L)氧化環(huán)境進(jìn)行響應(yīng)。

二硒化物由于氧化還原雙重響應(yīng)的特性,能夠?qū)δ[瘤細(xì)胞內(nèi)的高含量ROS和GSH響應(yīng),快速進(jìn)行藥物釋放。近年來(lái)關(guān)于二硒化物連接子的報(bào)道較多,Fan等[16]利用硒代胱胺、美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)的PLGA和PEG,合成了ROS響應(yīng)的載體VPSeP,裝載黃連素;在炎癥部位,ROS引起二硒鍵斷裂,釋放黃連素,黃連素促進(jìn)ROS生成,進(jìn)一步激發(fā)載體裂解;在10 mmol/L H2O2中,30 h約釋放80%黃連素;在關(guān)節(jié)炎小鼠實(shí)驗(yàn)中,它能夠抑制炎癥因子IL-1和IL-6的分泌,保護(hù)骨關(guān)節(jié)不被破壞,減輕爪水腫。除了將二硒鍵引入聚合物結(jié)構(gòu)的研究,Shao等[17]直接將含二硒鍵的有機(jī)二氧化硅模塊摻入介孔二氧化硅(MSN)中,通過(guò)靜電相互作用裝載核糖核酸酶A,進(jìn)一步包裹HeLa細(xì)胞的膜碎片,成功合成了具有同源靶向性、氧化還原雙重響應(yīng)的納米顆粒;此時(shí),氧化還原響應(yīng)更為靈敏的MSN2納米顆粒在100 μmol/L H2O2中10 h約釋放55%核糖核酸酶A,在5 mmol/L GSH中10 h約釋放50%核糖核酸酶A;將納米顆粒分別與HeLa細(xì)胞、MCF-7細(xì)胞共孵育,在HeLa細(xì)胞中觀察到更高的熒光強(qiáng)度,說(shuō)明了載體同源靶向性;在腫瘤小鼠實(shí)驗(yàn)中,也明顯觀察到了腫瘤生長(zhǎng)抑制。

2 其他元素類(lèi)ROS響應(yīng)載體

芳香硼酸酯作為ROS響應(yīng)連接子,能夠被氧化成苯酚和硼酸,在ROS響應(yīng)載體方面也獲得了很大的關(guān)注。Broaders等[18]利用芳香硼酸酯作為連接子,合成了氧化敏感的納米顆粒Oxi-DEX,即用芳香硼酸酯修飾右旋糖苷的羥基,使聚合物鏈段由水溶性轉(zhuǎn)變?yōu)橛腿苄?進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模型抗原-雞卵白蛋白(OVA)的包載;在H2O2環(huán)境下,芳香硼酸酯降解,暴露出右旋糖苷的羥基,最終使得聚合物鏈段轉(zhuǎn)換為原始的水溶狀態(tài),即使聚合物鏈段發(fā)生極性變化,釋放出OVA;在1 mmol/L H2O2下,2 h后Oxi-DEX發(fā)生完全的相變;裝載OVA的Oxi-DEX明顯引起DC2.4小鼠神經(jīng)系統(tǒng)樹(shù)突細(xì)胞的MHC Ⅰ抗原表達(dá)增強(qiáng),該載體能夠作為快速的選擇性給藥系統(tǒng)。另外,有報(bào)道表明,樹(shù)突細(xì)胞的吞噬體內(nèi)ROS濃度能夠高達(dá)1 mmol/L[19],Oxi-DEX能夠?qū)崿F(xiàn)生理環(huán)境下的ROS響應(yīng),但是對(duì)于ROS濃度低至100 μmol/L的腫瘤細(xì)胞,它并不能實(shí)現(xiàn)響應(yīng)。為了解決這一問(wèn)題,De Gracia Lux等[20]利用芳香硼酸酯合成了兩種聚合物,聚合物1是芳香硼酸酯直接連接主鏈,聚合物2是芳香硼酸酯通過(guò)芐基醚連接主鏈,聚合物1形成的載體1在1 mmol/L H2O2中26 h約釋放50%尼羅紅,而聚合物2卻能在100 μmol/L H2O2中達(dá)到類(lèi)似釋放效果;將載體2裝載熒光素二乙酸,與中性粒細(xì)胞孵育,佛波酯處理6 h后,通過(guò)熒光強(qiáng)度觀察到釋放增加了2倍,使得芳香硼酸酯納米載體能夠在腫瘤細(xì)胞生理環(huán)境下ROS響應(yīng)釋放。

Deng等[21]利用芳香硼酸酯形成了4種H2O2響應(yīng)的單體,選擇單體NBMA形成兩親性嵌段共聚物,利用線粒體靶向肽(CGKRK)進(jìn)行表面功能化,合成了具有線粒體靶向、氧化響應(yīng)的聚合物囊泡;在線粒體H2O2響應(yīng)下,聚合物發(fā)生級(jí)聯(lián)消除和脫羧反應(yīng),疏水性雙分子層發(fā)生酰胺反應(yīng),導(dǎo)致聚合物囊泡內(nèi)部交聯(lián),使得雙分子層發(fā)生疏水-親水相變,從而釋放出疏水性雙分子層封裝的紫杉醇,以及水性?xún)?nèi)腔封裝的鹽酸阿霉素;載體Gd-N8在1 mmol/L H2O2中24 h約釋放94%鹽酸阿霉素和93%紫杉醇;將小分子細(xì)胞核染料(DAPI)和大分子的右旋糖苷共同封裝在親水內(nèi)腔,與佛波酯處理后的HeLa細(xì)胞共孵育12 h,觀察到大部分的藍(lán)色熒光DAPI從囊泡擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞核,而紅色熒光的右旋糖苷與囊泡出現(xiàn)極好的共定位,說(shuō)明氧化環(huán)境促使疏水性雙分子層發(fā)生相變,小分子DAPI發(fā)生滲透,雙分子層交聯(lián)保持了囊泡結(jié)構(gòu)的完整性,大尺寸的右旋糖苷被保留在囊泡內(nèi)腔。該載體實(shí)現(xiàn)了兩種物理性質(zhì)不同的藥物同時(shí)封裝,并且通過(guò)ROS響應(yīng)促使囊泡的雙分子層發(fā)生相變,在保持了囊泡結(jié)構(gòu)完整性的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了藥物的釋放。

