药用高分子材料-纳米药物载体技术

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1、纳米药物载体技术用纳米粒子作为药物载体可实现靶向输送、缓释给药的目的, 这是由于小粒子可以进入很多大粒子难以进入的人体器官组织, 如小于 50nm 的粒子就能穿过肝脏内皮或通过淋巴传送到脾和骨髓, 也可能到达肿瘤组织。另外纳米粒子能越过许多生物屏障到达病灶部位, 如透过血脑屏障( BBB) 把药物送到脑部, 通过口服给药可使药物在淋巴结中富集等。具有生物活性的大分子药物( 如多肽、蛋白类药物) 很难越过生物屏障, 用纳米粒子作为载体可克服这一困难, 并提高其在体内输送过程中的稳定性。用纳米粒子实现基因非病毒转染, 是输送基因药物的有效途径。药物既可以通过物理包埋也可以通过化学键合的方式结合到聚

2、合物纳米粒子中。载有药物的聚合物纳米粒子通常以胶体分散体的形式通过口服、经皮、皮下及肌肉注射、动脉注射、静脉点滴和体腔黏膜吸附等给药方式进入人体。制备聚合物纳米粒子的方法主要有以下几种: ( 1) 单体聚合形成聚合物纳米粒子; ( 2) 聚合物后分散形成纳米粒子; ( 3) 结构规整的两亲性聚合物在水介质中自组装形成纳米粒子。1 单体聚合制备的聚合物纳米粒子聚氰基丙烯酸烷基酯( PACA) 在人体内极易生物降解, 且对许多组织具有生物相容性。制备聚氰基丙烯酸烷基酯纳米粒子采用的是阴离子引发的乳液聚合方法, 通常以 OH-为引发剂, 反应一般在酸性水介质中进行, 常用的乳化剂有葡聚糖、乙二醇与丙

3、二醇的嵌段共聚物和聚山梨酸酯等, 具体制备过程见图 1。当反应介质 pH 值偏高时, OH-浓度大, 反应速度快, 形成的 PACA 分子量低, 以此作为给药载体材料进入人体后, 降解速度太快, 不利于药物缓释。因此聚合反应介质的 pH 值通常控制在 1.0 3.5 范围内。图 1 聚氰基丙烯酸烷基酯纳米粒子的制备过程PACA 纳米粒子载药的方式有两种: 一是药物与单体一起加入, 药物在聚合反应过程中被包埋在粒子内; 二是聚合反应完成后, 药物通过吸附进入粒子内部。有人报道用 Tween-80 作乳化剂合成聚氰基丙烯酸丁酯纳米粒子, 用于脑部靶向给药, 可以透过人体血脑屏障, 进入大脑中枢神经

4、系统, 对治疗老年性痴呆、脑肿瘤等脑部疾病有明显效果。2 聚合物后分散形成的纳米粒子 脂肪族聚酯类聚合物, 如聚乳酸( PLA) 、聚乙交酯( PLG) 、聚乙交酯丙交酯共聚( PLGA) 、聚己内酯( PCL) 等, 还有一些天然高分子, 如白蛋白、壳聚糖、海藻酸盐等, 它们具有良好的可生物降解性, 现已被广泛用于给药载体。要把这些聚合物制成纳米粒子, 通常采用后分散法。以下列举文献报道的具体方法：（1） 溶剂蒸发法(solvent evaporation method) 聚合物和药物一起溶于二氯甲烷、氯仿或醋酸乙酯等有机溶剂中, 再加到含有乳化剂的水体系中进行乳化, 形成 O/W 型乳液,

5、 然后通过加温、减压或连续搅拌等方式把有机溶剂蒸发除去, 最后形成聚合物纳米粒子的水分散体系。(2) 自发乳化/溶剂扩散法(spontaneous emulsion / solvent diffusion method)用亲水性有机溶剂( 如丙酮、甲醇等) 和疏水性有机溶剂( 如二氯甲烷、氯仿等) 形成的混合溶剂溶解聚合物和药物作为油相, 分散在水中, 由于亲水性有机溶剂会自动从油相扩散到水相, 两相之间的界面会产生湍流, 从而形成纳米粒子。动物试验证明, 与直接用胰岛素水溶液给药相比, 聚合物纳米粒子给药具有明显的降血糖效果, 且持续时间长。一、药用生物降解性合成高分子材料一般来说，药物载体

