树状大分子作为药物运载体系的研究进展---副本---副本

树状大分子作为药用载体的研究进展摘要树状大分子是一种三维球状结构的纳米聚合物。其突出的特点为：分散指数窄、单分子在纳米尺度、分子结构完美和端基功能基团多。树状大分子已在众多领域得到应用，其中用作药物载体的研究最为广泛。树状大分子的众多端基可以连接不同的药物和靶向分子，也可以连接特殊的分子或分子链，使之具有特殊的性质。本文综述了树状大分子的性质特点、合成方法、检测手段以及种类及其应用。11.前言树状大分子是由Buhleier和Tomalia两个课题组首先合成出来的，相比于线性高聚物，其优点在于可精确控制分子结构及表面基团的数量[1-2]。早期很少有人关注树状大分子的合成，而近十年研究人员发现树状大分子具有众多端基的性质在药物运载体系中有很大的应用价值，研究人员已经将不同的生物分子如药物、生物酶、疫苗和寡聚核苷酸等连接到树状大分子上并测定其性质。树状大分子是一种完美树枝化的球状大分子，其表面可提供大量接载药物的基团。其特点主要有三个：①中心核由一个原子或两个完全相同的化学功能基团组成；②支化部分由具有交叉点的结构单元从核开始呈放射状在空间中不断展开，其中每一层类似同心圆结构的重复结构单元称为“代”；③树枝状结构的末端（表面）基团数量较多，对整个树状大分子的性质至关重要(Fig.1)。2.树状大分子的性质树状大分子在药物运载体系中具有很多性质，相比于传统的线性聚合物，展现出优良的理化性质。2.1单散性2树状大分子是一种完美的无缺陷的结构，其单分散性不同于线性聚合物。树状大分子的单分散性能够使研究人员控制合成分子的粒度大小[3]。单分散性可通过质谱法、分子排阻色谱法、凝胶电泳法、透射电镜法测定。由于树状大分子在每一步的合成中都要纯化，所以其分子分散性非常小。质谱数据已经证实通过发散法合成的PAMAM树状大分子的单分散性非常小。树状分子的桥连与原料乙二胺的残留影响PAMAM的单分散性。2.2纳米尺度和形状树状大分子独特的球状结构和可控粒度的性质使其在生物医学领域应用广泛。因为其能穿过细胞膜且减少或延缓体内的消除。高度可控的结构与粒度使树状大分子成为一种理想的载体。其粒度随着代数的增加，从几个纳米增长到几十个纳米。树状大分子的大小也类似于生物分子的粒度大小，如血红蛋白（5.5nm）与5.0GPAMAM的树状大分子尺度相近[4]。2.3生物相容性树状大分子的生物相容性或体内毒性一般体现在分子外围的末端基团上。树状大分子PAMAM和PPI末端氨基显示出浓度依赖性毒性和溶血性，然而末端为中性或阴离子基团是表现出相对较小的毒性和溶血性[5-6]。阳离子型树状大分子的毒性形为表现为与表面带阴离子电荷的细胞膜相互作用后，会粘附在细胞膜上，导致细胞溶解。将阳离子末端基团修饰成中性或阴离子基团可以降低体内外的毒性，甚至在体内外没有毒性。如聚酯、聚醚和表面功能化的树状分子：聚乙二醇化的树状分子、糖化的树状分子[7]。2.4树状大分子与膜的相互作用表面带正电荷的树状分子与表面带负电的生物膜作用后形成纳米小孔或使细胞溶解。生物膜与活细胞膜是阐明这种作用机制所应用的两种模型[8]。PAMAM树状大分子对Caco-2外周细胞的穿透性、完整性和存活率影响可通过甘露醇渗透、跨上皮电阻和乳酸脱氢酶泄漏进行测定。树状大分子的浓度和代数及细胞培养时间的增加，会相应比例的增加乳酸脱氢酶泄漏[9]。3.树状大分子的结构3树状大分子的合成每一步都需要精确控制，得到的是单分散、球状结构的大分子。这种球状大分子表面有很多容易修饰的基团[10]（Fig.2）。近年来，已经合成出多种树状大分子用作药物的载体。如PAMAM、PPI、poly-L-lysine、triazine、melamine、PEG、carbohydrate-basedcitricacid、poly(glycerol-co-succinicacid)、poly(glycerol)和poly[2.2-bis(hydroxymethyl)propionicacid][10-12]（Fig.3）。