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活性氧响应型纳米材料在肿瘤治疗中的研究应用

发布时间:2019-10-29所属分类:医学论文浏览:1

摘 要:刺激响应型纳米载体是一类功能性聚合物,具有随外界环境变化而结构或性质改变的特征,在药物/基因传递方面具有重要的应用价值,受到了科学家们的广泛关注. 这些材料的优势是可识别局部生理条件异常,如肿瘤细胞中较低的 pH,偏高的温度及氧化还原平衡

  摘 要:“刺激响应型”纳米载体是一类功能性聚合物,具有随外界环境变化而结构或性质改变的特征,在药物/基因传递方面具有重要的应用价值,受到了科学家们的广泛关注. 这些材料的优势是可识别局部生理条件异常,如肿瘤细胞中较低的 pH,偏高的温度及氧化还原平衡等. 其中,活性氧响应型纳米载体可充分利用病变组织或细胞中的高活性氧水平,调节药物或基因的靶向传递和释放,成为了研究热点之一. 综述了近年来活性氧响应型聚合物材料的研究进展,简述了其合成方法及在肿瘤治疗中的应用实例,重点介绍了两类活性氧响应聚合物材料即水溶性改变材料及结构降解型材料,最后对活性氧响应型聚合物材料的发展和应用前景进行了初步展望.

活性氧响应型纳米材料在肿瘤治疗中的研究应用

  关键词: 肿瘤治疗; 纳米载体; 活性氧响应

  近年来,随着基因治疗技术的不断发展,人们已经从传统载体材料的改进转变为多功能化和智能化新型材料的开发. 其中,刺激响应型纳米载体引起了研究工作者的极大兴趣. 这类材料是利用正常组织与肿瘤组织微环境的特殊差异,设计肿瘤微环境响应性的新型纳米载体. 它们的优势是可识别局部生理条件异常,如癌细胞中偏低的 pH、偏高的温度、某些酶的过度表达、高含量的谷胱甘肽( GSH) 及氧化还原平衡等[1-6]. 因此,针对肿瘤组织和细胞的特殊理化性质而设计制备的刺激响应型纳米载体系统也得到了广泛研究,并取得了较好的效果.

  其中,氧化响应型纳米载体是研究的热点[7-9]. 与细胞外环境相比,细胞质具有较高的氧化能力. 正是由于氧化水平存在着较大的差异,因此对于基因和药物的有效传送及释放提供了潜在的可能. 氧化环境主要是指癌细胞内的高活性氧( ROS) 水平. 活性氧( reactive oxygen species,ROS) 是一类化学性质活泼,具有较高氧化活性的分子或离子的总称. 主要包括过氧化氢( H2 O2 ) 、羟 基 自 由 基 ( · OH) 、过 氧 硝 酸 盐 ( ONOO- ) 、超氧化物( O2 - ) 、单线态氧等. 通常而言,活性氧是线粒体进行电子传递产生的副产物. 一方面,活性氧在正常细胞的信号传导,和保持机体恒定性起着巨大作用. 另一方面,ROS 也是一把双刃剑,过量的 ROS 会对一些生物大分子( 如脂质、核酸和蛋白质等) 造成损伤,从而影响其正常生理功能[10-11]. 大量研究显示,ROS 与各种病理疾病密切相关,如癌症、动脉粥样硬化、糖尿病、炎症等[8,12-13]. 因此,可利用癌细胞中的氧化微环境 ROS 水平不同作为特异性刺激,调节药物/基因载体的传递和释放. 本文重点概述了活性氧响应型聚合物材料的合成及其在肿瘤治疗中的应用,并对今后的研究方向进行了探讨. 目前,活性氧响应型聚合物纳米材料,可大致分为水溶性改变和结构降 解 这 两 类 ( 降解机理及结构如图 1、图 2 所示) [14].

