pH响应性聚合物胶束及其在抗癌药物给药系统中的研究进展

1、pH响应性聚合物胶束及其在抗癌药物给药系统中的研究进展摘要：聚合物纳米粒作为一种有效的药物运送载体已经受到广泛的关注，具有环境响应性的聚合物胶束的制备及应用是目前引人瞩目的研究方向。本文综述了pH值响应性的聚合物胶束的两种主要制备策略，并介绍了其在抗癌药物给药系统中的应用。关键词：聚合物胶束；pH响应性；抗癌药物；载体Advance in pH-responsive polymeric micelles as delivery system for anticancer drugsAbstract: Polymeric nanoparticles as a kind of effective

2、drug carrier have been widely concerned on. Particularly, more attentions have been paid to the applications of pH-responsive polymeric micelles. This paper reviews recent progress in synthetic strategy of polymeric micelles with pH-responsive structure and its applications as delivery system for an

3、ticancer dugs.Keywords: polymeric micelles; pH-responsive; anticancer drugs; carrier前言聚合物胶束是两亲性的高分子物质在水中自发形成的一种自组装结构，它具有疏水性内核与亲水性外壳的典型结构。聚合物胶束近年来已被发展为一种新型药物释放系统，正不断地获得越来越多的关注。根据自聚集形成胶束的原理不同，聚合物胶束可大致分为三类：嵌段共聚物胶束；接枝共聚物胶束；聚电解质胶束。用作药物载体的多为两亲性的嵌段共聚物胶束，其形成和载药机制如图1所示1。与其他给药系统相比，聚合物胶束给药系统具有很多优势：能够显著增加药物的溶解度

4、，提高治疗剂量，而且药物包埋其中，避免药物降解失活，减少毒副反应；纳米级的粒径（一般为20100nm）和胶束外壳的亲水作用使聚合物胶束不易被网状内皮系统（RES）吞噬，并可阻止蛋白质和细胞的吸附，因而能在血液中长时间循环并保持稳定，使其能够在目标部位（如肿瘤组织）停留较长的时间，通过增强渗透与滞留效应（EPR）达到被动靶向的作用 2, 3 ，同时纳米级的粒径也使载药胶束在靶位表现出更好的生物膜穿透能力4。通过对聚合物胶束外壳的修饰如接入抗体或者配体等可以达到主动靶向的作用5-8。也可通过选择温度响应性材料、pH响应性材料、磁响应性材料等来制备环境响应性胶束，它可因所处介质环境的变化（热、pH、

5、光等）而发生结构或形态改变从而使靶向或控释效果更佳9-13。因此作为药物载体，聚合物胶束表现出极为广阔的发展前景。图1胶束的形成和载药机制1肿瘤的生理特征及pH响应胶束作为药物输送载体的机会对pH响应性聚合物胶束的研究在生物医学和生物技术领域都非常活跃。我们知道各种实体瘤与其周围的正常组织相比有一个显著的不同点，就是它们所处的化学和代谢环境是不同的。pH被划分为细胞内pH (pHi) 和细胞外pH (pHe)，肿瘤的细胞内pH和正常组织相近，但细胞外pH值比正常组织和血液中的pH值要低。这是由于肿瘤组织比正常组织代谢更为旺盛所致14-17 。另外，有研究发现胶束可以通过被动的或受体介导的内吞作

6、用(endocytosis)被靶细胞内化，进入细胞后的胶束在内涵体中聚集，进而进入溶酶体18，而内涵体的pH值降到5.56.0，溶酶体更低至近5.0。因此基于这些pH梯度的不同，我们可以通过构筑响应肿瘤组织细胞外液和内涵体-溶酶体酸性pH值的聚合物胶束来进行有效的释药。已有越来越多的研究者把目光聚焦在这种极具发展潜力的智能抗癌药物载体上。2使胶束具备pH响应性的途径pH响应性胶束的构筑目前主要有以下两种途径：2.1向共聚物中添加可滴定基团目前向嵌段共聚物中添加的可滴定基团主要集中在胺或者羧酸基团，胶束的结构是由这些基团的质子效应来决定的。？当发生质子化作用时，由于电荷的引入，胺由疏水性的聚集状

7、态转变为亲水性的溶解状态，进而引发胶束降解为单聚体，如图2所示。例如，当pH值从酸性变为中性或碱性时，聚2-乙烯吡啶和聚氧乙烯形成的共聚物(P2VP-b-PEO)通过质子化的作用，在水溶液中发生可逆的胶束化过程19。P2VP也可以使三嵌段共聚物具有pH响应性20,21。Lee等开发出了一系列带有叔胺基团的嵌段共聚物22-25，它们胶束化过程都具有对pH值的响应性。图2 含胺基的聚合物在质子化过程中的溶解性变化相反，对于含有弱酸性羧基的共聚物而言，其在酸性pH值的介质中表现为聚集状态，这是由于羧基不带电荷而显示出疏水性导致的，如图3 所示。对于含有这类聚合物的胶束来说，当其处于中性或碱性pH值的