6、是由高分子材料来充当的，包括天然高分子材料和合成高分子材料，由于天然高分子载体材料不能完全适合应用要求，所以生物降解性合成高分子材料愈来愈受重视，近年来国内外生物降解性合成高分子材料主要是聚乳酸和聚己内酯，作为药物缓释载体。1 聚乳酸(PLA)聚乳酸是一种具有优良的生物相容性和可生物降解的聚合物，是目前研究最多的聚酯类生物降解材料之一。聚乳酸无毒、无刺激性、无免疫原性并且生物相容性好，可安全用于体内，因此，被用作可生物降解的药物缓释载体，已经得到美国FDA的认可。2 聚己内酯酸(PCL)聚己内酯(PCL)是具有良好药物通透性能的高分子材料，在医学领域已经有广泛的应用。Pitt和Schindle

7、r早在20世纪70年代就提出PCL可用作药物控释载体，并对其药物通过性和生物降解性进行了系统研究。宋存先等研究了PCL在大鼠体内的降解情况，发现PCL的降解分两个阶段进行：第一个阶段为分子量不断下降但不发生形变和失重，起始分子量6.6万的PCL在体内可以完整保存2年；第二阶段是低分子量的PCL开始变为碎片并发生失重，最终降解物逐渐被有机体吸收和排泄而不蓄积于体内，因此可以用作体内的药物控制释放材料。二、两个生物可降解纳米药物载体报道 1. 南京医科大学基础医学院生物技术系姚俊博士，利用味精的原料谷氨酸，为抗癌药物打造了一辆“好车”。这辆车既能运药，又能精确打击癌细胞，降低药物的毒副作用。该发明

8、叫作“聚谷氨酸纳米药物载体”，能让药物更易在病灶组织滞留、富集，慢慢发挥效应；“车内空间”也大，能装载更多药物。从而增加药物疗效，降低毒副作用,目前已获国家专利。在癌细胞的表面，有特定的抗体受体，可以用作药物靶点。找到相应的抗体，安装在“车”上，可以自动“定位”癌细胞，并运药至癌细胞，避免对正常细胞的“误伤”. 利用微生物发酵法,采用特定的微生物将味精的主要成分谷氨酸转化为一种生物高分子-聚谷氨酸。他说，由于原料易于获得，工艺绿色，可通过微生物发酵的大规模制备。而且，由于载体材料由谷氨酸单体组成，能被机体吸收、代谢和排泄，不易产生积蓄和毒副作用。这辆“车”很智能，能对“路况”作出响应。例如，人

9、体内各组织的环境pH值各有差别，特别是肿瘤组织的pH值一般低于正常组织。“设定遇到特定pH值环境时，再释放药物，从而可设计针对某器官或肿瘤的给药机制。在这辆“车”的制造过程中，还可设置多种“开关”和“触发按钮”，除了上述的pH，还可让它对温度、酶等因素也有不同响应。姚俊介绍说：“例如肝脏有一种特有的酶GGT，它具有切开车厢卸载药物的本领，那么我们可由此设计针对肝脏组织的给药系统。”2. 湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室主任谭蔚泓带领课题组，研发出一种能向肿瘤细胞靶向输送大量抗癌药物的DNA“纳米火车”。其不仅可提高抗癌药物的靶向性，减少药物的毒副作用，还可大大增加药物的携带量。相关成

10、果发表于美国国家科学院院刊。据了解，这种“纳米火车”的“车体”由多条DNA短单链通过分子自组装而成，宽约3至5纳米，长度可视需要增减。其整体结构十分简单，三维结构形似火车。它的“火车头”由核酸适配体构成，可与某种特定癌细胞的膜蛋白结合，为给药系统提供“方向”和“动力”；通过分子自组装形成的DNA结构则构成了一节一节的高容量“车厢”，用于装载抗癌药物分子或其他生物试剂，比如可装载荧光成像试剂，对整个过程进行实时监测。该“纳米火车”可大幅提高抗癌药物的携带量。由于传统给药系统是“一个萝卜一个坑”，一次往往只能携带一个药物分子，不足以杀死癌细胞。采用“火车”式设计，则可一次性携带约300至1000个

