基于丝蛋白纳米颗粒负载抗癌药物递送系统的研究进展_吴建兵.pdf

研究与技术丝绸JOUNAL OF SILK基于丝蛋白纳米颗粒负载抗癌药物递送系统的研究进展esearch development of the anti-cancer drug delivery system based on silk fibroin nanoparticles吴建兵1，李靖雯1，周欣楠1，孙银银1，王永峰2(1 常熟理工学院 纺织服装与设计学院，江苏 苏州 215500;2 中国科学院 苏州纳米技术与纳米仿生所国际实验室，江苏 苏州 215123)摘要:针对抗癌药物存在血液循环清除快、易脱靶、生物利用度低等问题，本文对抗癌药物递送系统中丝蛋白纳米颗粒的材料选择，方法原理分类及优缺点、理化性能对抗癌药物递送的影响及其在被主动靶向递送中的具体研究进展进行全面综述，并重点比较了丝蛋白纳米颗粒的制备方法及其理化性能对抗癌药物负载和递送的影响。综合分析表明，丝蛋白纳米颗粒的研究应着重从方法创新、提升其理化性能及精准靶向与延长疗效等多方面协同入手，充分发挥其在抗癌药物递送系统中的各种优势，为促进癌症病人的高效治疗提供更多选择机会。关键词:抗癌药物;纳米颗粒;丝蛋白;递送系统;被动靶向;主动靶向中图分类号:TS1014文献标志码:A文章编号:10017003(2023)02002411引用页码:021103DOI:10 3969/j issn1001-7003202302003收稿日期:20220414;修回日期:20221211基金项目:国家自然科学青年基金项目(51903019);江苏省高等学校自然科学面上基金项目(17KJB540001，19KJB430006);常熟理工学院大学生创新创业计划项目(XJDC2020110)作者简介:吴建兵(1990)，男，讲师，主要从事丝蛋白生物医用材料的研究。癌症已严重威胁人类生命健康，随着全球老年化进程加快，癌症发病率和致死率都在迅速上升，给家庭和社会带来沉重负担1。手术切除和放射疗法是目前最直接、最有效的治疗手段，但仅适用于局部和非转移性肿瘤。早期癌症具有隐匿性，当病人出现不适症状时已发展到中晚期，只能依靠化学疗法控制2。抗癌化疗药物在人体分布具有随机性，癌细胞被杀伤的同时也会损伤正常细胞。除此之外，抗癌药物存在血液循环清除快、易脱靶，生物利用度低等问题3。因此化学疗法的弊端逐渐显现，包括给药次数多，周期长，且对器官毒副作用大，易诱发神经病变、自身免疫系统及泌尿生殖系统功能障碍。从而导致其疗效不佳，病人顺应性差4。如何针对中晚期癌症病人，灵活选择对患者顺应性高、抗毒副作用低、生物利用度高、耐受性好的治疗方法是目前医学界亟须解决的关键问题。利用肿瘤组织与正常组织环境的差异，包括血管密度、渗透性及细胞外基质中特异性蛋白等来设计多功能靶向给药系统，使得药物能在较长时间内滞留在肿瘤微环境中，促使癌细胞彻底凋亡且不再复发、转移是抗癌药物精准高效治疗的有效策略。抗癌药物递送系统是将抗癌药物装载在无机或有机高分子聚合物基质中，通过不同给药途径进入人体，再经血液循环将药物递送至癌变部位，在较长时间内维持药物治疗浓度，充分发挥药物疗效的技术5。因此，在稳定药物活性、精准靶向给药、控制药物释放、降低药物毒性、提高药物疗效等方面具有突出优势。递送载体尺寸决定了给药方式，纳米级一般经静脉注射后通过全身血液循环到达肿瘤部位6;而微米级需要通过局部给药锁定在靶向实体瘤中，长时间不断地向肿瘤微环境中释放药物，维持药物浓度7。相比于微米级载体，纳米级可直接经被、主动方式进入癌变细胞内，靶向更精准，可显著提高药物生物利用度8。被动靶向是指递送载体能在血液循环中利用肿瘤组织与正常组织中的血管密度及渗透性差异自发滞留，或作为异物被免疫系统中的巨噬细胞吞噬等途径进入细胞中;主动靶向是指在递送载体表面先修饰靶向分子，再与肿瘤微环境中的特异性受体结合后经胞吞作用进入细胞中，完成药物释放，促使癌细胞凋亡，作用方式如图 19 所示。