8、介质时，由于羧基发生电离而使胶束解体。然而，这种特性对于其作为注射类药物运送载体而言是不利的，因为血液的pH值是偏碱性的(7.4),而载药的胶束却不能在循环的过程中保持稳定。但对于口服药物，这类载体却有很大的开发潜力。Dufresne26等利用甲基丙烯酸 (MAA)在不同 pH条件下质子化程度不同,以它作为聚合物的结构单元之一,制备出了一系列具有pH响应性的载体材料。根据不同材料对pH值的响应特点，有望开发出具有较好性能的口服药物载体。图3含有羧基的聚合物的溶解性变化2.2共聚物中含有可被酸降解的化学交联键（图）使胶束具备pH响应性的另一途径就是应用可被酸降解的交联键，这些键可以直接将药物连接

9、在聚合物上，通过在酸性介质中的水解作用使聚合物结构改变从而引发药物的释放。Park等制备了聚氧乙烯-聚乳酸共聚物(PEO-b-PLLA)，并通过可被酸降解的腙键或顺式乌头酰基将阿霉素连接到PLLA的末端，如图4 所示27。Y. Bae等28也是利用腙键将阿霉素连到聚氧乙烯-聚天冬氨酸PEO-b-P(Asp)共聚物中的Asp上。图4通过腙键(a)或顺式乌头酰基(b)将阿霉素连接到PLLA的末端环苯亚甲基缩醛对酸的敏感性以及其它一些优良特性已经引起了研究者的极大兴趣。首先，其疏水性的芳香环有助于胶束的形成。其次，它可以掩蔽共聚物中亲水基团的极性，使得共聚物的溶解性在水解时发生极大的变化。而其水解程

10、度与氢离子浓度成正比。如Gillies等29通过环苯亚甲基缩醛将聚氧乙烯与聚天冬氨酸 PEO-b-P(Asp)相连，在酸性条件下交联键断裂，其包埋的药物快速释放，如图5所示。图5 PEO-b-P(Asp)在酸性条件下的交联键断裂3 pH响应性聚合物胶束作为抗癌药物载体的应用根据对pH值的响应范围，可将用作抗癌药物载体的pH响应性聚合物胶束分为两类：肿瘤胞外pH 响应性的聚合物胶束；内涵体-溶酶体pH响应性聚合物胶束。3.1肿瘤胞外pH响应性聚合物胶束化学治疗(chemotherapy)是目前癌症治疗的主要手段之一，但抗肿瘤药物往往在杀伤肿瘤细胞的同时也损伤正常细胞，不良反应较为严重，甚至不得不

11、因此中断治疗而延误治疗时机。提高癌症化疗效果的重要措施之一是提高抗癌药物对癌组织的分布靶向性以降低药物的毒副作用，而应用肿瘤胞外pH响应性聚合物胶束包埋抗癌药物，可显著提高药物对肿瘤组织的分布靶向性：在pH值为7.4的正常组织中，载药的聚合物胶束结构完整，不释放药物；而在pH值较低的肿瘤组织中，胶束形态结构发生变化，从而将所包埋的药物快速释放，如图6所示。图6聚合物胶束响应肿瘤胞外酸性pH值，释放药物Eun Seong Lee、Kun Na、You Han Bae课题组30-32一直致力于研究肿瘤靶向性聚合物胶束，并取得了可喜的成果。他们在2002年成功制备了具有肿瘤胞外pH值响应性的聚组氨酸

12、-聚乙二醇和聚乳酸-聚乙二醇(polyHis-b-PEG/PLA-PEG)嵌段共聚物混合胶束，并研究了抗癌药物阿霉素从混合胶束中的释放，当pH值从7.4下降到7.26.6时，阿霉素被快速释放。体外肿瘤细胞生长抑制结果显示，包埋阿霉素的混合胶束，由于pH值降低引发了阿霉素的释放，其杀伤肿瘤细胞的效力更高，而在生理pH值时，几乎无细胞毒性。一年后他们又深入地研究了聚组氨酸/聚乙二醇形成的胶束(polyHisbPEG)，以此探索其pH响应性释药机理：在肿瘤组织的低pH环境下，由于质子海绵效应(The Proton Sponge Effect)，组氨酸咪唑基团上的孤对电子被质子化，使胶束带正电，因此很

13、容易与带负电的肿瘤细胞膜融合，同时胶束稳定性下降，核-壳结构遭到破坏，从而释放包埋于其内的药物, 使药物有效地靶向肿瘤组织。2007年，他们又合成聚乳酸-聚乙二醇-聚组氨酸(PLA-PEG-polyHis)嵌段共聚物，然后将其在二甲亚砜中透析得到“花”型的胶束：疏水性的聚乳酸和聚组氨酸在内部成为“花心”，亲水性的聚乙二醇在外部呈现“花瓣”形。当pH值从7.4降到6.6时，其粒径从80nm溶胀到580 nm。通过MTT实验和共聚焦显微镜观察，结果显示载有阿霉素的胶束在pH值为6.0时，对人乳腺癌MCF-7细胞的抑制效果显著：细胞的存活率仅为26%，然而在pH值7.4时却几乎不释放药物。叔胺基的p