11、药物分子。这有助于缩短病人的治疗周期，降低治疗成本。同时，由于核酸适配体可与目标物质或细胞高特异性地结合，由它构成的“火车头”可精准地将药物输送至癌变区域，从而避免对正常细胞的“误伤”，精准性大大高于传统的化学抗癌药物。此外，由于整列“火车”由生物分子组成，不存在传统的无机或高分子材料在生物体内难降解的问题，从而减少了对人体潜在的毒副作用。谭蔚泓透露说，该团队已针对白血病、肺癌、乳腺癌、胰腺癌和肝癌等癌细胞的特有生物标志物，筛选出不同的核酸适配体。这意味着运用“纳米火车”成果，将来还有望开发出一次靶向不同类型癌症的“多弹头”药物。三、高分子纳米药物载体系统 目前, 人们已经成功研制尺寸在 1

12、1000nm 的多种形态的高分子纳米药物如高分子纳米微球、高分子纳米凝胶、高分子蛋白复合物、高分子纳米囊泡、树枝状大分子载体等。如图 2 所示。 Figure 2 Polymeric nanomedicine carrier 与其它胶体载体相比，聚合物纳米颗粒在与生物体液接触时稳定性更高，它们的聚合物性质可控，可实现持续的药物释放。他们有非常好的理化性质如大小，表面电位，亲水-疏水平衡，等等，基于这个原因，聚合物纳米颗粒可作为潜在的药物载体用于生物活性成分如抗肿瘤药物、疫苗、寡核苷酸、肽等。 生物可降解聚合物纳米载体（例如胶束和囊泡）在药物和蛋白质的控制和释放上展现了广阔的应用前景。理想的纳米

13、靶向药物释放系统应该能够在血液中保持稳定，具有较长的循环时间，其通过主动或被动靶向方式富集到肿瘤组织后，可被肿瘤细胞高效内吞，在肿瘤细胞内载体会快速分解，快速释放药物，实现肿瘤特异性高效治疗，同时降低药物的毒副作用。以下是癌症/肿瘤的靶向治疗（含纳米载体技术）：Fig. 2. Targeting strategies for cancer therapy. (1) Passive targeting can be achieved by enhanced permeation and retention (EPR) effect mediated by leaky vascular struc

14、tures. Accumulation of macromolecular drugs or nanoparticles increases local drug concentration by degradation of drug carriers at the extracellular space or inside cells after endocytosis. (2) Active targeting mediated by targeting ligands specifically localizes drug carriers at desired cells or ti

15、ssues. Due to the ligands, primary action mechanism is drug release inside cells after endocytosis. (3) Smart polymer systems loading therapeutic drugs also can be localized by EPR effect. Depending on disease,disintegration or degradation of drug carrier to release drugs can occur. (4) Combination

16、of targeting ligands and smart polymer systems provides more effective release of encapsulated drugs. By environmental signals, drugs can be liberated at the extracellular space or inside target cells according to predetermined program.3.1纳米聚合物胶束载体1. 聚合物纳米药物载体的应用基于聚合物的药物传递系统自从 20世纪 90年代以来就被作为治疗人类重大疾

17、病的有效手段开始研究, 包括聚合物胶束, 脂质体, 纳米球, 纳米囊等, 统称为纳米药物。其粒径可能超过 100 nm, 但通常应小于 500 nm。作为一种新型的载体, 聚合物胶束具有载药范围广、结构稳定、优良的组织渗透性、体内滞留时间长、能使药物有效地到达靶点等特点, 是很有发展前景的药物载体。（1） 自聚集胶束把两亲性聚合物溶解到水中, 当浓度高于临界胶束浓度 ( critical m icelle concentration, CMC)和临界胶束温度 ( critical m icelle temperature, CMT ) 时, 可自聚集形成纳米聚集体, 即自聚集聚合物胶束。憎水链

