李月，孫景鑫，金光玉，金勇，孫丹丹，全姬善

(1.延邊大學(xué)藥學(xué)院，吉林 延吉 133000；2.延邊大學(xué)附屬醫(yī)院放射科，吉林 延吉 133000)

哮喘、肺氣腫、囊性纖維化、肺部病毒感染、肺癌等肺部疾病嚴(yán)重影響人類健康，治療方法在不斷探索。基因藥物針對(duì)遺傳性疾病和非遺傳性疾病的治療中，體內(nèi)外研究均顯示出顯著的治療效果，被認(rèn)為是當(dāng)前最有前途的生物藥物之一[1]。目前，基因治療在肺部疾病的研究工作展開較多，這與肺部疾病發(fā)病率呈逐年上升的趨勢(shì)且治療難度日益增大，對(duì)人類健康產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅有關(guān)[2]。本文將對(duì)肺部常見疾病、肺部給藥障礙以及給藥方式進(jìn)行詳細(xì)綜述。

1 肺部疾病

1.1 囊性纖維化 囊性纖維化是一種常染色體隱性遺傳疾病[3]，該疾病會(huì)導(dǎo)致多種器官功能障礙，但是絕大多數(shù)患者死于肺部疾病[4]。囊性纖維化治療中，腺相關(guān)病毒在多項(xiàng)臨床實(shí)驗(yàn)中被證明是安全的、轉(zhuǎn)染效率高的載體?，F(xiàn)在面臨的問題有：具有功能性囊性纖維化跨膜電導(dǎo)調(diào)節(jié)劑的氣道表面細(xì)胞壽命有限，需要重復(fù)進(jìn)行給藥；囊性纖維化患者的氣管和肺部環(huán)境在非靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型無法建立；基因治療時(shí)選擇短期免疫抑制劑未在囊性纖維化患者進(jìn)行測(cè)試，因此無法證明其可行性[5]。

1.2 哮喘 哮喘是常見的呼吸道疾病，兒童中最常見的非傳染性疾病。近年來，隨著社會(huì)環(huán)境和生活方式的改變，發(fā)病率有逐年升高的趨勢(shì)[6]。隨著對(duì)哮喘發(fā)病機(jī)制的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，哮喘已被確定為一種由多種炎性細(xì)胞所介導(dǎo)的慢性呼吸道炎癥性疾病[7]。當(dāng)前治療哮喘最有效的方法為糖皮質(zhì)激素類抗炎藥物，如 β2受體激動(dòng)劑聯(lián)合茶堿類藥物治療、重組抗IgE人源化單克隆抗體。Norbert等[8]對(duì)一種新型mRNA進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)評(píng)估，結(jié)果顯示生物標(biāo)志物樣本中炎癥反應(yīng)減弱，過敏性哮喘患者在過敏原激發(fā)后的哮喘反應(yīng)顯著減弱。基因治療多采用DNA 重組技術(shù)，修復(fù)細(xì)胞中的缺陷基因，達(dá)到治療目的，雖然在治療哮喘領(lǐng)域的應(yīng)用剛剛起步，但其革命性的治療理念為患者帶來新的希望而成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

1.3 病毒感染 由病毒感染所引起的各種疾病嚴(yán)重威脅人類健康。肺部作為易受感染的部位之一，經(jīng)常出現(xiàn)由上呼吸道感染引起的病毒性炎癥。特定序列的 siRNA能降解目標(biāo)病毒RNA 或抑制宿主細(xì)胞目的基因的表達(dá)而影響病毒的復(fù)制，已被用作抗病毒劑在抵抗SARS 病毒、流感病毒等肺部感染方面取得了初步進(jìn)展[9]。裸siRNA在給藥方面有很多阻礙[10]，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)[11]，安全有效的納米載體可有效遞送siRNA，這為進(jìn)一步開發(fā)預(yù)防和治療人和動(dòng)物流感病毒感染的siRNA提供了依據(jù)[12]。

1.4 肺癌 肺癌是我國(guó)首位的致死性惡性腫瘤，其發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移是一個(gè)極其復(fù)雜的多基因調(diào)控異常的過程[13]。在過去的20年中，治療重心已經(jīng)從以細(xì)胞毒性治療轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑蜗侔┖头切〖?xì)胞肺癌中特定分子亞型為靶點(diǎn)如EGFR、KRAS等[14]，通過核酸遞送來達(dá)到治愈疾病的目的[15]。當(dāng)前，腺病毒載體和非病毒基因遞送載體在臨床試驗(yàn)中均顯示出良好的成效[16-19]。

