IABS2013@MVC:具有抗肿瘤应用潜力的聚氨基酸纳米药物传输体系

DOX/聚氨基酸纳米粒子组装、细胞内释放、抑瘤效果和荷瘤小鼠体重变化(非小细胞肺癌A549)

中国科学院长春应用化学研究所的陈学思研究员课题组长期以来一直致力于以生物可降解聚氨基酸和脂肪族聚酯为基质的抗肿瘤纳米载药体系的开发与应用。目前,抗肿瘤化疗药物以强毒性的小分子药物为主(如阿霉素(DOX)、顺铂(CDDP)和紫杉醇等)。这些小分子药物给药后在体内分布广泛,且在正常的人体器官和组织中大量分布会导致严重的毒副作用,这不仅使患者遭受巨大的痛苦,也导致化疗难以继续、患者病情恶化甚至死亡。因此,利用合适的载体有效输送抗肿瘤药物,降低其毒副作用并提高疗效,具有重要的现实意义。

纳米尺度的高分子载体(主要为胶束、纳米凝胶和囊泡等)可实现抗肿瘤药物的有效担载,改善药物的药代动力学,增加药物在肿瘤部位的富集。并且,利用载体材料的智能响应性,可以实现药物的在肿瘤部位的高效输送和控制释放。聚氨基酸具有优异的生物相容性、丰富的化学官能团和良好的合成可控性,作为抗肿瘤药物纳米载体具有巨大潜力。目前已有多种以聚氨基酸为载体的抗肿瘤药物纳米制剂进入到III期临床。

该课题组在聚氨基酸材料领域已有10余年的工作积累,一直致力于研究生物安全性佳、可有效降低小分子抗肿瘤药物的毒副作用且结构可控的聚氨基酸载体材料。近年来,该课题组已开发了成系列的抗肿瘤药物聚氨基酸载体材料,特别是对胶束、纳米凝胶和键合药体系进行了深入地研究。

顺铂是一种常用的抗肿瘤药物,它具有抗癌谱广和抗癌作用强等特点,但同时有严重的肾脏毒性。该课题组根据CDDP可与聚(L-谷氨酸)(PLG)羧基形成可逆络合物的特性,开发了PLG接枝聚乙二醇(PLG-g-mPEG)、谷氨酸赖氨酸无规共聚物P(Glu-co-Lys)等载体材料。PLG-g-mPEG与CDDP形成的纳米药物直径在30 – 100 nm间可调。细胞与动物实验结果表明,该新型纳米药物抑制肿瘤生长的效果与顺铂相近,但铂在肾脏的分布显著降低,可有效降低其肾毒性。CDDP/P(Glu-co-Lys)纳米胶束具有pH敏感性,它在pH=7.4(血液pH)时表面电荷为负,使纳米胶束具有长循环以及肿瘤富集功能,在pH=6.8(肿瘤组织pH)时,表面电荷反转为正,可增加纳米胶束被肿瘤细胞的摄取,从而提高了其肿瘤抑制效果。

DOX是另一种广谱抗肿瘤药,它具有强烈的细胞毒性,临床上常见脱发、骨髓抑制和心脏毒性等副作用。该课题组根据DOX带正电,可与带负电聚合物形成可逆静电复合物的特点,开发了mPEG-b-PLG、PEG嵌段聚(γ-丙炔基-L-谷氨酸酯-g-巯基丁二酸)mPEG-b-(PPLG-g-MSA)等电负性高分子载体材料。DOX/mPEG-b-PLG和DOX/mPEG-b-(PPLG-g-MSA)保持了DOX的抗癌活性,相对纯药而言,它们具有pH响应性的药物释放行为,在生理条件下可有效保护药物,而在肿瘤细胞内的微酸性环境下可实现药物的智能释放。动物实验表明,mPEG-b-PLG和mPEG-b-(PPLG-g-MSA)纳米载药体系有效地改善了DOX的体内分布,降低了对机体的毒性。