  1 水溶性改变材料

  1. 1 聚丙烯硫醚( Polypropylene Sulde,PPS)

  在氧化环境下,有机硫化合物会改变其亲—疏水性质,由疏水硫化物转变为亲水的砜或者亚砜化合物[15-17]. 2004 年,Hubbell 课题组首例报道了利用聚丙烯硫醚的氧化响应这一特性,将其用作药物传递载体[18]. 这也是第一类被发现的氧化敏感响应型生物材料. Hubbell 等人通过阴离子开环聚合法制得 了 ABA 型三嵌段共聚物,其中聚乙二醇作为亲水 A 段,而聚丙烯硫醚作为疏水 B 段[19]. 研究发现,合成的嵌段共聚物在水溶液中能够通过亲水/疏水相互作用自组装成为 U-型囊泡,并保持稳定. 但在 10% 的双氧水氧化环境中,嵌段共聚物会在几小时内完全溶解,转变为亲水物质. 核磁共振光谱、浊度测量以及低温透射电镜实验都同时发现了这一现象. 同样,Reddy 课题组也合成了聚丙烯硫醚( PPS) 和聚乙二醇( PEG) 二嵌段共聚类似物[20]. 高亲水性的 PEG 围绕着疏水 PPS 内核自组装成粒径为 20 nm 左右的纳米颗粒. 这些小粒径的纳米颗粒能够被动内在化进入淋巴节点中,并有效的在小鼠体内模型实验中被分解和释放药物. 正是由于淋巴细胞能够积极地利用 ROS 作为信号分子来调节炎症和氧化应激,这类活性氧响应型纳米载体 系 统 显 示 出 巨 大 的 潜 力 用 于 治 疗免疫疾病[21]. 最近,还有研究人员将还原响应型二硫键同 PPS 氧化响应型聚合物结合在一起. 硫醚和二硫键能够分别响应氧化刺激和还原刺激,表现出抗氧化和还原作用. Swartz 课题组将抗原连接到这类氧化-还原响应 PPS 聚合物上,体内体外实验均发现它能够诱导树突细胞进行抗原交叉表达[22]. 纳米材料被细胞摄取后,在细胞质的还原环境中二硫键断裂,抗原从 PPS 聚合物中释放出来. 而残留的 PPS 聚合物材料在晚期溶酶体氧化环境中完全水溶,并被降解成为对细胞无毒的分子,具有较好的生物兼容性. You 等人发现,由于高代的 PAMAM 树枝状分子毒性大,合成成本高,限制了它在生物医疗方面的临床应用[23]. 用无毒易制备的第 2 代 PAMAM 同 PPS 和二硫键相连接,合成了化合物 PPS-SS-PAMAM2. 0作为基因载体. 10 mM 双氧水孵化 24 小时后,透射电镜 TEM 观察到纳米粒子粒径大幅度减小. 凝胶电泳实验也进一步验证了在活性氧物质存在下,复合物解离有效释放出 DNA. 该载体具有氧化还原响应性,毒性较低,有着与商业化转染试剂相当的转染效率. Lo 课题组评估了基于硫醚和二硫键的氧化还原双响应药物载体在体内中的研究应用[24]. 同游离的喜树碱药物相比,纳米颗粒在癌细胞中释放出药物产生抗癌效应,而在低 ROS 和 GSH 水平的正常细胞中活性较低且几乎没有毒性. 研究工作者还评估了载体在肿瘤小鼠中的治疗潜力,也显示出较好的抗肿瘤活性,为硫醚载体系统的实际应用提供了可能性. 由于 PPS 具有易于合成,用途广泛,氧化环境下引起的溶解度变化且生物相容性好等优异特性,是一类理想的氧化敏感响应型材料.

