刺激响应型聚合物纳米粒子在生物医学上的应用

刺激响应型聚合物纳米粒子在生物医学上的应用摘要刺激响应型聚合物纳米粒子用作药物传递载体是是目前纳米材料在生物医用领域最重要的研究方向之一。刺激响应型聚合物一般是双亲性聚合物，可通过自组装的方式得到形态各异的聚集体，如胶束、囊泡等，它可以接收外部环境的刺激信号（pH、温度、磁场、光、超声等），使自身大分子结构或状态发生改变。本文综述了几种重要类型的刺激响应型聚合物纳米粒子，介绍了它们的结构特点、刺激响应性及药物控释行为。还简单的介绍了双重及多重刺激响应型聚合物纳米粒子。最后对该领域的发展方向进行了展望。关键词刺激响应聚合物纳米粒子药物载体纳米生物医学刺激响应型聚合物纳米粒子在生物医学上的应用-1-刺激响应型聚合物纳米粒子在生物医学上的应用1引言纳米科技（Nano-ST）自20世纪80年代末期诞生至今，已经形成了一个完整的体系。这个体系由7个部分组成，它们分别是：（1）纳米物理学；（2）纳米化学；（3）纳米材料学；（4）纳米生物学；（5）纳米电子学；（6）纳米加工学；（7）纳米力学[1]。纳米技术刚兴起时，科学界的研究热点是纳米材料在信息技术领域的应用，科学家希望利用纳米技术使芯片体积更小、速度更快。2004年2月12日到16日举行的美国科学年会上，专家们说，美国纳米技术的研究热点正由半导体芯片领域转向生物医学领域，纳米医学技术已经被列入美国的优先科研计划[2]。2007年，EatonM[3]在《NatureMaterial》上撰文指出纳米医学是未来医学发展的关键。生物医学的主要研究范畴是疾病的诊断和治疗，而将药物或成像剂负载在纳米粒子中,用于药物传递和疾病诊断，是目前纳米材料在生物医用领域最重要的应用[4]。迄今为止,用于药物输送的纳米材料主要是聚合物。药物既可以通过物理包埋、也可以通过化学键合的方式结合到聚合物纳米粒子中。用于药物传递的聚合物纳米粒子主要有以下优势[3,5,6]：（1）聚合物具有丰富的相行为和溶液自组装能力，两亲性聚合物可以自组装成纳米胶束、纳米胶囊、核-壳型纳米粒子等，从而可以将药物载入；（2）聚合物纳米粒子尺寸较小，可以方便的进入细胞内，从而提高药效；（3）聚合物有较大的分子量，作为药物载体能使药物在病灶部位停留较长时间。由于药物通常被包封于聚合物内部，因此聚合物还能起到保护药物不会被提前代谢的作用；（4）聚合物比较容易被化学修饰，可以把一些具有靶向作用或具有生物活性的组分结合到聚合物粒子表面，从而实现多功能；（5）药物释放后载体材料可通过聚合物的降解被排出体外。聚合物纳米粒子用作药物控释载体时，要解决两个问题：（1）在哪里给药？（2）能否按一定速率给药？药物一旦被人体吸收，会随着血液流向人体各个部位，我们希望药物只在病灶部位释放，从而较大限度的降低药物副作用，提高药物的生物利用度。因此，要解决第一个问题，需要药物释放载体具有靶向性，这一点可以通过在聚合物表面引入一些靶向性的官能团如叶酸[7]等加以解决。最难解决的是第二个问题，为此需要药物释放载体具有刺激响应性(stimuli-responsive)。刺激响应型聚合物可以将药物封装起来，一旦到达病灶部位，受到刺激，产生结构上的响应，这时开始缓慢释放药物。目前，利用刺激响应型聚合物，人们发展出了一个新的概念“程序化(programmable/programmed)”给药，例如最近Abbaspourrad等人[8]的“PolymerMicrocapsuleswithProgrammableActiveRelease”。程序化给药的进展已经有综述[9,10]可以参看。刺激响应型聚合物纳米粒子在生物医学上的应用-2-2不同类型的刺激响应型聚合物纳米粒子“刺激响应”也经常被称为“环境响应”，“智能”等，其智能行为主要体现在其可以根据外界刺激信号从而产生各种特殊的宏观行为刺激响应，包括分子链结构、溶解性、表面结构、溶胀、解离等行为。