2 肺部給藥屏障

2.1 肺部生理結(jié)構(gòu) 肺由大量肺泡組成，肺泡呈薄膜狀，由單層上皮細(xì)胞構(gòu)成，是氣體交換的唯一場(chǎng)所。肺是人體毛細(xì)血管最豐富的器官。90%的肺泡面積都覆蓋毛細(xì)血管，成人毛細(xì)血管面積可達(dá)80 m2。相鄰肺泡的兩層上皮細(xì)胞膜之間分布著致密的毛細(xì)血管，而且毛細(xì)血管的上皮細(xì)胞膜與肺泡的上皮細(xì)胞膜是緊緊貼在一起，有利于藥物經(jīng)肺部的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[20]。從右心搏出的血液幾乎全部通過肺，肺部血流量大，因此肺給藥后藥物吸收迅速；藥物經(jīng)肺吸收后直接進(jìn)入血液循環(huán)，避免肝首過效應(yīng)，提高生物利用度；肺內(nèi)的化學(xué)降解和酶降解活性低，適合生物活性大分子，如蛋白、核酸類藥物[21]。

2.2 藥物遞送肺部的障礙 由于肺部具有吸收面積大，降解酶少，肺泡通透性高，物質(zhì)交換距離短等優(yōu)點(diǎn)，蛋白質(zhì)和多肽也可通過肺泡表面被吸收[22]，將治療性藥物直接遞送到肺部病灶部位發(fā)揮治療作用將具有一定的優(yōu)越性。在臨床治療中治療效果受到多種因素的影響，包括肺部藥物遞送方面，面臨障礙如下：①氣道黏液纖毛清除系統(tǒng)：作為肺部最重要的防御機(jī)制之一，通過咳嗽等方式將傳導(dǎo)氣管中沉積的物質(zhì)清除，健康的肺部?jī)H需24 h即可完全清除沉積物，這對(duì)肺部藥物遞送是不利的；②病理狀態(tài)：病理狀態(tài)下，氣道黏液清除能力減弱；肺部氣道因哮喘等疾病導(dǎo)致狹窄，影響藥物的運(yùn)輸和吸收；③化學(xué)屏障和免疫屏障：沉積藥物會(huì)在蛋白酶或表面活性劑等化學(xué)物質(zhì)的作用下，被肺泡巨噬細(xì)胞吞噬清除[24]；④其他障礙：吸入劑的劑型、吸入器的選擇以及患者依從性等。

3 基因治療以及常見載體

基因治療是指將外源正?；?qū)氚屑?xì)胞，以達(dá)到糾正或補(bǔ)償免疫缺陷和異?；蛞鸬募膊〉哪康腫23]。基因療法于1972 年被正式提出，并作為人類遺傳疾病的一種治療方式[24]。隨著分子生物學(xué)、動(dòng)物模型構(gòu)建、疾病靶向治療等研究領(lǐng)域的不斷發(fā)展，基因治療廣泛地應(yīng)用于腫瘤、自身免疫性疾病、心血管疾病、基因遺傳病等疾病的治療[25]。

肺部是采用基因療法治療遺傳性疾病如囊性纖維化、α1-抗胰蛋白酶缺乏癥以及其他疾病如肺癌、肺炎、肺血管疾病、哮喘的主要靶向器官[26]。疾病治療的關(guān)鍵在于將基因藥物成功遞送到肺部，所以需要安全有效的基因載體。當(dāng)前基因載體主要分為病毒載體和非病毒載體。在肺部基因治療中，無復(fù)制能力的重組腺病毒因具有較高的轉(zhuǎn)染效率使用最為廣泛，但其具有毒性和可引起局部或全身的免疫反應(yīng)和炎癥反應(yīng)限制了應(yīng)用[27]。非病毒基因載體因其具有低免疫原性和無毒的特征受到了廣泛的關(guān)注，目前研究較多的非病毒肺部給藥載體主要有微球、聚合物納米粒、 脂質(zhì)體、固體脂質(zhì)納米粒、納米脂質(zhì)載體、膠束等[28]，并且在一定程度上這些載體屬于緩控釋制劑，可以延長(zhǎng)藥物作用時(shí)間，減少服藥頻率，提高患者依從性。

4 基因藥物肺部給藥系統(tǒng)

肺部給藥系統(tǒng)是藥物經(jīng)特殊給藥裝置直接進(jìn)入呼吸道發(fā)揮局部或全身治療作用的給藥系統(tǒng)[29]。肺部給藥在肺部局部疾病的治療、全身性的治療以及基因治療中極具發(fā)展前景，是蛋白質(zhì)和多肽等非注射性藥物和其他治療性藥物較為方便有效的給藥途徑[30]。藥物能否被成功遞送到肺部有兩個(gè)重要的決定性因素：處方設(shè)計(jì)和給藥方式的選擇。

