imagic-应对方式
肿瘤微环境响应型纳米药物载体
1
肿瘤微环境概述
如
< br>图
7
所
示
实
体
肿
瘤
中
包
含
多
种
间
质
细
胞
包
括
肿
瘤
相
关
成
纤
< br>维
细
胞
（
Cancer-associated
fibroblasts,
CAFs
）
、
肿瘤内皮细胞、
肿瘤细胞、
免疫细胞
（
T
细胞，
巨噬细胞，树突细胞和
B
细胞）
、髓源抑制性细胞、细胞基质细胞和一些其他细胞
等相互作
用形成等。
具有血液供应不充足、营养成分缺乏、
细胞间质高压等特点。各种细胞类型都有
其特殊的功能。
这些细胞生长于包括胶原蛋白和蛋白聚糖在内的细胞外间质中。
这些间质成
分为肿瘤细胞的生长提供了很好的水合基质环境。
CAFs
是肿瘤基质的主要成分，发挥着分泌基质蛋白、生长因子、细胞因
子和激素的作
用。与正常组织中的成纤维细胞相比，
CAFs<
/p>
细胞是更大的纺锤形间质细胞，能够促进肿瘤
的发生、进展和转移
。
CAFs
细胞与肿瘤细胞相互促进异型性进展。肿瘤细胞能够
分泌一些
生长因子影响
CAFs
，包括
转化生长因子（
transforming growth
factor-
β
1, TGF-
β<
/p>
）和
血小板来源生长因子（
platel
et
derived growth factor,
PDGF
）
。另一方面，
CAFs <
/p>
能够分
泌纤维细胞生长因子（
fibro
blast growth factor,
FGF
）
，基质细胞衍生因子
1
（
stromal
cell-
derived factor 1, SDF1
）
，基质蛋白
酶（
matrix metalloproteinases,MMPs
）和胰岛
素样生长因子（
IGF1
）
，从而进一步的促进肿瘤生长、血管生成和肿瘤转移
<
/p>
。
除此之外免疫
细胞是另一群人类肿瘤中
非常重要的细胞群，
能够分泌炎性因子调控肿瘤微环境。
肿瘤浸
润
的淋巴细胞包括
T
细胞、
B
细胞和
NK
细胞发挥免
疫应答的作用。
图
7
肿瘤细胞以及肿瘤微环境中的主要细胞和细胞间质成分示意图。
Paget
提出
“种子与土壤”
的假说：
将肿瘤细胞比喻为“种子”
，
肿瘤微环境比喻为
“土
壤”
< br>，种子的生长必须从周围的土壤获取营养成分，形象地揭示了肿瘤细胞生长对肿瘤微环
境的依耐性。
深入了解肿瘤微环境特点和肿瘤微环境与肿瘤细胞的相互作用关系，<
/p>
可以为抗
肿瘤药物的研发提供一定的理论基础。
< br>
在癌症的治疗过程中，
以肿瘤微环境为靶点来设计抗癌
新疗法是迫切需要的。
研究者基
于肿瘤微环境与正常组织之间的
显著差异包括血管密度低、乏氧、
弱酸性、还原性、
酶过表
达等特点来制定不同的研究策略。
其中肿瘤局部血管的形成与肿瘤微
环境也息息相关，
血管
可提供肿瘤有氧呼吸所需的氧气，
对肿瘤的恶性增值具有重要作用。
肿瘤组织新陈代谢所必
需的氧气和营养都有肿瘤血管提供，
促进肿瘤细胞迅速的生长并同时向远端转
移。
随着研究
者们对肿癌治疗的深入研究，
发现单纯靠杀死肿瘤细胞是不能够完全治愈癌症的，
特别是在
治疗过程中反复多次的给药引起的肿瘤耐药性，