抗癌药物在靶向递送过程中，存在一系列问题，包括易与血浆蛋白之间发生非特异性吸附，易被肾脏排泄或被肝脏中的网状内皮系统(eticuloendothelial system，ES)摄取，使得靶器官中的药物浓度低，生物利用度差。将抗癌药物负载在纳米脂质体中减少肾排泄较易被实现10，而如何减少并避免药物被肝脏 ES 摄取仍是重大挑战。目前使用高分子聚合物纳米颗粒进行药物递送是解决该问题的高效方法之一11。载体材料的稳定性和生物相容性是抗癌药物递送系统研究的42第 60 卷第 2 期基于丝蛋白纳米颗粒负载抗癌药物递送系统的研究进展图 1肿瘤微环境中主动和被动靶向递送系统的基本概念示意Fig1Schematic representation of the basic concept of the active and passive drug delivery systems in the tumor microenvironment前提和基础。作为抗癌药物递送的纳米颗粒在制备及功能化设计时需要考虑四条原则:1)稳定抗癌药物活性、降低抗癌药物在血液循环中的损失及对正常组织的毒副作用;2)需对其进行化学修饰，避免直接被人体代谢器官例如肝脏中的免疫细胞及血管内皮细胞等清除，延长其在血液循环中的滞留时间;3)充分利用肿瘤微环境促使纳米微粒透过内皮富集作用，加快其透过血管内皮，再渗透至靶向部位;4)持久可控释放，加快肿瘤细胞凋亡同时降低耐药性风险12。目前载体材料来源主要包括天然聚合物和合成聚合物两种。合成聚合物主要以聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol，PVA)13，聚乙二醇(Polyethylene glycol，PEG)14，聚己内酯(Polycaprolactone，PCL)15，聚乙醇酸(Polyglycolic acid，PGA)16，聚乳酸羟基乙酸共聚物(Poly lactic-co-glycolic acid，PLGA)17 为主，尽管合成聚合物在抗癌药物递送系统中的研究取得突破进展，但在实际应用中仍存在问题。如 PLGA 等聚合物材料体内降解时的酸性产物会与大分子抗癌药物发生酰化反应18;在药物制剂高温灭菌过程中，PLGA 等会发生降解，无法对抗癌药物起到稳定和保护。另外，在纳米颗粒制备过程中添加有机溶剂、引发剂等化学物质，药物制剂存在安全隐患19。相比合成聚合物，天然聚合物可塑性强，可通过物理或化学方法灵活、高效负载抗癌药物，稳定抗癌药物活性的同时，实现抗癌药物的可控、精准释放，且能在自然环境中进行酶降解，降解产物对人体和环境均无害20。基于此，本文重点对作为天然聚合物热点材料之一的丝蛋白，从丝蛋白的结构与性能、丝蛋白纳米颗粒(Silk fibroin nanoparticles，SF NPs)的制备方法机理及优缺点、理化性能(粒径、表面电荷、稳定性)对抗癌药物装载、释放的影响及其用于被、主动靶向中的具体研究进展进行详细阐述，为发展基于 SF NPs 负载抗癌药物实现高效递送及治疗研究提供思路。1丝蛋白的结构与性能国内外已有多项研究证实，蚕丝或蜘蛛丝中的丝蛋白具有优异的生物相容性、极低的免疫原性，且已经作为生物材料被广泛运用21-22。蜘蛛丝力学和防水性能优异，但同类相食，产量低、成本高，来源受限23。目前，家蚕和柞蚕是丝蛋白最主要的两类来源(图2)24。蚕丝蛋白由18 种氨基酸组成，基图 2丝蛋白的关键优势特性Fig 2Key advantageous properties of silk proteins52Vol 60No2esearch development of the anti-cancer drug delivery system based on silk fibroin nanoparticles本结构是由相对分子质量约为 350 kDa 的重链、25 kDa 的轻链及起连接作用的二硫键构成的二聚体。