4.1 藥物處方設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)的肺部給藥制劑存在藥效時(shí)間相對(duì)短、給藥次數(shù)多、患者依從性較差等缺點(diǎn)，開發(fā)具有緩控釋能力的新型肺部藥物傳遞系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)肺部靶向性給藥，增加藥物在肺部的滯留時(shí)間，增加細(xì)胞內(nèi)的藥物濃度，降低治療過程中對(duì)正常組織細(xì)胞的損傷，使難溶性藥物、蛋白質(zhì)與多肽類藥物的生物利用度達(dá)到最大是當(dāng)前研究的重點(diǎn)[31]。非病毒基因載體如陽離子脂質(zhì)體、陽離子聚合物等不僅可以保護(hù)基因藥物免受破壞，還可以通過對(duì)載體進(jìn)行修飾實(shí)現(xiàn)功能化的藥物遞送，所以非病毒基因載體受到了科研人員的廣泛關(guān)注。

影響藥物能否成功遞送到肺部的因素如下：肺吸入微粒的粒徑直接影響其在肺部的沉積形式和部位。粒徑>5.0 μm的顆粒會(huì)產(chǎn)生慣性碰擊在咽喉和上呼吸道；粒徑<5.0 μm的顆?？梢缘竭_(dá)肺泡區(qū)，以補(bǔ)充作用和彌散作用沉積在肺泡表面[32]；粒徑在1.0～5.0 μm的粒子主要以重力沉積形式到達(dá)呼吸道深部，沉積在氣管和肺泡表面；粒徑<0.5 μm的粒子由于布朗運(yùn)動(dòng)隨氣流呼出體外，通常80%被排出，基本不在呼吸道沉積。粒徑在1.0～3.0 μm的粒子在細(xì)支氣管和肺泡內(nèi)沉積率最高，一般被選作肺吸入制劑的主要組成[22]。直徑小于2 μm的顆粒物進(jìn)入肺泡后，可被肺巨噬細(xì)胞吞噬，轉(zhuǎn)染前清除肺巨噬細(xì)胞，轉(zhuǎn)染效率可提高90%[32]。

基因載體的修飾材料直接影響藥物的穩(wěn)定性。據(jù)報(bào)道[33]，霧化過程剪切力對(duì)基因藥物會(huì)造成破壞，陽離子脂質(zhì)體和陽離子聚合物會(huì)保護(hù)基因藥物，提高對(duì)剪切力的耐受性。多種不同組分的陽離子脂質(zhì)體可以增加穩(wěn)定性從而提高轉(zhuǎn)染效率。陽離子聚合物如聚乙烯亞胺和聚乙二醇可以有效地保護(hù)基因藥物免受破壞[34]，復(fù)合物的穩(wěn)定性取決于聚合物的分子量[35]。另外，在處方中加入適當(dāng)氯化鈉也可提高復(fù)合物的穩(wěn)定性[36]。

4.2 肺部給藥方式

4.2.1 常規(guī)給藥途徑 靜脈注射給藥，也稱為全身遞送，是當(dāng)前基因治療普遍采用的給藥方法。Hattori等[37]以基于DOTAP的脂質(zhì)體作為載體通過靜脈注射的方式將siRNA遞送到MCF-7-Luc肺癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的異種移植小鼠中，可觀察到siRNA主要在肺中積累。然而有報(bào)道指出[38]，注射給藥遞送到的是肺部?jī)?nèi)皮細(xì)胞而不是上皮細(xì)胞，基因藥物容易被腎臟清除，肺內(nèi)分布較少。

4.2.2 吸入給藥方式 目前，通過吸入給藥進(jìn)行基因治療已被認(rèn)為是肺部疾病最有希望的治療方法之一，特別是在肺癌治療中[39]。相較常規(guī)制劑，吸入劑的優(yōu)點(diǎn)在于：可以從肺部直接進(jìn)入血液循環(huán)，起效快；局部給藥，提高藥物在靶器官的聚集，增加療效的同時(shí)降低毒副作用；無首過效應(yīng)，生物利用度高[20]。采用吸入給藥的方式多分為以下幾種：

4.2.2.1 經(jīng)鼻腔給藥 鼻內(nèi)給藥是將藥物用移液槍或注射器少量滴注在小鼠鼻孔處，該方法只適用于小劑量的基因治療給藥。因鼻黏膜血管豐富，所以經(jīng)鼻腔給藥具有藥物吸收快，生物利用度高的優(yōu)點(diǎn)；但是，經(jīng)鼻腔給藥后，藥物大部分在口腔和鼻腔以及上呼吸道內(nèi)，且分布不均勻易流失，無法到達(dá)下呼吸道和肺部。

4.2.2.2 氣管內(nèi)給藥 氣管插管給藥是將實(shí)驗(yàn)動(dòng)物麻醉后，剝離氣管，將導(dǎo)管切口插入氣管，在動(dòng)物吸氣時(shí)用注射器將藥物噴入氣管中。氣管插管給藥是在動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)中評(píng)價(jià)藥物肺部給藥最常見的一種方法[9]。該方法可對(duì)藥物進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，但是具有如下缺點(diǎn)：動(dòng)物麻醉劑量難以掌握；術(shù)后動(dòng)物無法存活，不能重復(fù)給藥。