芳香硼酸酯形成的載體能夠?qū)ι硐嚓P(guān)的H2O2濃度響應(yīng),獲得了較好的發(fā)展。而含二茂鐵的聚合物是將金屬引入聚合物,雖然由于優(yōu)異的物理性質(zhì)獲得了關(guān)注,但是在ROS響應(yīng)方面,仍需要進(jìn)一步的發(fā)展。Na等[22]合成了一系列含二茂鐵的兩親性嵌段共聚物FMMA-r-MA,在水中自組裝形成內(nèi)核疏水的納米顆粒,氧化后疏水的二茂鐵分子變成親水的二茂鐵陽(yáng)離子,發(fā)生疏水-親水相變,同時(shí)由于陽(yáng)離子的靜電排斥作用會(huì)讓納米顆粒膨脹破碎,釋放內(nèi)部的尼羅紅,氧化響應(yīng)和穩(wěn)定性最好的FNP (C2)納米顆粒在0.4 mol/L H2O2環(huán)境下,8 h約釋放25%尼羅紅。

與Li等[6]和Fan等[16]設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)類(lèi)似,Liang等[23]使用過(guò)氧草酸酯連接PLGA和PEG,合成聚合物3s-PLGA-PO-PEG,裝載模型抗原OVA,在ROS響應(yīng)下,過(guò)氧草酸酯斷裂釋放OVA,使用聚醚酰亞胺修飾納米顆粒表面以增加轉(zhuǎn)染效率,從而構(gòu)建出PPO納米顆粒;PPO納米顆粒在200 μmol/L H2O2中兩天釋放超過(guò)90%OVA;在小鼠活體實(shí)驗(yàn)中,PPO納米顆粒能夠引起OVA特異性抗體的生成,從而上調(diào)CD4+和CD8+T細(xì)胞的比例,激活記憶T細(xì)胞。這種攜帶抗原疫苗的NPs能夠?qū)崿F(xiàn)體內(nèi)的免疫響應(yīng)。

如表2所示,對(duì)于ROS刺激響應(yīng)納米載體,縮硫酮和芳香硼酸酯作為ROS響應(yīng)基團(tuán),引入納米載體較為廣泛,而且ROS響應(yīng)也較為靈敏,兩者在細(xì)胞層面皆有良好的應(yīng)用。二硒化物不僅是ROS響應(yīng)基團(tuán),而且是GSH響應(yīng)基團(tuán),對(duì)于ROS和GSH都呈現(xiàn)高含量的腫瘤細(xì)胞,二硒化物的雙重響應(yīng)能夠促使藥物的響應(yīng)釋放;但是由于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)也呈現(xiàn)高濃度的GSH,對(duì)于亞細(xì)胞器的特定響應(yīng)釋放,二硒化物還呈現(xiàn)一定的劣勢(shì)。結(jié)構(gòu)和性質(zhì)十分類(lèi)似的硫醚、硒化物和碲化物中,目前硒化物和碲化物的ROS響應(yīng)載體發(fā)展較少,可能是出于它們的生物層面安全性考慮,或者是載體制備的困難程度影響;但是由于碲化物的ROS超敏能力,它還具有較大的應(yīng)用潛力。ROS響應(yīng)基團(tuán)中的過(guò)氧草酸酯和二茂鐵在ROS響應(yīng)方面還需要進(jìn)一步的發(fā)展,以獲得生理?xiàng)l件下的響應(yīng)。

表 2 ROS刺激響應(yīng)納米載體的性能比較

表 2 (續(xù))

3 總結(jié)

由于疾病部位的ROS水平異常,因此ROS響應(yīng)納米載體具有靶向給藥、降低藥物毒性等優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。制備ROS響應(yīng)納米載體時(shí),ROS響應(yīng)基團(tuán)的氧化敏感性值得考慮,本文中的硫醚、硒化物、碲化物、二茂鐵都是ROS引起其疏水-親水相變,進(jìn)而引起藥物釋放,特別是對(duì)于硒化物,β-硒化羰基代替α-硒化部分后,硒化物被氧化為硒亞砜,會(huì)繼續(xù)發(fā)生硒亞砜消除反應(yīng),引起聚合物斷裂;縮硫酮、二硒化物、芳香硼酸酯、過(guò)氧草酸酯都是ROS引起其斷裂進(jìn)而釋放。ROS響應(yīng)納米載體用于活體的研究才剛剛起步,載體的生物相容性、生物降解性尤其需要關(guān)注,只有在確保安全的前提下,ROS響應(yīng)納米載體才能起到對(duì)疾病部位進(jìn)行智能釋放藥物、精準(zhǔn)治療的目的。