蚕丝蛋白(Silkfibroin，SF)由疏水结晶区和亲水非结晶区交替构成(图3)24，其中，结晶区由-螺旋、-折叠(亚稳定状态正交晶系的 Silk-平行-折叠、稳定状态单斜晶系的 Silk-反平行-折叠)两种蛋白质二级结构构成。相比无定形态和 Silk，Silk 的构象最稳定(图4)25。SF 二级结构可相互转换，全水相下的 SF 以无规卷曲为主，其在外界因素影响下，例如温度26、湿度27、pH 值28、剪切力29、金属离子30、溶剂种类31 等条件可促使无规卷曲向-折叠转变。因此利用这些特性可调控 SF 中无定形、Silk、Silk 三者之间的比例，增加 SF NPs 中 Silk 的比例有助于疏水性抗癌药物，包括姜黄素、紫杉醇装载效率的提升12，且载体基质的稳定性、降解性、抗癌药物的负载及释药性能均可调控。总而言之，SF 在抗癌药物递送方面具有显著优势:1)具有优异的生物相容性、生物安全性，免疫原性低;2)高度重复的疏水晶体与亲水非晶体交替排列，可形成纳米微纤网络，有利于小分子抗癌药物的高效负载并实现可控释放;3)具有丰富的活性氨基酸，例如酪氨酸、赖氨酸、精氨酸等，可为抗癌药物的共价耦联或化学修饰提供足够的反应位点，有助于主动靶向递送;4)可在全水相下自组装形成纳米颗粒，避免了有机溶剂添加对多肽、蛋白质等具有生物活性抗癌药物稳定性的影响9，药物疗效和生物安全性得到保证;5)明胶等高分子材料易在高温下发生变性交联反应和降解，而 SF 作为结构蛋白，可与多种灭菌方法兼容，作为抗癌活性药物制剂的稳定剂和保护剂;6)可被细胞内溶酶体降解后补充天然组织的营养成分，能满足载体降解的关键要求。因此SF 可成为理想的抗癌药物递送载体材料。图 3蚕丝蛋白一级结构和二级结构之间关系的示意Fig3Schematic diagram of the relationship between primary and secondary structure of silk fibroin图 4桑蚕丝蛋白的二级结构Fig 4Secondary structure of mulberry silk protein2SF 纳微米颗粒的形成原理及制备方法的优缺点SF 由亲水氨基酸(如谷氨酸)和疏水氨基酸(甘氨酸、丙氨酸)组成，其分子间的亲/疏性链段排列交替且规整，SF 在选择性溶剂中能发生自组装而形成胶束32、聚集体33 等不同结构的稳定形态，也可通过油相34，电压35，超临界CO236、直接喷雾37 等不同途径先获得 SF 液滴，再在外界刺激下(温度38、湿度39、离子强度40、变性剂41)诱导 SF 的构象发生改变(从无规卷曲转变到-折叠)，进而形成稳定的水不溶的 SF 纳微米颗粒。根据 SF 的双亲性和自组装特性，62第 60 卷第 2 期基于丝蛋白纳米颗粒负载抗癌药物递送系统的研究进展可将 SF 纳微米颗粒的形成原理分为“从小到大”和“从大到小”两种。2 1“从小到大”SF 纳微米颗粒“从小到大”的形成原理是 SF 先由分子自组装形成纳米晶核，紧接着形成多晶核的聚集体颗粒。具体过程是全水相的 SF 溶液在变性剂41、pH 值42、低温32 等条件下先诱导 SF 形成纳米晶核，再在氢键、离子键、疏水作用力等作用下进一步自组装形成稳定的纳米颗粒，其中 SF 的二级结构会从不稳定的无规卷曲向稳定的-折叠转变，该原理涉及的制备方法主要包括盐析法、反溶剂法等(图 5)21。图 5制备丝蛋白纳米颗粒方法的示意Fig5Schematic summary of techniques for the preparation of silk nanoparticles2 2“从大到小”“从大到小”的形成原理又细分为两种，一种是从 SF 溶液出发，SF 溶液先均匀分散成纳微米小液滴，再去水固化。干燥过程包括瞬间高温固化37、60 烘箱缓慢干燥43 及在常温液中干燥等41，此时二级结构以-螺旋为主，需再经甲醇41、水蒸气39 等后处理才能形成稳定的 SF 纳微米球(高-折叠含量)，也可通过添加化学交联