氣管噴入或滴注給藥，是將給藥針插入氣管中，使藥物噴射或滴注到氣管中的一種給藥方法。氣管內(nèi)滴注給藥時(shí)，動(dòng)物仰臥姿勢(shì)、滴注裝置和滴注速度對(duì)藥物在肺部的分布有重要的影響：Hasegawa-Baba等[40]證實(shí)大鼠在仰臥45°時(shí)可避免藥物在氣管中堵塞，藥物分布良好，動(dòng)物存活率高；與灌胃針等相比較，使用干粉噴霧肺部給藥裝置MicroSprayer Aerosolizer進(jìn)行滴注時(shí)，藥物能更好地分布在肺部；滴注速度為慢速時(shí)，藥物懸浮液不能均勻的分散到肺中，而高速滴注具有良好的藥物分布。氣管噴入或滴注給藥可以多次重復(fù)給藥，可對(duì)藥物進(jìn)行定量。氣管滴注不能成為測(cè)定藥物分布的實(shí)驗(yàn)方法，原因如下：需要用到小動(dòng)物喉鏡，MicroSprayer設(shè)備停產(chǎn)；大量滴注時(shí)藥物進(jìn)入胃中；氣管滴注可導(dǎo)致肺部巨噬細(xì)胞數(shù)量增多，引起炎癥反應(yīng)[41]。最近，Oiso等[42]提出采用負(fù)壓法將藥物遞送到肺部，并對(duì)該方法進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)對(duì)肺組織無傷害，該方法中藥物遞送量是由小鼠呼吸控制；此外，在彈性蛋白酶誘導(dǎo)的肺氣腫小鼠模型中使用可再生塌陷肺泡的藥物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，負(fù)壓方法對(duì)肺組織學(xué)具有顯著的治療作用。

4.2.2.3 霧化吸入給藥 霧化吸入給藥，是將動(dòng)物置于密閉裝置中，使其被動(dòng)吸入藥物，是模擬人吸入藥物的一種實(shí)驗(yàn)方法。人可以進(jìn)行主動(dòng)呼吸將藥物吸收到肺，但是動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中無法控制其吸入的藥物量。動(dòng)物吸入藥物時(shí)，不僅會(huì)有藥物分散到動(dòng)物的鼻腔、皮毛和裝置內(nèi)部表面上，造成藥物的浪費(fèi)，而且在吸入藥物前沒有將肺部氣體呼出，吸入后沒有足夠的時(shí)間停頓屏氣[24]，導(dǎo)致藥物也無法到達(dá)肺深部[23]。另外，藥物能否到達(dá)動(dòng)物肺部依賴于霧化設(shè)備[38]，常見的霧化設(shè)備有靜電噴射式霧化機(jī)、機(jī)械振蕩霧化機(jī)、超聲霧化機(jī)及噴射式霧化機(jī)[42-44]。噴射霧化器的負(fù)載劑量與霧化劑量之間存在一定的差異，藥物在肺部的沉積少，造成了藥物的浪費(fèi)；超聲霧化器可以調(diào)節(jié)霧化速度和霧滴大小，但是霧化時(shí)間長(zhǎng)；機(jī)械振蕩霧化機(jī)為新一代霧化機(jī)，使用尚未普及，且價(jià)格昂貴，使用振動(dòng)網(wǎng)篩霧化器Aerogen Ultra時(shí)，肺部劑量?jī)H為負(fù)載劑量的34%，造成了大部分藥物的浪費(fèi)；靜電噴射式霧化機(jī)例如AERx，可成功地將基因遞送到肺部，但目前AERx尚處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。

5 總結(jié)

通過基因治療的方式來治療肺部疾病是一種有前景的治療方法，目前肺部吸入給藥在干粉吸入劑、給藥裝置等方面取得可喜的成果，但肺部給藥的臨床治療效果易受藥物性質(zhì)、劑型因素、給藥裝置和使用方法等眾多因素的影響。當(dāng)前我們需要研發(fā)出更有利于基因轉(zhuǎn)染和產(chǎn)生更小顆粒的霧化器，實(shí)現(xiàn)藥物的大規(guī)模精準(zhǔn)遞送，以及具有深層組織滲透能力的基因載體[30]。非病毒基因載體脂質(zhì)聚合物作為一種新型藥物遞送系統(tǒng)，因制備簡(jiǎn)單、毒性低而備受關(guān)注[45]，當(dāng)前缺乏大量的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)數(shù)據(jù)的支撐，并且在安全性和穩(wěn)定性方面還需要繼續(xù)考察，這將成為今后科研工作者的研究重點(diǎn)。