利用的刺激信号可分为物理与化学信号两类，其中物理信号包括温度[11]、电[12]、磁场[13]、光[14]、超声[15]等，而化学信号包括pH[16]、化学物质[17,18]，酶[19]等，其中以pH、温度、磁场、光、等最为常见。2.1pH敏感的聚合物纳米粒子pH敏感纳米粒子是最受关注的纳米粒子之一，这主要是因为人体内各组织的环境pH各有差别（表2.1）。比如人体胃的pH值呈酸性一般肿瘤组织的pH环境是呈酸性的，大约为6.75，明显低于正常组织的pH7.23；另外,当纳米粒子进入细胞内部后,粒子会遇到pH值更低的溶酶体和内涵体(pH=5.0~5.5)。利用这种pH环境的差异可设计出众多针对肿瘤组织或其他特定器官进行药物传递的pH敏感药物载体。表2.1人体内各组织的环境pH组织/环境pH血液7.2~7.4肿瘤6.75溶酶体/内涵体5.0~5.5pH敏感聚合物（图2.1）的典型特点就是含有可作为质子给体或受体的可电离部分。弱酸性聚合物，比如聚丙烯酸(PAAc)，在pH较低时可以接受质子，在pH较高时可以提供质子；而弱碱性聚合物，比如聚4-乙烯基吡啶（P4VP）和聚二甲胺基甲基丙烯酸乙酯(PDMAEMA)的性质就刚好相反。通常的pH敏感聚合物纳米药物载体正是通过在载体中引入pH敏感单元而达到pH响应的目的。随着pH的改变，载体中的pH敏感部分会诱导纳米粒子发生聚集或者溶解，从而调控所负载药物的释放。图2.1几种典型的pH敏感型聚合物（单元）[20]刺激响应型聚合物纳米粒子在生物医学上的应用-3-Yan等[21]合成了一类梳形嵌段共聚物（图2.2），其主链为生物相容性良好的乙基纤维素骨架(EC)，侧链为双接枝型聚合物，一部分侧链为疏水的可生物降解的聚己内酯(PCL)，另一部分为pH响应的PDMA链。在酸性溶液(pH4.2)中，该梳形共聚物可以发生自组装形成核壳胶束结构；当改变溶液的值至中性时，则会发生多胶束团聚现象（图2.3）。图2.2梳形嵌段共聚物的结构示意图因此可以利用胶束的pH值控制分散与团聚行为，将其应用于药物载体，进行药物的可控放研究（图2.4）。结果表明，可以通过调控pH，将药物释放量在10%~40%之间进行调节。图2.3pH控制的胶束的分散和团聚图2.4药物释放曲线pH敏感聚合物纳米粒子的一个重要应用就是利用肿瘤组织及细胞内涵体、溶酶体的弱酸性将抗癌药物运送到达肿瘤部位。例如，Bae等[22-24]将阿霉素(ADR)通过pH敏感的腙键连刺激响应型聚合物纳米粒子在生物医学上的应用-4-接于聚合物制得了一类的pH敏感纳米粒子，并进行了详细的生物学实验，包括药物释放实验和临床抗癌实验。图2.5Bae等设计的pH敏感的药物释放体系左：封装了ADR的聚合物纳米胶束右：该药物释放体系的分子结构2003年，Bae等[22]提出了一种构建pH敏感型聚合物纳米粒子药物载体的策略，即在两亲性嵌段共聚物的疏水链段上通过腙键连接上抗癌药物，键接的阿霉素可以为两亲聚合物自组装提供了疏水作用，从而使其能够自组装成纳米胶束，这样药物被封装入胶束内部（图2.5左）。Bae等构建的这种药物释放体系有三部分组成（图2.5右）：嵌段聚合物(聚乙二醇－聚天冬氨酸，PEG-b-PAsp)，抗癌药阿霉素（ADR），pH敏感的腙键。其中ADR与PEG-b-PAsp的连接键可以在弱酸性环境下迅速离解，从而发挥药效。2005年，Bae等[23]报道了详细的药物控释结果（图2.6）。可见，该载药聚合物纳米粒子在生理条件下（pH~7.4）非常稳定，能将药物牢固的封装，而当pH降低到5~6时，药物开始迅速释放。2007年Bae等[24]对该药物释放体系做了临床上的抗癌实验，结果显示，在TβR-I抑制因子存在的情况下该药物释放体系可以有效应对多种难处理癌症(比如胰腺癌及弥散型胃癌)的治疗，从而表明该体系在临床上具有真正的使用价值。图2.6PEG-b-PAsp对ADR的控释实验刺激响应型聚合物纳米粒子在生物医学上的应用-5-2.2温度敏感的聚合物纳米粒子人体的正常生理温度为37℃左右，当人体某些部位发生病变时，局部的温度会降低或升高。