给药系统为了研究环境响应性抗肿瘤药物给药系统，首先必须了解设计产生环境敏感型抗肿瘤药物载体系统的肿瘤生理学机制[9]．恶性肿瘤相比较于正常组织，除了细胞失控性生长外，主要特点有：a．新陈代谢旺盛导致酸液过多，促成肿瘤部位偏酸性；b．由细胞缺氧和缺乏营养物质而导致低氧环境；c．细胞表面某些蛋白特异性高表达；d．胞吞率高；e．某些抗原特异性表达；f．血管再生等．显然，理想的抗肿瘤药物给药系统可根据肿瘤细胞/组织微环境的变化，被赋予修饰或改性，使其能随外界环境刺激而产生响应，发生结构或性能的改变，从而使所载药物顺利通过体内的各种屏障而在特定组织或细胞释放，实现高效给药，提高药物在病变组织的浓度，降低药物对正常组织的毒副作用．这些外界刺激主要是物理和化学信号．物理信号一般包括：热、电场、磁场、超声波；化学信号一般包括pH、还原电势、酶、离子强度[10]．
1pH敏感型给药系统
在环境响应型药物载体中，pH敏感型的载药系统研究最为广泛，这是由于体内的器官、组织、亚细胞环境有不同的pH值域[11]．人体正常组织的pH值一般为7.4，但是当机体发生异常时，例如发烧、感染或癌变，组织往往呈现出更低的pH值[12]．由于肿瘤的生长和转移十分迅速，肿瘤中的血管往往无法提供足够的养料和氧气来供应肿瘤细胞的繁殖，肿瘤内部的缺氧状态使肿瘤细胞无氧糖酵解产生乳酸，而肿瘤内部血管系统的缺乏使得产生的乳酸不能充分排出，导致肿瘤内呈酸性．需要指出的是，肿瘤部位为微酸性环境，pH值大约在6.75，肿瘤内部存在pH值更低的酸性环境．肿瘤细胞中早期内涵体的pH值在6.0左右，甚至低于5.4[13]，晚期内涵体的pH值一般在5.0左右．溶酶体的pH值更低，为4.0～5.0[14-16]．药物进入体内就会面临这种复杂的pH环境，例如口服制剂需要经历胃的强酸性到肠道的中性和弱碱性；而抗肿瘤药物需要面对的环境是肿瘤细胞内外的pH梯度差，它也是多耐药性的原因之一．绝大多数的抗肿瘤药物(如阿霉素、柔红霉素和长春新碱)为弱碱性电解质，使得它们在pH值较低的环境中较易离子化，因此不易通过细胞膜的脂质层，从而降低了其对肿瘤细胞的毒性．因此，通过肿瘤部位和正常组织pH的差异来设计的抗肿瘤药物的给药系统，可实现药物在肿瘤组织/细胞的高富集和最大限度地提高抗癌药物的利用度．pH敏感的纳米药物载体分为两类，一类是在纳米粒子中含有质子供体基团，例如L-组氨酸[17]、吡啶[18]、三级氨基[19]等．质子供体基团具有其一定的pKa值，在大于pKa的pH条件下聚合物自组装成为纳米粒子，带有质子供体基团的链段不带电．当pH低于pKa时，带有质子供体基团的链段质子化，使链段带正电，聚合物的构型发生了变化，将负载的药物释放出来．而在整个过程中，聚合物的结构是没有变化的．例如，Na和Bae[20]将磺酰胺接到普鲁蓝衍生物上制备了pH敏感聚合物，在水溶液中自组装形成pH敏感纳米粒子，将阿霉素载入，形成载药纳米粒子．当环境pH小于6.8时，载药纳米粒子将阿霉素迅速释放．ZhongweiGu课题组制备了聚乙二醇-聚组氨酸-聚丙交酯的线性聚合物[21]．如图1所示，这一经多个咪唑基团修饰该图显示了pH敏感的三嵌段共聚物纳米粒子的药物释放过程．纳米粒子可分为三层，内层是疏水的聚丙交酯，中间是pH敏感的聚组氨酸，外层是亲水的聚乙二醇．在外界环境的pH发生变化时，中间pH敏感的聚组氨酸发生溶胀或收缩，实现阿霉素在纳米粒子中的可控释放．的聚合物，在pH7.4条件下，可物理包裹抗肿瘤药物阿霉素，形成稳定的、粒径可控的纳米粒子给药系统．可喜的是，在pH7.4条件下，抗肿瘤药物可快速释放出来，并表现出高效的体外抗肿瘤效果．另一类pH敏感纳米给药系统是含有pH敏感键的系统，即含有对酸易水解的化学键，在溶液的pH发生变化时敏感化学键被打断，致使药物载体的性能发生变化[22]．