18、段之间由于憎水相互作用而聚集形成粒子的内核, 外壳则由亲水链段形成刷状结构, 这些亲水链段通常具有生物相容性并对粒子分散在水中起立体稳定作用, 在亲水链段末端还可引入具有靶向功能的组分。在水中溶解度低的两亲性聚合物也可以先溶解在有机溶剂中, 然后在水性缓冲液中透析。两亲性二嵌段 (亲水 - 疏水 )或三嵌段 (亲水- 疏水 - 亲水 ) 共聚物最常用于制备自聚集聚合物胶束用于药物的传输, 也有应用接枝聚合物的报道。亲水性嵌段通常由 PEG （聚乙二醇）或 PEO（聚氧乙烯 ）组成,疏水性嵌段的选择主要取决于药物与疏水核的相容性和胶束的动力学稳定性，组成二嵌段共聚物疏水嵌段如: 聚- L - 氨

19、基酸; L-生物可降解聚酯, 包括聚乙醇酸, 聚 - D - 乳酸, 聚 - D, L- 乳酸, 乳酸 /乙醇酸共聚物, 和聚 - 己内酯; 磷脂/长链脂肪酸；组成三嵌段共聚物的疏水嵌段如聚氧丙烯。当嵌段共聚物胶束化形成的纳米粒子用于给药载体时, 其特点是内核载药量大, 在人体内分布主要由粒子大小和粒子表面性质决定, 与内核包裹的药物无关。与小分子表面活性剂相比, 聚合物的临界胶束浓度( CMC) 很低, 在水溶液中离解速度慢, 因此药物可在载体内停留较长时间, 保证有足够量的药物到达人体病灶部位。图 3 两亲性嵌段共聚物自组装形成纳米粒子 Kataoka 等人为了把抗癌药物阿霉素用聚合物纳米

20、粒子作为载体输送到肿瘤细胞, 他们首先合成出聚乙二醇( PEG) 与聚天冬氨酸( PAsp) 的嵌段共聚物( PEGPAsp) , 然后利用PAsp链段上的羧基与阿霉素( DOX) 分子上的伯氨基发生缩合反应, 就可以通过化学结合的方式把 DOX 连接到 PAsp链段的侧链上( 见图 4) 。图 4 接有阿霉素的聚乙二醇-聚天冬氨酸嵌段共聚物的结构 为获得具有靶向功能的聚合物纳米粒子, 在合成两亲性嵌段共聚物时常在亲水链段端基引入可反应性基团, 如缩醛基。类似的，还可以把糖基固定在聚合物粒子表面, 作为具有特异性识别功能的组分。如果接枝共聚物是由疏水的骨架链和亲水的支链构成, 该接枝共聚物分散

21、在水中就会自组装形成具有核壳结构的纳米粒子, 如图 6 所示, 粒子内核由疏水骨架链组成, 而外壳则是亲水的支链。图 6 两亲性接枝共聚物自组装形成的纳米粒子一般来说, 像多肽、蛋白类亲水性较强的生物大分子药物很难通过口服而被胃肠道吸收, 一方面是由于生物大分子药物易被胃肠道中的酶分解, 稳定性差, 另一方面是由于肠道表面粘膜是亲脂性的, 水溶性好和极性高的药物很难透过。如果采用上述接枝共聚物形成的纳米粒子作为给药载体, 由于粒子表面存在大量离子基团或亲水基团, 亲水性药物通过静电相互作用或氢键作用结合在粒子表面, 载有药物的粒子可以吸附在肠道黏膜上, 释放药物进入上皮细胞, 并最终到达毛细血

22、管, 见图 8。图 8 包裹在聚合物纳米粒子内的降血钙素被肠道黏膜吸收的机理（2）单分子胶束单分子胶束从形貌上类似于自聚集胶束, 但由单一的聚合物分子组成, 该聚合物分子通过共价键和两亲链链接。例如, 取决于它们的结构和组成, 共聚物可能具有星状或树枝状结构,这些共聚物可能会聚集形成多分子, 或以单分子胶束形式存在。树枝状大分子被广泛用作制备单分子胶束的嵌段, 因为它们高度支化, 具有明确的球状形态而且表面功能可控。树枝状的核可包载各种药物分子。但是, 由于在树枝状聚合物合成过程中的结构限制, 以及树枝状聚合物的相对紧凑的结构, 这种胶束的载药能力是有限的。为增加载药量, 可用疏水嵌段修饰树枝