而肿瘤的转移和复发是导致愈后效果差
和最
终引起患者死亡的重要因素，
研究发现肿瘤的多药耐药和转
移与肿瘤微环境中基质细胞的损
伤有关。
肿瘤微环境和肿瘤细胞内信号可以激活纳米载药体系，
将输送的基因和药物释放到肿
瘤
部位。
癌症相关的刺激响应纳米系统已经越来越多地考虑用于
递送抗癌药物，
其主要靶向肿
瘤微环境和
/
或细胞内信号以增强肿瘤内积聚并促进靶位点的药物释放。促进药物输送和释
放的信号主要包括肿瘤和内吞酸性（
pH
）<
/p>
，缺氧（
Hypoxia
）
，酶（
Enzyme
）过表达和高水平
的细胞内谷胱甘肽（
GSH
）
，活性氧（
ROS
）和三磷酸腺苷（
ATP
）
。因此，研发响应肿瘤微环
境
和肿瘤细胞内信号的纳米药物递送系统（
DDS
）是迫切需要的
。如下示意图形象说明了肿
瘤微环境和细胞内信号在肿瘤靶向和静脉给药后控制药物释放
的作用过程。
图
1
肿瘤微环境和细胞内信号在肿瘤
靶向和静脉给药后药物释放的作用示意图。纳米载体
在响应肿瘤细胞外信号，包括低
pH
，过度表达的癌症相关酶和缺氧之后可以被激活，增强
肿瘤中的积聚和细胞摄取。抗癌药物可响应细胞内信号而选择性释放，包括低
pH
值，氧化
还原电位，酶，
RO
S
，缺氧和
ATP
2
肿瘤微环境响应型纳米载药系统
研究
发现肿瘤微环境是一个缺氧、
弱酸性并有多种不同免疫细胞组成的复杂微环境，
对
肿瘤的发生、
恶性增殖及转移有极其重要的调
控作用。
因此，
设计针对不同细胞和靶点的新
< br>型药物载体来抑制肿瘤已经是一种新的策略。常用的肿瘤微环境刺激因子有活性氧
（
reactive oxygen species
，
ROS
）
、还原性物质、
pH
、酶、乏氧、三磷酸腺苷（
ATP
）等。
肿瘤细胞内微环境也有着特异性，例如线粒体内高水平的氧化性
H
2
O
2
< br>
，
细胞质和内涵体
/
溶
内存酶体内高浓度的谷胱甘肽
（
GSH
）
，
溶酶体和内涵体内的
pH
偏酸性
（
pH
4.5-6.5
）
等。
利用肿瘤微环境的特点来达到靶向治疗的广谱、
< br>低毒、
耐药性小的目的，
有效地切断肿瘤微
环境与肿瘤细胞之间的相互作用，
有效地抑制肿瘤细胞的生长。
因此，
可针对肿瘤微环境特
殊的生理特性设计能够有
效的响应这些刺激，靶向输送和释放基因
/
药物的纳米载药体系
。
在生物材料研究领域，
许多科研工
作者致力于研究生物响应性的纳米材料。
这些材料的
最大优势是
能够有效地识别肿瘤局部生理条件的异常。
肿瘤细胞微环境响应的纳米载药体系
携带基因和药物之后需要满足在生理条件下稳定但是在肿瘤微环境靶向传递并且迅速释放，
以提高肿瘤部位的药物富集量，
减少药物在血液循环过程中损失，
提高生物利用度，
减少毒
副作用，实现药物
的有效释放。根据刺激因素的不同，可将刺激响应性纳米载体分为
ROS
响应，氧化还原响应，
pH
响应（酸）
，体内生物酶响应，乏氧响应、
ATP
响应，热响应以
及
其他响应。
刺激响应型药物传递系
统作为一种智能型载体系统，
可对不同类型的刺激作出反应，
从
而将荷载的药物在特定的时间和空间进行控制性释放（如图
1-
2
所示）