利用这个病理学特性，可以构造一些温度响应性的聚合物，当超过某一温度时发生组装体的解离，从而使药物可控地释放到靶向位点上。温度敏感药物载体一般由热敏性聚合物制备而成。此类聚合物都有一个临界溶解温度(CST).在CST温度上下，热敏感聚合物在溶液中会经历一个相转变过程。其转变有两种类型，当低于某个温度时聚合物是水溶性的，但当温度高于此温度时却变成水不溶性的，这种现象称之为具有较低临界溶解温度(LCST)。反之，则具有较高临界溶解温度(UCST)。最常见的温敏型聚合物是聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAAm)，见图2.7。PNIPAAm的LCST为32℃左右，在溶液中具有非常明显的可逆相变过程。由于PNIPAAm的温度敏感性，含有PNIPAAm链段的两亲性嵌段共聚物胶束具有温度敏感性。图2.7PNIPAAm在构建温敏型聚合物药物载体时，最常用的方法是制备PNIPAAm与疏水聚合物的嵌段共聚物，其中，外壳是温敏的PNIPAAm，内核是疏水聚合物。当改变温度时，PNIPAAm外壳的亲水性可发生改变。在LCST以下，亲水的外壳可阻止内核与生物实体如蛋白质、细胞以及其他胶束的相互作用。而当温度超过LCST时，外壳会突然变得疏水，导致胶束聚集甚至沉淀，从而起到药物释放的“开关”作用，其释药机理如图2.8所示[25]。图2.8载药温敏胶束的温度控制药物释放示意图Zhuo等[26-29]在温度敏感性两亲性载药聚合物纳米粒子方面做了大量的工作。包括系统考察了聚合物结构对载药率的影响、核壳交联对聚合物纳米粒子稳定性的影响、引入亲水单体调节纳米粒子的相转变温度、引入靶向配体和其他功能基团等。这类聚合物纳米粒子主要由嵌段、接枝、无规两亲性聚合物制备而来。例如他们制备出了一类基于PNIPAAm三嵌段刺激响应型聚合物纳米粒子在生物医学上的应用-6-共聚物其LCST正好为生理温度(36.8℃)[28]。该聚合物的结构（图2.9）特点是：温敏性的PNIPAAm两边分别连接疏水的聚乳酸（PLLA）和亲水的聚N-羟甲基丙烯酰胺（PHMAAm）。图2.9PLLA-sb-P(NIPAAm-co-HMAAm)三嵌段共聚物的分子结构这三段有精确的摩尔比，PLLA:PNIPAAM:PHMAAm=1:13:1。两亲性的PLLA-sb-P(NIPAAm-co-HMAAm)能在水中自组装成纳米级的胶束（图2.10），内核是疏水的，外壳是亲水的。TEM图像（图2.10右）显示该胶束是球形的，其平均直径约130nm。图2.10三嵌段共聚物自组装成的胶束左：模型示意图右：TEM图及尺寸分布该胶束随着温度的变化，直径也发生变化（图2.11），在较低温度时，其直径约130nm，随着温度升高，尺寸显著增加，最后稳定在300nm左右。由于在36.8℃附近尺寸变化最为剧烈，遂将该温度定义为LCST。这种温度敏感行为来源于胶束的结构特点。温度升高时，温敏性的PNIPAAM变的疏水，从而使得共聚物中疏水比例增加，外壳变的疏水，单分散的胶束开始聚集，从而直径变大；但是由于共聚物中亲水链段PHMAAm的存在，胶束不可能变的完全疏水，其亲水链段比例最低是1/14，因此，胶束直径在LCST以上不会无限变大。图2.11胶束的温度敏感行为刺激响应型聚合物纳米粒子在生物医学上的应用-7-随后，研究者用该聚合物做了药物控释实验。先将疏水的抗癌药甲氨喋呤（MTX）（图2.12左）封装在胶束内部，然后测试了不同温度下药物的释放情况（图2.12右）。可见，在低温时，药物分子被牢固的束缚在胶束内，其中少量的释放是药物分子不可避免的在核壳结构中的外扩散过程引起的。当温度升高时，药物释放量显著增加。在26℃（LCST）时，70h的释放量只有约20%，而在40℃(LCST）时，70h的释放量可达90%。因此，可以通过调节温度来调节药物的释放量。温度控制的机理是，TLCST低温时，三嵌段共聚物中PNIPAAm是亲水的，此时亲水链段/疏水链段=