  1. 2 含硒嵌段共聚物( Selenium-Containing Block Copolymers)

  与 PPS 中的硫醚基团类似,在氧化环境中,硒化合物也会发生相变,由最初的疏水转变为亲水可溶的氧化硒或硒砜化合物[25]. Zhang 课题组合成了一系列含硒类氧化还原响应型纳米药物载体材料[26-30]. 其中 Ma 等人开发了一类两亲性的含硒三嵌段共聚物 ( PEG-PUSe-PEG) ,含有疏水的聚氨酯和亲水的聚乙二醇嵌段[30]. 该共聚物在水溶液中自组装成为胶束,而在浓度为 0. 1% 的双氧水氧化环境下发生裂解,10 小时内即可释放出 72% 的包载阿霉素药物. 将阿霉素包载到含硫二嵌段共聚物 PEG-PU 胶束中进行比较发现,在相同氧化条件下,阿霉素在 10 小时内的释放量仅为 41% . 在另一项研究中,Ren 等人设计合成了一种新型的环氧乙烷-丙烯酸含硒嵌段共聚物 ( PEO-b-PAA-Se) . 在浓度为 0. 1% 的双氧水弱氧化环境中,20 小时内能够将所有负载的药物完全释放出.更有趣的是,加入维生素 C 这种还原剂后,氧化过程变为可逆的[29].

  在氧化或还原环境中,二硒键 Se-Se 容易发生断裂转变为硒酸或硒醇,使得其具有氧化还原响应性[31]. Ma 和 Zhang 等人设计开发了另一联硒嵌段共聚物( PEG-PUSeSe-PEG) 作为氧化还原响应的纳米载体,含有亲水聚乙二醇 PEG 以及疏水聚氨酯双硒嵌段[27]. 罗丹明 B 被包载在聚合物胶束中用来研究氧化还原条件下的释放情况. 以两种浓度的双氧水 ( 0. 1% 和 0. 01% 的 H2O2 ) 为氧化剂研究了双硒键的断裂以及由此引起的胶束瓦解后负载的释放. 结果发现,即使是在低浓度( 0. 01% ) 的 H2O2环境下,3 小时后也能观察到超过 90% 的负载被释放. 而在浓度为 0. 01 mg /mL 的 GSH 还原条件下,胶束很快解离,负载的荧光团被完全释放.

  同一主族的碲元素引入聚合物中也有活性氧响应性,但目前报道的文献较少[32-34]. Xu 等人合成了线性和树枝状的两类含碲聚合物,可在氧化环境和 γ 射线共同作用下被氧化降解释放负载,进行化学、放射共治疗[32-33]. 但目前这一类型的材料相关的体内毒性数据仍有待进一步研究.

  1. 3 聚硫醚缩酮化合物( Polythioether Ketal)

  如今发展的各种多刺激响应材料中,聚硫醚缩酮是少数以活性氧为主要刺激响应的材料之一[35-36]. Almutairi 等人合成的聚硫醚缩酮聚合物纳米颗粒具有生物双刺激响应特性,可用作蛋白质传递载体[35].材料中的硫醚基团有类似于 PPS 的“溶解度-改变”机制对活性氧物质响应,而缩酮基团具有 pH 响应性. 首先利用高压均质器将尼罗河红或卵白蛋白包裹在聚硫醚缩酮纳米颗粒中,一旦胶束进入具有高 ROS 浓度的巨噬细胞中,材料会被氧化溶解,使得部分包载物释放出来. 在体外酸性环境( pH = 6. 5) 以及 ROS 物质共同存在下,聚合物几乎能够完全降解释放出负载物. 有趣的是,在没有 ROS 物质存在的酸性环境中,即使 pH 值保持在相对较低的 5 时,聚合物仍无法充分降解. 这一结果证实了聚硫醚缩酮类化合物需要在活性氧和酸性环境的协同作用下才能充分释放药物.而这种双刺激响应选择特性也减少了非靶向的副作用,更适用于治疗高 ROS 浓度和低 pH 值的炎症部位.