。刺激响应型药物传
递系统为
实现高效的、
精准的、
多通路的肿瘤联合治疗创造了条件。
根据引发响应的刺激信
号来源不同，可分为内源刺激（
Intrinsic stimuli
）响应型药物传递系统和外源刺激
（
Extrinsic
stimuli<
/p>
）
响应型药物传递系统。
内源性刺激信号
来源于肿瘤病理环境的变化，
主要有低
pH
值、高还原电势、酶浓度、体温过热等；外源性刺激信号主要有特定波长的激
光、磁
场、电场和超声波等。
图
1-2
刺激响应型药物传递系统药物控释
2.1
内源刺激响应型药物传递系统
内源刺激响应型药物传递系统在正常组织和血液中能保持载体与药物结构稳定，
减轻药
物对正常组织的损害。肿瘤微环境和正常组织之间
pH
值、谷胱甘肽（
Glutathione, GS
H
）
浓度、
基质酶、
< br>温度等均存在差异，
这些差异使得刺激响应型药物传递载体容易在肿瘤组织
富集并特异性释放荷载药物，增强癌症治疗效果。
2.1.1 pH
响应型纳米药物载体
由于在癌症组织中的
pH
与正常组织相
比具有较大的差异，
因此
pH
响应性纳
米载体得到
了广泛的研究。肿瘤细胞与正常细胞之间
pH
值存在差异的主要原因是肿瘤细胞无限增殖，
而肿瘤微弱的脉管系统不
能提供足够的氧气和营养物质来满足肿瘤细胞的有氧呼吸，
因此肿
瘤组织经常在缺氧或无氧条件下进行无氧呼吸，
无氧呼吸过程中会产生大量的乳酸，<
/p>
致使肿
瘤组织转变为弱酸性。
正常组织的
接近中性
pH
（
7.4
）
，
而大多数肿瘤细胞内的
p
H
（≤
6.5
）
，
利用肿瘤细胞内微弱的酸性来控制药物和基因输送与释放是响应性纳米载体的研究范
围之
一。含有乙缩醛、腙、肟、酰肼、氨基甲酸酯及酯类等化学结构的位置对
pH
敏感，可设计
含有这些结构的载体材料。
目前设计肿瘤微环境酸响应型的载体主要有以下两种方法：
一种
是利用一些不稳定化学键来制备载体，
其在生理条件下稳定，
但是在肿瘤的微酸环境下，
化
学键可发生断裂
，
使药物得到释放，
提高药物摄取率。
另一种是利用含有质子的基团的物质
来合成载体。在不同酸性条件下这些化学功能键发生
水解，使纳米载体在
pH
相对较低的肿
瘤微环境下发生断裂，从而有效靶向释放被载物，达到输送药物与靶向治疗效果。
表
1-1
用于联合治疗的
pH
响应型药物传递系统
纳米载体
两亲性线性
-
树枝状高
甲氧基聚乙二醇
-
b-
聚酰胺
-
胺嵌段聚合物
分子
空心介孔二氧化硅
叶酸
-
聚乙烯亚胺包裹的
HMSNPs
（
HMSNP
）
阳离子胶束纳米颗粒
双重
pH
响应的
PDMA-b-
PDPA
嵌段聚合物
紫杉醇（
PTX
）
DOX
聚合物胶束
SMA-
乙二酰肼通过腙键与
DOX
连接
双硫仑（
DSF
）
顺铂
前药纳米粒子
羧基修饰的聚乳酸顺铂前药修饰的
-D-TPGS
多烯紫杉醇
PEI-PEG
共
聚
物
，
磺
胺
甲
基
< br>嘧
啶
聚离子复合物胶束
(SA)-PEG-NGR
DNA
PEI
：
聚乙烯亚胺；
PEG
：
聚乙二醇；
PDMA-b-PDPA
：
聚
（
2
-
（二甲胺基）
甲基丙烯酸乙酯
< br>)-b-