23、状的内核, 然后再附加上 PEO链。例如, 有人合成了一个两亲性的含有聚氨基胺树枝状内核的星形聚合物,分支的内部为亲脂的聚己内酯嵌段, 外部为 PEO嵌段。研究表明, 这些单分子胶束可以包封疏水性药物依托泊苷, 而且载药量较高。四、聚合物复合物作为抗癌纳米药物一个例子：2 高分子偶联药物作用机制Figure 2 | Current understanding of the mechanism of action of polymerdrug conjugates. A | Hydrophilic polymerdrug conjugates administered intravenously

24、 can be designed to remain in the circulation their clearance rate depends on conjugate molecular weight, which governs the rate of renal elimination. a | Drug that is covalently bound by a linker that is stable in the circulation is largely prevented fom accessing normal tissues (including sites of

25、 potential toxicity), and biodistribution is initially limited to the blood pool. b | The blood concentration of drug conjugate drives tumour targeting due to the increased permeability of angiogenic tumour vasculature (compared with normal vessels), providing the opportunity for passive targeting d

26、ue to the enhanced permeability and retention effect (EPR effect). c | Through the incorporation of cell-specific recognition ligands it is possible to bring about the added benefit of receptor-mediated targeting of tumour cells. d | It has also been suggested that circulating low levels of conjugat

27、e (slow drug release) might additonally lead to immunostimulation. e | If the polymerdrug linker is stable in the circulation, for example, N-(2-hydroxypropyl)methacrylamide (HPMA) copolymerGly-Phe-Leu-Glydoxorubicin, the relatively high level of renal elimination(whole body t1/2 clearance 50% in 24

28、 h) compared with free drug (t 1/2clearance 50% in 4 days) can increase the elimination rate. B | On arrival in the tumour interstitium, polymer-conjugated drug is internalized by tumour cellsthrough either fluid-phase pinocytosis (in solution), receptor-mediated pinocytosis following non-specific m

29、embrane binding (due to hydrophobic or charge interactions) or ligandreceptor docking. Depending on the linkers used, the drug will usually be released intracellularly on exposure to lysosomal enzymes (for example, Gly-Phe-Leu-Gly and polyglutamic acid (PGA) are cleaved by cathepsin B) or lower pH (

30、for example, a hydrazone linker degrades in endosomesand lysosomes (pH 6.510-fold, EPR-mediated targeting will also enable the circumvention of other mechanisms of drug resistance. Non-biodegradable polymeric platforms must eventually be eliminated from the cell by exocytosis. Rapid exocytic elimina

31、tion of the conjugated drug before release would be detrimental and prevent access to the therapeutic target. In general, polymeric carriers do not access the cytosol. MRP, multidrug resistance protein.五、微凝胶/纳米凝胶交联聚合物颗粒在药物传输系统中的研究： 纳米水凝胶是一种水溶胀性的，具有交联结构的亲水纳米高分子材料，因其含水量高、溶胀快、生物兼容性好等优点得到广泛研究及应用。纳米水凝胶，作

32、为一种药物传递载体主要应用于易被生物酶类降解、生物半衰期短的多肽、蛋白质及核酸类等生物大分子药物的口服给药或注射给药。“智能纳米水凝胶”可以响应环境的微小变化而发生可逆性相变，实现药物在体内的定点、定时、定量释放，从而减少用药次数，提高药物疗效、降低患者用药成本、减少药物的不良反应。 制备方法：光刻和微成型方法、微流体法、生物聚合法（水包油（O / W）乳化异构方法、水均相凝胶化法、喷雾干燥法、葡聚糖的化学交联）、非均相自由基聚合、异构控制/活性自由基聚合. Fig. 15. Illustration of unique features of stable biodegradable nanogels of well-controlled water-soluble polymers in the presence of a disulfide-functionalized dimethacrylate for effective targeted drug delivery.