  2 结构降解材料

  2. 2 硼酸酯类化合物( Materials with Boronic Esters)

  硼酸酯类化合物是近几十年出现的一类被广泛应用的具有活性氧刺激响应-降解的生物材料[37-41].研究发现,在 ROS 氧化环境中,硼酸酯发生氧化反应,从而被降解. 例如,将硼酸酯与多肽共价连接可隐藏基质金属蛋白酶( MMP) 的活性位点,在高活性氧环境中材料降解,活性部分暴露[42]. 类似的,硼酸酯共价连接在抗癌药物和显像剂上后,在高活性氧水平环境中也可激活特定位点,达到较好的示踪和治疗效果[43-44]. 相比较而言,含有酯或醚键的芳基硼酸酯具有更好的降解动力学[42]. De Garcia Lux 等人合成了两种 ROS 响应的芳基硼酸酯和己二酸聚合而成的新型聚合 物,其中芳基硼酸酯直接或者通过醚键连接[45]. 在不同的双氧水浓度下,纳米颗粒均被降解释放出负载物. 通过醚键连接芳基硼酸酯的聚合物对活性氧敏感度更高,同等程度下的降解,醚键连接在较低 ROS 浓度( 50 μM 的 H2O2 ) 下即可进行而直接连接需要 1 mM 的 H2O2浓度. 他们还使用活化的中性粒细胞模拟生理状态下的体外富活性氧环境,醚键连接的芳基硼酸酯聚合物释放负载物是直接连接方式的两倍. 随后,Zhang 课题组将芳基苯硼酸连接到 β-环糊精上,系统研究了不同连接键对活性氧响应的影响[46]. 虽然不同的连接方式会影响反应速率,但这些材料都能够有效的响应活性氧刺激. 这种活性氧的响应能力同连接基团的水解不稳定性密切相关,其中酯键水解最慢. 此外,材料的水解曲线和活性氧响应能力还可通过改变共轭芳基硼酸酯基团的数目来调节.与活性氧物质反应,能够有效保护巨噬细胞不受活性氧引起的氧化应激和炎症反应的影响. 此外,通过抑制中性粒细胞侵染和促炎性细胞因子和趋化因子表达,诱导巨噬细胞聚集,还能够有效治疗小鼠的急性炎症. 与单纯的药物分子相比,通过药物分子和载体材料的协同作用,更有效的解决了小鼠的急性炎症.更重要的是,这种类型的生物材料在完全水解后,生成的是 β-环糊精单体和其他易排泄的小分子,具有较好的生物兼容性. 在体外细胞培养研究和体内毒性评估中都表现出较好的生物安全性,为急性疾病和慢性炎症的治疗提供了新的前景.

  2. 2 多孔硅材料( Silicon)

  前期的研究中发现,各种药物分子如阿霉素和地塞米松 吸 附 在 多 孔 硅 材 料 中 可 用 于 药 物传递治疗[47-49]. 然而,药物分子简单的非特异性吸附在多孔硅材料表面,容易引起快速释放,难以到达特定位点缓释的效果. 为解决此问题,Sailor 课题组将抗癌药阿霉素或荧光染料 Alexa Fluor 488 通过共价 Si-C 键连接在多孔硅的表面和内部孔壁上[50]. 先借助微波法使十一碳烯酸连接在 Si 表面,使 Si 表面带有羧基. 随后,使用缩合剂将荧光染料或者药物上的胺基与 Si 表面的游离羧基连接起来. 在氧化条件刺激下,基质 Si 材料会被氧化,生成 Si-O-Si 键,随后发生水解使负载物有效释放. 实验发现,在过氧硝酸盐( ONOO - ) 模拟的氧化环境中,24 小时内共价连接荧光染料的 Si 颗粒表达的荧光强度是在生理盐水中的 10 倍,有效的避免了负载物的快速释放.