在这个过程中，聚合物与药物偶联的连接体(linker)结构被破坏，从而具有对pH敏感响应的性能[23]．目前广泛应用于pH敏感型药物载体的化学键有腙键[24]、亚胺[25]、原酸酯[26]、乙烯醚[27]等，其中以腙键作为pH敏感键报道的最多．腙键是一种易在酸性条件下水解的敏感键，通过含有腙键的酸敏感药物载体，抗肿瘤药物可经细胞内吞进入细胞，克服多耐药性，能够通过内涵体/溶酶体，提高药物进入细胞的效率．Prabaharan等[28]将阿霉素(DOX)以腙键连接到两亲性超支化聚合物的疏水端，使聚合物胶束具有pH控制释放效果，此外，他们还加上了叶酸受体到胶束表面，增加系统的靶向性．抗肿瘤药物阿霉素等通过腙键偶联到聚合物上，获得pH敏感的纳米给药系统．体外释放实验表明，药物阿霉素在不同的pH条件下，体外的释放情况不同，表现出明显的pH敏感释放特性，在pH7.4的条件下很稳定，随着pH的降低从共聚物断裂下来的阿霉素分子的累积释放量依次增加，并且pH越低释放的速率越快，释放的也越完全．Zhang课题组[24]也将前药与聚合物以腙键共价连接，形成胶束．体外结果也显示，在生理中性pH值环境中相当稳定，但到达癌变细胞内部的内涵体和溶酶体时，由于pH值的降低，连接药物与聚合物的腙键迅速断裂，从而导致药物的大量释放．ZhongweiGu课题组也同时设计制备了基于肽类树状大分子的纳米粒子给药系统[29-30]，将抗癌药DOX通过pH敏感性的腙键连接到树枝状分子上，形成兼具有被动靶向和pH敏感释放的载药纳米粒子，体外释放结果发现，这类纳米给药体系，在pH5.0的条件下，药物释放速率更快，54h后累积释放量达到80%，在pH7.4的条件下释放速率明显低于pH5.0，54h后累积释放量只有20%左右．
而对于树状大分子修饰的肝素纳米给药体系，在pH5.0的条件下，药物释放速率更快，54h后累积释放量达到90%，在pH7.4的条件下释放速率明显低于pH5.0，54h后累积释放量只有20%左右．结果表明这些纳米给药系统均具有良好的pH敏感释放特性．我们同时还考察了这些纳米粒子给药系统在体外的毒性以及体内的抗肿瘤效果，对组织切片进行病理学分析．结果显示，两种载药系统均能在肿瘤部位保持一个较高的药物浓度，抗癌药物在细胞内缓慢地释放出来，延长了治疗时间，从而证实给药系统都具有良好的生物相容性，并能减小DOX的毒副作用，增加肿瘤的治疗效果．同时利用腙键实现pH敏感的还有Pu等[31]以多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)为核，合成聚L-谷氨酸树状大分子，将阿霉素以腙键连接在树状大分子上，形成pH敏感释放的载药纳米粒子．体内效果也表明其相对于自由阿霉素，大大提高了抗肿瘤效果．类似的还有Yuan等[32]将阿霉素以腙键连接在OAS为核的聚L-谷氨酸树状大分子上，体外效果也显示了这个体系的pH敏感性和良好的细胞毒性．这类肽类树状大分子由于具有良好的生物安全性[33-34]，具有客观的研究价值和应用前景．以腙键等pH敏感键设计药物载体的报道很多，发展也非常迅速．对pH的响应更快、更主动，药物传输效率更高的肿瘤药物释放体系仍在进一步研究中．在较窄的pH范围内快速作出响应，产生化学、物理性质的变化，仍是此领域研究的难题[35-36]．因此近年来，具有pH敏感导致电荷反转的聚合物纳米粒子载药体系成为了研究热点．Kataoka课题组[37]设计了一种电荷反转胶束，来特定释放于早期的内涵体．他们利用柠酰胺在中性条件下稳定、在pH5.0左右快速降解的特点，合成了将甲基顺丁烯二酸基团连接到聚乙二醇和聚天冬氨酸上的嵌段共聚物，形成胶束．胶束在生理中性条件呈负电，但到达肿瘤细胞时，由于内涵体的pH下降，甲基顺丁烯二酸基团被剪切，从而出现自由的带正电荷的胺，释放出药物．随着对pH敏感型聚合物纳米粒子药物载体的深入研究，研究者也设计出一些pH双敏感型药物载体来提高药物传输的效率．只对细胞外pH(pHe)敏感的给药系统往往在细胞外就释放出药物，因此不足以杀死某些耐药性的细胞，而只对细胞内pH(pHi)响应的给药系统，不能够提高药物的内吞．因此，JunWang课题组[38]设计出利用酰胺基和腙键的对细胞外和细胞内pH环境双敏感的聚合物纳米载体．从体外的细胞吞噬和细胞毒性结果来看，该种聚合物载体系统对肿瘤的治疗显示出了巨大的潜力．