14、Kb 值约为6.5，在微酸性环境中表现缓冲能力，对pH值的变化有良好的相应性。Jinyoung Ko等33利用含有叔胺基的聚-胺基酯对甲醚聚乙二醇(MPEG)进行疏水化修饰形成嵌段共聚物，该共聚物自组装形成胶束，然后通过溶剂蒸发的方法对阿霉素进行包埋，载药量高达74.5%。在体外的药物释放研究中发现，在微弱的酸性环境下(pH6.4)阿霉素便可以从胶束中被迅速释放：6h内超过71%的阿霉素被释放。而在生理pH值时，24h内几乎保持最初突释阶段的17%；体内动物实验结果表明：包埋阿霉素的聚合物胶束比阿霉素本身抗癌效果更好。如果将该胶束开发为抗癌药物的运送载体应用于癌症患者的化疗中，就可以极大的减少

15、化疗药物的副作用。3.2内涵体-溶酶体pH响应性聚合物胶束临床上目前使用的抗癌药物其作用靶点有些是位于细胞质中，如紫杉醇的作用机理是通过与胞质中微管结合而对癌细胞起到抗增殖作用的34；甲氨蝶呤则通过抑制胞质中二氢叶酸还原酶而抑制癌细胞的生长。另外一些作用靶点则位于细胞核中的，如阿霉素和顺铂需进入细胞核造成DNA损伤或抑制拓扑异构酶来诱导癌细胞的凋亡。对于这些抗癌药物除了将其运送到癌细胞，它们在细胞内以一定的治疗浓度滞留也同样重要。无论作用靶点位于细胞质还是细胞核，提高胞质中药物浓度对于药物作用的发挥有非常重要的意义。因此能够响应内涵体-溶酶体pH值的聚合物胶束载体近年受到越来越多研究者的青睐，

16、这类载体能够快速从内涵体-溶酶体中逃逸 (endo-lysosomal escape)，进而将药物释放到细胞质中，如图7所示，因此提高了细胞质中的药物浓度。图7聚合物胶束响应内涵体-溶酶体pH值，将药物释放到细胞质中聚2-乙基-2-噁唑啉(PEOz)的pKa值接近7.0，对pH值的变化具有较好的响应性，并且其毒性很小，已经得到了研究者的极大关注。Chau-Hui Wang等35合成了聚乳酸-聚氧乙烯-聚乳酸(PLLA-PEOz-PLLA)ABA型三嵌段共聚物，并以该共聚物形成的胶束作为载体向胞内运送阿霉素。体外药物释放结果表明，载药胶束在生理pH值时稳定性良好，而在酸性介质中(pH 5.0)阿

17、霉素大量快速释放。在细胞实验中，激光扫描聚焦显微镜成像结果表明，载药胶束能够响应内涵体-溶酶体pH值，胶束发生形变，从而将阿霉素释放。另外，Licciardi等36通过原子转移自由基聚合法制备了聚2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱-b-聚甲基丙烯酸-N,N-二异丙胺基乙酯 ( PMPC-b-PDPA) ，并将PMPC链端接入具有肿瘤识别功能的叶酸分子。其中，PDPA链段具有pH响应性，可通过 pH值诱导作用，制备该聚合物的紫杉醇载药胶束。得到的胶束粒径约为 3060 nm，最大载药量约为 5%。体外药物释放研究表明，pH值为7.4时药物缓慢释放，但在 pH值低至5.0时由于胶束受到破坏，药物释放较快

18、。聚乙二醇（PEG）具有良好的水溶性，无毒或低毒性，非免疫原性的优点。以 PEG为亲水段的聚合物所形成的胶束，由于PEG与水之间存在较强的氢键相互作用，在核周围可以形成紧密的外壳，有效地保护疏水内核。最近，Shangjie Xu37等合成了一种以树状聚合物为核，以PEG为壳的核-壳结构纳米载体，核与壳间以亚胺键相连，该键具有较好的pH 响应性。在体外细胞毒性和体内动物实验中，包埋阿霉素的聚合物纳米载体与单纯阿霉素相比其抗癌效果更佳。但是，该纳米给药体系还有待进一步研究，以提高药物释放量。4 结语和展望pH响应性的聚合物胶束在抗癌药物载体方面的应用具有很大的潜力，虽然从理论上来说实现这方面的应用

19、时可行的，但目前大多仅仅处于实验室阶段，距临床实际应用还有很长一段路要走，主要原因是药物载体的性能尚不能完全满足要求，包括用于药物载体的pH响应性聚合物胶束在生物相容性和生物可降解性方面的要求，用于制备胶束的聚合物有待进一步开发。但我们有足够的理由相信，经过人们不懈的努力，在不远的将来，我们一定能够研制出最为理想的pH响应性聚合物胶束抗癌药物载体，并广泛应用于临床，给癌症患者带来前所未有的福音。参考文献1 李平祝, 杨卓理, 杨可伟, 等. 多功能聚合物胶束的最新研究进展 J . 中国新药杂志, 2008, 17 (3) 199-2022 MAEDA H, WU J, SAWA T, et a

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