  2. 3 脯氨酸低聚物( Material with Proline Oligomers)

  自 1960 年以来,自由基介导的游离氨基酸或多肽的氧化反应一直被广泛研究[51-53]. 最近它的重要性被反复强调,这是由于许多病理过程中增长的活性氧水平能够氧化蛋白质. 研究发现,多肽中的天冬氨酸、谷氨酸和脯氨酸等氨基酸在被氧化时易发生肽链裂解,导致蛋白片段化[54]. 在这三种氨基酸中,已有实验证明 脯 氨 酸 可 在 生 理 活 性 氧 条 件 下 被氧化裂解[55]. Sung 课题组利用脯氨酸寡聚物作为交联剂来构造聚己内酯聚合物支架,这种支架对活性氧物质有特异性响应降解[56]. 实验发现,在高浓度的 ROS 环境中( 5 mM H2O2 ) ,孵化 6 天后聚合物中脯氨酸的共价连接完全断裂,负载物随之释放. 值得注意的是,与其他活性氧响应材料在数小时到数天内迅速对 ROS 产生响应不同,基于脯氨酸寡聚物的活性氧响应载体需要数周的时间才能完全降解. 因此脯氨酸寡聚物类型的载体材料更适用于高氧水平炎症反应中的缓慢释放. 除此之外,相对于其他活性氧材料可能含有硒等有毒元素,使用天然氨基酸还可以有效避免潜在的生物相容性问题,利于体内的临床应用.

  2. 4 聚硫缩酮化合物( Polythioketal)

  硫缩酮在有机合成中通常作为羰基的保护基团,在酸性或碱性环境中均具有较好的稳定性. 它在氧化条件下能够被分解为酮/醛和二硫化合物,是一类新型的活性氧响应的化学连接键[57-58]. 最早,Murthy 课题组用缩合聚合法制备了硫缩酮类纳米颗粒,用于口服治疗高活性氧水平的发炎肠道组织[59]. 与 siRNA 复合可形成 600 nm 左右的负载微粒,易结合到发炎结肠粘膜被内在化进入巨噬细胞. 这些负载颗粒对酸、碱和蛋白酶均有耐受性,能够抵抗胃肠道的严酷环境靶向传递到炎症部位. 在体外活性氧环境中,载体发生解离释放出负载基因. 应用小鼠溃疡性结肠炎模型,证明口服使用携带 siRNA 靶向肿瘤坏死因子 α ( TNF-α) 基因的载体颗粒可有效降低炎症结肠中的 mRNA 水平,有效治疗溃疡性结肠炎. Xia 等人通过 Michael 加成合成了聚氨基硫缩酮化合物 PATK 用于基因传递载体[60]. 通过核磁光谱检测到,相同时间内聚合物的降解度随着活性氧浓度的增加而增大. 在高活性氧水平的前列腺癌细胞中,硫缩酮连接键被降解,同商业化转染试剂和不降解聚合物相比显示出较高的转染效率. Zhang 等人利用硫缩酮作为连接键,将寡聚氨基酸交联起来构造靶向双刺激响应药物载体[61]. 研究人员模拟了肿瘤环境下药物的释放曲线,仅在低 pH 和活性氧环境中药物分子被快速释放出来. 而在 pH 为 7. 4 的类血液循环非氧化环境中,胶束仍比较稳定存在. 同游离的阿霉素药物相比,这种新型载药系统能够有效改善药物代谢动力学和体内分布曲线,大幅度提高肿瘤部位聚集度,减少系统毒性,为乳腺癌的化学疗法提供了更多有效的治疗途径. Peng 课题组报道了一种新型的 Bola 两亲性树枝状分子 bola4A 用于基因沉默传递,由疏水硫缩酮中心和极性 PAMAM 尾端组成,兼具了脂质体和树枝状分子的优势[62]. 聚合物 Bola4A 与复合物 bola4a /siRNA 在富氧环境或富氧癌细胞 PC-3 中被证实能够被有效解离,释放出 siRNA 质粒并有效沉默基因,有着较好的活性氧刺激响应性. 与之相反,在抗氧化剂 NAC 处理过的 PC-3 癌细胞或低氧正常细胞 CHO 和 HEK 中维持稳定. 我们课题组 Lin 等人系统研究了基于不同芳香型硫缩酮单体桥连的聚乙酰亚胺( PEI) 活性氧响应基因载体[63]. 100 mM 双氧水孵化 24 小时后,核磁谱图可明显观察到载体中硫缩酮的特征峰( 5. 20 ppm) 消失,苯甲醛的特征峰( 8. 25 ppm) 出现. 证实硫缩酮键在氧化环境中断裂分解,生成了苯甲醛类副产物.在体外高 ROS 水平的 HeLa 癌细胞中,苯环上带有甲氧基供电基团的聚合物 4a 显示出最高的转染活性.甚至在血清存在条件下,聚合物 4a 表达了更高的转染效率,为商业化转染试剂 PEI 25K 和 Lipofectamine 2000 的 9 倍多.