聚二异丙基乙醇胺；
SMA
：
聚苯乙烯
-
顺丁二酸苷；
TPGS
：
d-
α<
/p>
-
生育酚聚乙二醇
1000
琥珀酸
酯。
利用肿瘤组织
的微弱酸性这个特点，
可将药物稳定运送到特定部位，
可以将在
血液循环
过程中处于
“沉默”
状态的药
物富集到肿瘤部位，
在肿瘤微酸环境弱酸性条件下化学键断裂
或
使电荷解离，暴露出“激活”状态的药物，增强肿瘤细胞对药物的摄取，从而提高抗肿瘤
效果并且降低毒性。
Wang
课题组
设计了一种具有肿瘤微环境
pH
敏感性的去
PEG
化能力的三元复合物递送
siRNA
。阳离子复合物
ssPEI800/siRNA
通过静
电吸附表面包被了一层具有肿瘤
pH
敏感性聚
< br>乙二醇化阴离子聚合物（
PPC-DA
）
。在肿瘤细胞外温和的酸性条件下，中性条件下稳定存在
的酰胺键快速水解暴露
聚乙醇化的阳离子氨基
PCC
，
因此<
/p>
PCC
在静电排斥的作用下与带有高
正电
荷的阳离子复合物
ssPEI800/siRNA
解离，
这就促进了
siRNA
的内吞并且增强了抗
肿瘤
活性，
（如图
2.3a
）
。
电荷翻转也是肿瘤
靶向输送的有效方法，
在响应环境中酸度的变化后其表面电荷从增强
循环的阴性逆转为阳性以增加细胞摄取或细胞内药物输送。
对于对细胞外或细胞内肿
瘤响应
的药物递送系统，
在中性条件下表面是负电荷，
在肿瘤或者溶酶体酸性条件下转变为正电荷。
DOX
siRNA
Bcl-2
siRNA
，
羟基喜树碱（
HCPT
）
DOX
载体材料
DOX
传递药物
Mo
等人研发了一种线粒体靶向的脂质体
(HHG2C18-L)
能够循序地响应肿瘤微环境和细胞内
不同部分的
pH
，
表面的脂质层是一种合成的多功能的脂质体，
包
含
1,5-
双十八烷基
-L-
谷氨
酰
2-
组氨酰六氢
苯甲酸
（
HHG2C18
）
。
生理
pH
条件下
HHG2C18-L
表面的负电荷能够在肿瘤
pH
条件下转换成正电荷，
促进细胞内吞。
在胞吞入内涵体后，
组氨酸组对内涵体逃逸发挥质子
缓冲作
用，
而羧酸基团因降解而脱落六氢苯甲酰胺。
逃逸进入细胞质后
，
随着羧酸基团的去
除，脂质体具有更高的正电荷，优先积累在
脂质体上静电吸附驱动的线粒体。
HHG2C18-L
表
现出相当高的抗癌性功效，
加入合成的聚乙二醇化脂质确保脂质体在血
液中的持久性增加对
肿瘤生长的抑制作用，
（如图
2.3b
）
。
图
2.3 pH
响应型的肿瘤靶向。
（
a
）具有肿
瘤
pH
敏感性的去
PEG
化能力的三元复合物递送
siRNA
。
（
b
）
< br>对肿瘤细胞外和细胞内酸度有响应的两性离子寡肽脂质体靶向线粒体输送药物。
2.1.2
酶响应型纳米药物载体
酶在大多数代谢过程中作为大分子生物催化剂发挥重要作用。
包
括癌症在内的许多疾病
的病理学与酶的功能障碍或其表达的失调有关。
< br>已有多种酶响应性纳米载药体系用于抗癌药
物输送，
其通
过掺入可被肿瘤细胞外或细胞内环境过表达的酶识别和降解的特异性部分。
与
癌相关的酶包括基质金属蛋白酶
（
MMP
）
，
透明质酸酶
（
HAase
）
和组织蛋白酶
（
Bcathepsin