244.树状大分子的合成树状大分子是一个对称的高度支化的实心状球状结构的化合物（PAMAM从1G到8G直径从1.1nm增长到9nm）[13]。发散法和集中法是合成树状大分子最常用的两种方法。此外‘hypercores’、‘branchedmonomers’增长,‘doubleexponential’增长,‘lego’chemistry和‘click’chemistry等也有报道。5.树状大分子的类型随着合成方法和表征技术的发展，得到了具有纳米尺寸和较多功能末端基团的新型树状大分子[14]。具有不同末端基的树状大分子见Fig.3。355.1聚酰胺-胺型树状大分子聚酰胺-胺型（PAMAM）树枝状大分子是由Tomalia用发散法合成的并引起了广泛的关注。PAMAM的分散指数从5.0G-10.0G都小于1.08，每一代都很均一。PAMAM是以乙二胺为核基元，与丙烯酸甲酯通过Michael加成反应生成四元酯，然后与过量乙二胺发生氨解生成四元酰胺化合物，此为1.0G，重复以上步骤可得不同代数。5.2聚丙烯亚胺树状大分子聚丙烯亚胺（PPI）是由发散法合成的末端基为胺基的树状大分子。分子中只有伯胺和叔胺，叔胺的pKa在6-9，伯胺pKa在10。聚丙烯亚胺(PPI)树状大分子是以氨或二胺为中心核，以丙烯腈为重复单元，交替重复进行Michael加成反应和多元腈的加氢还原反应，获得树枝结构的增长。5.3液晶树状大分子树状大分子聚有低粘度、低熔点、优良的溶解性等独特的性能，而且其分子体积、形状和功能基团可在分子水平上精确控制，对树枝状大分子表面进行修饰，接上液晶基元合成树状液晶大分子，由于液晶相的形成，使得高分子的性能发生变化，某些性能显著提高，具有小分子液晶，高分子材料及液晶发色团的综合性能。Percec发现了首例向列相超支化热致液晶。该反应是在相转移催化剂的作用下，由AB2型单体10-溴-1-（4-羟基-4ˊ-联苯）-2-（4—羟基）癸烷聚合而成，羟端基用1-溴己烷或1-溴辛烷烷基化成聚醚。其它树状液晶大分子如：碳硅烷树状液晶、聚酯/聚醚类等。5.4核壳型树状大分子核壳型树状大分子是结构上高度有序以共价键结合的基础性结构[15，16]。ScottH.Medina等［17］以N－乙酰半乳糖胺(NAcGal)修饰PAMAM树状大分子作为肝癌靶向药物载体，报道了通过多肽和硫脲将靶向药物结合到N－乙酰半乳糖胺修饰5.0代PAMAM树状大分子载体上，以便将化疗药物靶向运载到肝癌细胞YuanYue等［18］合成和表征了5.0代PAMAM树状分子包裹柔毛霉素用于靶向治疗癌细胞，首先对G5PAMAM树枝状高分子局部乙酰化，局部乙酰化有助于中和聚合物表面电荷，防止非特异性反应，同时增加了PAMAM溶解性，然后剩6下的胺基将被用于附着靶向药物，如柔毛霉素等Zhang等［19］将PAMAM树枝状分子制备的中空纤维膜(HFM)以逐步反应的方式组成了聚(2，6－二甲基－1，4－亚苯基氧化物)(BPPO)，使用水杨酸钠，氨甲喋呤，刚果红为模型药物，对PAMAM树状分子HFM的载药效率与释放药物的性能进行了评估结果表明，PAMAM树枝状分子制备的中空纤维膜可以有效地载入各种药物和延长药物的释放。5.5手性树状大分子构建手性树状大分子的基元单位、分支基团以及末端树状结构都可以是手性的，且手性的程度各有不同。只是手性的分布部位不同，有的只分布在核上，有的只分布在分支基团上，也有只分布于末端基团上。手性大分子已经在不对称催化和手性分子的识别上得到了应用。5.6肽类树状大分子肽类树状大分子可以分为三类：①肽单元接枝在树状大分子的表面；②完全由氨基酸组成的肽树状大分子；③树状分子中有非氨基酸支化单元；发散法和集中法是合成肽类树状大分子常用的方法。肽类树状大分子可以用作表面活性剂、蛋白类似物及药物和基因的运输载体。Darbe和Reymond还将其用作酯酶催化剂[20]。