  3 其他类型材料

  除了水溶性改变和结构降解材料这两大类,含有蛋 氨 酸 ( Methionine ) [64]、芳 基 草 酸 酯 ( Aryloxalate) [65-66]、乙烯二硫醚( Vinyldithioether) [67-68]、二茂铁( Ferrocene) [69-70]等基团的衍生物也可以作为活性氧响应型纳米材料用于肿瘤治疗. 例如,Kang 课题组将芳基草酸酯同药物天麻苷元相连接形成的共聚物作为诊疗一体化材料. 芳基草酸酯连接键与氧化剂 ( H2O2 ) 反应生成过氧双酮类化合物,其可进一步快速分解为二氧化碳,并促使材料降解. 体外实验表明,该聚合物在氧化条件下可完全水解为 3 种无毒化合物,具有较好的生物兼容性. 小鼠实验显示,在体内高氧化水平的病灶部位,该材料释放出药物,有较强的抗氧化性和抗炎活性. 材料负载荧光化合物后还可有效识别活性氧水平,具有生物成像功能. 此外,Zhang 等人利用 ATRP 反应合成了含二茂铁的活性氧响应型共聚物载体. 二茂铁具有独特的氧化还原特性,在氧化环境中,二茂铁可实现疏水态到亲水态的结构转变,且该反应具有可逆性,因此,常被用作药物载体材料的构造支架. 基于二茂铁的活性氧响应型载体在较低的氧化剂浓度( 1. 4% H2O2 ) 即可将包载物罗丹明 B 有效释放出来,具有较好的生物医药应用前景.

  4 结语与展望

  活性氧响应型纳米材料为癌症等重大疾病的治疗提供了一条富有潜力的新途径,其在生物医学领域有着广阔的应用前景. 结合新近的研究工作,本文讨论了不同活性氧响应连接键构筑的纳米材料在肿瘤治疗中的应用实例. 纳米材料通过对活性氧的响应发生溶解度改变或降解从而实现了对药物/基因的控制释放. 有关研究结果表明,连接键的类型、活性氧敏感度及其在载体系统中的位置对负载物的控释行为均有较大影响.

  虽然活性氧响应型纳米材料的研究已取得了一定进展,但未来的发展仍面临着诸多挑战. 目前,活性氧响应型纳米材料作为药物/基因载体还没有广泛应用于生物体内或临床试验,其生物相容性、刺激响应的精确性和灵敏性还需进一步改善. 同时,要根据特定病理环境、包载药物的理化性质、和治疗效果需求等因素来理性设计合成活性氧响应型纳米材料. 此外,将活性氧响应型纳米传输体系与诊断试剂结合,构建肿瘤诊疗一体化系统,将有利于实现肿瘤的精准治疗.

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  摘要:目的 探析青春期卵巢肿瘤的临床特点。方法 随机选择2013年3月―2014年3月期间该院收治的青春期卵巢肿瘤患者50例为研究对象,对其临床治疗资料进行回顾性分析。结果 50例青春期卵巢肿瘤患者中,45例为良性肿瘤,占90%,其中行卵巢囊肿剥除术患者40例,行患侧附件切除术者5例;5例为恶性肿瘤,占10%,均行生育功能保留手术。 结论 青春期卵巢肿瘤大部分均为良性,主要为生殖细胞肿瘤,应该进一步强化青春期女性的自我保健意识,定期到医院进行妇科B超检查,从而更好地预防肿瘤。

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