B
）
。
表
1-3
用于联合治疗的酶响应型药物传递系统
纳米载体
杂化纳米粒子
聚合物胶束
树枝状大分子
载体材料
PEI-PEG
通过可被
MMP-2
酶降解的多肽片
段连接到氧化石墨烯上
树突装硫醇盐超支化聚甘油
MMP-2
酶敏感的
PEG-pp-
PEI-PE
共聚物
传递药物
DOX
DNA
DOX
前药
甲氨蝶呤前药
PTX
siRNA
肿瘤组织中的酶浓度和活性均显著高于正常组织，
这些酶对肿瘤的生长、
增殖及转移都
有
重要影响。
酶具有高度的选择性，
用特异性酶作为肿瘤治疗的靶
点，
是纳米载体研究的一
个新的方向。金属蛋白酶（
MMP
）是一类在细胞基质中分解细胞组分的蛋白酶，其在肿瘤细
胞中过度表达，对癌细胞的转移有重要影响。特别是
MMP-2
和
MMP-9
，在大部分肿瘤组织如
胃癌、结肠癌、直肠癌、前列腺癌、肺癌、乳腺癌和卵巢癌中都过度表达。
图
2.4-1
金属蛋白酶
2
响应的多功能脂质体纳米载体输送药物示意图
除此之外，还有一些其他的酶（如糖苷酶、酯酶、组织蛋白酶
）等也被设计应用于构建
酶敏感的纳米载体。如在
PEG
链上接入对酶敏感的多肽，在酶解作用下脱去
PEG
外壳，暴
露内部药物核心。
Torchilin
等人设计以一种多功能的脂质体包含
TAT-PEG2000
和抗体连接
的
PEG3400-PE
，
PEG3400
和
P
E
之间通过金属蛋白酶裂解的短肽连接，
（如图
2.4-1
）
。在肿
瘤的化疗
和基因联合治疗方面，
Jiang
等人研制了一种肿瘤微环境<
/p>
pH
和
MMP
双
响应的功能
化的纳米粒子
dtACPP
，
（如图
2.4-2
）
。在纳米载体
dtACPP
中，细胞膜穿透肽（
CPP
）的细
胞穿透活性受到
pH
敏感的掩蔽肽的限制，该掩蔽肽通过
MMP
可水解并与
CPP
共价结合。掩
蔽肽在中性
pH
下显示负电荷通过静电相互作用有
效地屏蔽
CPP
，
在肿瘤低
pH
值下被中和以
消除屏蔽效应。在
MMP
作用下，
dtACPP
被激活为
CPP
增加细胞内基因和药物的积累。
图
2.4-2
酶响应的药物释放和肿瘤靶向。通过
pH
和<
/p>
MMP
双活化的功能化的
CPP
（
dtACPP
）
肿
瘤微环境响应纳米颗粒用于联合化疗和基因治疗
2.1.3
氧化还原响应型纳米药物载体
肿瘤组
织代谢异常，
导致肿瘤组织中存在较强的还原环境。
肿瘤细胞内
除了有还原性物
质谷胱甘肽（
GSH
）
，还有少量的二价铁离子（
Fe
）
、半胱氨酸（
Cys
）
、硫氧还原蛋白还原酶
和溶酶体硫醇还原酶等还原性物质。
GSH
是一种谷氨酰基半胱氨酰甘氨酸三肽，能帮助保持
机体正
常的免疫系统功能，
并具有抗氧化作用和整合解毒作用，
半胱氨
酸上的巯基为其活性
基团，
是哺乳动物细胞中含量最丰富的硫醇
类化合物
。
肿瘤细胞内的
GSH
浓度
（
2-10
mmol/L
）
是细胞外浓度（
2-20
μ
mol/L
）
1000
倍以上，肿瘤细胞与正常细胞之间的浓度差异较大
，尤
其是在一些耐药肿瘤细胞中，浓度差可高达
10
倍。因此，这种肿瘤细胞内外还原性谷胱甘
肽量的差异，