2温度敏感纳米给药系统
人体内错综复杂的机制时刻力争保持体内动态平衡，一旦平衡被打破，不同的机体调节也是异常组织区别于正常组织的主要标志．研究发现，在肿瘤或炎症组织区域经常伴随有高热[39]．这是由于体内正常组织在一般情况下，血流量大、流速快、在体温升高时血管扩张，散热较快，减少了对组织的损伤，促成自我修复．而肿瘤内细胞增殖迅速、密度很高、积压的新生血管形态异常，造成血液淤滞，易形成血栓或栓塞，使得散热困难．肿瘤组织在受热后失去自我调节作用，血流量明显降低，致使肿瘤细胞代谢产生的热量和其他代谢产物不能迅速排出．同样将外加温度升高至40℃，瘤体内的温度可形成与正常组织5℃～10℃的温差，造成肿瘤细胞凋亡，而正常组织却不受损害．这就催生了热疗，作为一种新的肿瘤治疗方法，正引起医学界的重视．更值得注意的是，温度敏感型药物传递系统若与热疗结合起来能起到协同作用，能增强对肿瘤的细胞毒性[40-41]．加之对肿瘤部位进行局部加热的技术已经非常成熟，如磁感应、超声波、热水浴、红外、微波等，以及在肿瘤部位加热，肿瘤血流量增大和微血管渗透性的增加能在肿瘤部位产生药物的增溶作用[42-43]，温度敏感纳米药物载体近年来得到了迅猛的发展．温度敏感型聚合物纳米给药系统在溶液中存在随温度变化的相转变点，此温度称作临界溶解温度，它一般分为低临界溶解温度(LCST)和高临界溶解温度(UCST)．温度敏感型聚合物主要是指聚合物链上或其侧链存在含有LCST或UCST的链段，并具有一定比例的亲疏水基团，温度的变化会影响这些基团的亲疏水作用以及分子间的氢键作用，通过结构的变化引发相变．最典型的温度敏感型聚合物是侧链同时含有疏水基团(异丙基)和亲水基团(酰胺键)的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAM)[44-45]，它在水中的相转变温度大约在32℃．室温下(25℃～32℃)，由于酰胺键的氢键作用，它在水中可以溶解，当升高温度至32℃～35℃，疏水基团之间的作用得到加强，而氢键遭到破坏[46-47]，抗肿瘤药物被释放出来．
RenxiZhuo课题组[48]将PNIPAAm与三段疏水聚(3-己内酯)连接起来自组装形成星状聚合物胶束，观察其在温度逐渐增大过程中的变化．此胶束的温度敏感机制为当胶束未到达病理部位时，胶束因其高度水化的壳层而稳定存在；当胶束到达病理部位，周围环境温度升高，使胶束的亲水壳层变得疏水(图2)．疏水的胶束表面更易被肿瘤细胞内吞，增加了药物在肿瘤细胞内的积累．初始阶段聚合物胶束随着温度的增加，形态并没有特别大的改变，但是温度超过LCST(36℃～37℃)，粒径急剧增大，显然胶束最终由于接近相转变温度产生的疏水作用力开始团聚，此时胶束外壳(PNIPAAm部分)变得更疏水，胶束的壳-核结构变形．在体外模拟释放中发现，在LCST以下，载药胶束结构稳定，一旦温度升至42℃(LCST以上)，药物立即加速释放．释放表现出奇妙的快/慢变换，这主要归功于温敏性外壳在不同温度下对整个胶束结构的影响．但是PNIPAAm水溶液的LCST低于人体的正常体温，从而限制了其在人体的应用．通过与其他单体共聚的方法可以改变LCST，例如增加疏水基团可降低其LCST；增加亲水基团能提高其LCST。
作者：杨扬 佘汶川 罗奎 顾忠伟 单位：四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心