5.7糖类树状大分子糖类树状大分子是包含葡萄糖、甘露糖、半乳糖或二糖结构的树状大分子，大多数糖基都是结合在树状分子表面，也有一些糖单元在核中心。一般糖类树状大分子分为三类：①糖单元接枝在树状大分子的表面；②糖单元在树状大分子的中心；③糖单元包含在树状大分子内；5.8杂化树状大分子杂化树状大分子是树状分子和线性高分子经嵌段或接枝所形成的，不同的树状分子与不同高分子形成质密、刚性、均一的球状杂化树状大分子，并已应用于药物运载体系的各个方面[21]。6.树状大分子的表征树状大分子是一种纳米尺度的多功能载体，经一步一步精确控制合成出来的，7其表征尤为关键[22]。树状大分子的代数、表面不同的端基、表面修饰的不同功能基团都需要用不同的仪器分离并鉴定。如高效液相、超高效液相、核磁共振、紫外-可见波谱、X射线衍射、化学滴定、红外光谱、原子力显微镜、扫描电镜、X射线电子光谱、透射电镜、飞行质谱、电喷雾质谱、分子排阻色谱、气相渗透法等[23-27]。7.树状大分子在生物医学领域中的应用由于树状大分子的单分散性、纳米尺度、可穿透生物膜以及具有包裹客分子的空腔（Fig.4）,故在生物医学领域应用广泛。7.1树状大分子的治疗活性树状大分子具有局部杀菌的作用，聚赖氨酸树状大分子具有抑制单纯性疱疹病毒的作用，由StarpharmaPtyLtd开发的SPL7013Gel可以防止HIVT和HSV感染[28]。基于聚羧乙烯的水凝胶树状分子是以二苯甲胺为核，前四代以赖氨酸为枝，最外层包裹二磺酸萘基，表而具有很的电负性的树状大分子[29]。487.2树状大分子改善药物的溶解性药物的溶解性是限制药物制剂安全、有效、稳定应用的因素之一。树状大分子已经应用于改善抗肿瘤药、抗疟疾药、抗病毒药、抗高血压药等的溶解性。影响其改善溶解性效果的因素有：树状大分子的代数、浓度、ph值、核材料、支化单元、表面基团及温度。离子作用、疏水作用及氢键是增强溶解性的主要机制。树状分子可以通过改变核、支化单元及用亲水组份修饰表面功能基团来改善溶解性[30]。7.3树状大分子用于经皮给药体系研究经皮给药体系主要集中在两个方面：①改善疏水组份或疏水性药物难以透过生物膜的缺点；②使用水溶性和生物相容性好的载体材料；树状大分子在经皮给药体系中可以有效改善药代动力学参数。Cheng对PAMAM树状大分子运载NSAIDs研究后，认为此体系可作为治疗小病痛的有效方法[31]。7.4树状大分子用于口腔给药体系口腔给药途径对于患者较为方便，给药成本也较低，对于慢性病患者尤为方便。但药物的水溶性差、穿透生物膜的能力弱成为口腔给药途径的主要限制因素。Najlah指出树状分子上接合上萘普生能够增强口腔给药的生物利用率。同时乳酸酯可作为有效的药物控释连接键[32]。在3.5GPAMAM树状分子表面接上抗肿瘤药SN38可有效提高口腔给药的生物利用率同时降低毒性[33]。7.5树状大分子用于眼部给药眼部给药面临最大的问题是生物利用率低，基原因为：①眼泪过多；②鼻泪管介导的液体排放过多；眼部给药还需满足无刺激、不致过敏、可生物降解、生物相容好、等渗及保留时候长等要求[34，35]。7.6树状大分子靶向给药体系目前给药体系都采用将药物运载到靶点的策略，既可以提高治疗指数也可以降低毒副作用。Jain及其同事设计了双配体化的聚丙烯亚胺树状大分子。如唾液酸与糖基化双重靶向的接有齐多夫定的树状大分子用来治疗HIV。双重靶向系统可有效提高生物利用率及靶向运输抗病毒药[36]。7.7树状大分子运载基因9树状大分子在基因转染中的应用已经很多了，特别是带有氨基末端树状大分子如PPI、PAMAM及氨基酸接枝的树状分子，末端氨基可以提高基因的转染效率。树状大分子与核酸的复合物具有良好的转染效率并且能增强对基因、适配体、RNA、寡聚核苷酸的递送能力[37]。7.8树状大分子向细胞内递送生物活性分子树状大分子最具前景的应用是将药物分子递送到细胞水平，达到靶向细胞器的目的。为了有效地将药物输送到细胞内，必需防止药物在细胞外循环过程中的渗露