< br>设计还原响应型纳米药物载体实现肿瘤细胞内还原响应性释药提供了一种新的
可能
性。
表
1-2
用于联合治疗的氧化还原响应型药物传递系统
纳米载体
杂化胶束
聚合物胶束
聚合物胶束
MSNs
载体材料
可生物降解的聚合物甲氧基
聚乙二醇
-b-
聚
< br>乙烯丙交酯
-co-2-
甲基
-
2-
羧丙烯碳酸酯
可生物降解的聚氨
基酯（
PAEs
）
< br>聚二羟乙基
-SS-
二丙烯酸四乙酯（
< br>PAP
）
精氨酸修饰的聚胱氨
二丙烯酰胺
-
己二胺（
ABP
）
MSNs
表面包被含有二硫键聚合物
传递药物
亲水性铂
道诺霉素
iMdr-1-shRNA
iSurvivin-shRNA
DNA
< br>紫杉醇（
PTX
）
ssDNA
2+
复合胶束
超分子自组装络合物星型阳离子聚合物（环
< br>糊精
-
低聚乙烯亚胺
-SS-<
/p>
叶酸）
DOX
PTX
质粒
DNA
近年来，
还原响应型纳米载体在药物输送领域引起了广泛关注。
还原响应型纳米载体结
构中常用的还原敏感化学键包括：二硒键，琥珀酰亚胺<
/p>
-
硫醚键和二硫键等，其中二硫键的
研究
最为广泛，二硫键通常作为交联剂构建纳米载体。最近，
Tang
课题组等研发了一种肿
瘤靶向和氧化还原响应的蛋白纳米胶囊在细胞内递送重组的
p53
蛋白，
在细胞内高水平
GSH
条件下二硫键断裂有效释放
p53
蛋白，
诱导
p53
介导
的凋亡，
（如图
2.2a
）
。
Pei
课题组等设
计了
一种由二茂铁基封端的柱芳烃组成的氧化还原响应性型阳离子囊泡用于共同输送
DO
和
siRNA
。纳米囊泡中的二茂铁阳离子
是响应
GSH
的结构元素，在细胞内
G
SH
条件下还原成二
茂铁，
导致纳米载
体由两性分子向疏水性转化，
随后载体解体释放
DOX
和
siRNA
，
（
如图
2.2b
）
。
图
2.2
（
a
）氧化还原刺激的药物释放。
（
a
）肿瘤靶向和氧化还原响应的蛋白纳米
胶囊在细
胞内递送重组的
p53
蛋白。
（
b
）
由二茂
铁基封端的柱芳烃组成氧化还原响应性的阳离子囊泡
用于共同输送
DOX
和
siRNA
。
2.1.4
ROS
响应型纳米药物载体
活性氧
( reactive oxygen species
，
ROS)
是生物有氧代谢过程中的一
种副产品，包括
氧离子、
过氧化物和含氧自由基等，
主要是在细胞内线粒体呼吸链中产生，
在多种生理和病
理过程中起着非常重要的作用。
科学研究证明，
在正常生理
条件下生物体内的
ROS
保持着很
低的
平衡水平，但是在多种疾病（包括心血管疾病、糖尿病、肿瘤和炎症）发生时，局部组
织
的线粒体中
ROS
水平远远高于正常细胞。
利用靶细胞内外
ROS
的含量差异，
采用
ROS
敏感
材料构建的
ROS
响应型智能纳米药物载体，
用于控制药物
分子的胞内释放。
已有大量的研究
imagic-应对方式
imagic-应对方式
imagic-应对方式
imagic-应对方式
imagic-应对方式
imagic-应对方式
imagic-应对方式
imagic-应对方式
-
上一篇：英语写作高级词汇替换大全
下一篇：病理生理学 名词解释 及大题