在最近的工作中,该课题组通过PEG引发两种氨基酸 N-内羧酸酐的无规共聚制备了mPEG-b-聚(L-谷氨酸-co-L-苯丙氨酸)嵌段共聚物(mPEG-b-P(LG-co-LP))。mPEG-b-P(LG-co-LP)在静电复合和疏水作用下,实现了对DOX的高效担载。其中,PEG为亲水段,可保护纳米粒子在血液循环稳定性,LP单元提供强的π-π堆积效应及疏水作用来稳定纳米粒子的组装防止纳米粒子在血液循环中解体,LG单元则提供羧基与DOX进行静电复合。体外释放结果显示DOX/mPEG-b-P(LG-co-LP)具有缓释能力,且其释放受pH影响,在肿瘤微酸性环境下比正常生理条件下释放更快。急性毒性研究表明,DOX/mPEG-b-P(LG-co-LP)的最大耐受剂量(MTD)是DOX的3倍。细胞和动物实验均表明,该复合物的抑瘤效果比DOX更强,而系统毒性显著降低。

以上所述的纳米胶束载药体系的均在水溶液中制备,避免了使用有机溶剂。药物担载过程具有简单、绿色和高效的特点,有利于规模化生产和应用。目前,该课题组已筛选了2种最具有应用前景的聚氨基酸材料和相应纳米载药体系进行临床前的研究和产业化的放大,以期实现聚氨基酸载体材料和纳米载药体系在应用上的突破。

相关研究成果发表在Macromolcular Bioscience 2012, 12, 1514、Macromolecular Bioscience 2013, 13, 1150、Biomacromolecules 2013, 14, 2023、ACS applied materials & interface 2013, 5, 1781、Journal of Materials Chemistry B 2013, 1 (1), 6981、Journal of Controlled Release 2013, 169 (3), 193203和Acta Biomaterialia 2013, DOI:10.1016/j.actbio.2013.08.015等期刊上,并已申请中国发明专利10余项。

聚氨基酸纳米凝胶是该课题组开发的另一个重要的小分子抗肿瘤药物传输平台。从2011年开始该课题组通过双键功能化PLG的沉淀自由基聚合、利用“点击”化学、季胺化或光交联等反应交联聚氨基酸胶束的内核以及以水溶性的端氨基功能化高分子(包括PEG和聚两性离子等)引发单和双官能化氨基酸 N-内羧酸酐的一步开环聚合等途径制备了具有不同化学结构和粒径的纳米凝胶。所制备的纳米凝胶可以对外界环境的刺激,如pH和还原性等,作出快速灵敏的响应。同样,小分子抗肿瘤药物可以通过非共价键作用力等负载于纳米凝胶的内核中。所制备的载药纳米凝胶在血液循环中保持稳定,并可以在肿瘤部位聚集,可以减少对正常组织和器官的毒性。到达肿瘤组织或进入肿瘤细胞后,在酸性或还原性微环境的刺激下可以实现纳米凝胶的溶胀甚至崩解,快速释放出抗肿瘤药物,从而提高肿瘤生长抑制效果。近期该课题组还通过γ-2-氯乙基-L-谷氨酸酯结构单元的季胺化反应交联聚氨基酸胶束的内核,制备了一种在肿瘤组织可以实现电荷由负到正翻转的pH和还原双响应性纳米凝胶。模型抗肿瘤药物DOX可以通过静电吸引负载于纳米凝胶的内核中。所得的载药纳米凝胶可以通过电荷翻转显著提高载药纳米凝胶体系的内吞效率并表现出优异的体外和体内肿瘤细胞增殖抑制能力。

该部分工作相继发表于国际学术期刊上,包括Colloid and Polymer Science 2011, 289 (4), 447451、Polymer Chemistry 2011, 2 (12), 28572864.、Journal Materials Chemistry 2011, 21 (30), 1138311391、Journal of Controlled Release 2011, 152 (Suppl 1), E11E13、Journal of Materials Chemistry 2012, 22 (28), 1416814179和Polymer Chemistry 2013, 4 (13), 38513858等,并授权中国发明专利4项(CN201010130890.X、CN201010561226.0、CN201010563357.2和CN201110023774.2)。

智能高效抗肿瘤载药纳米凝胶的制备、静脉注射、细胞内吞和细胞内响应性释放

另外,该课题组通过肿瘤组织或细胞内酸度敏感的化学键(如腙键、酯键、酰胺键和肟键)将DOX键合于聚氨基酸及其衍生物上制备了一系列智能聚氨基酸–DOX键合药。研究结果表明,所制备的键合药可以在水环境中自组装成纳米粒子,可以在肿瘤组织或细胞内的酸性微环境中响应性地快速释放出DOX,实现DOX在肿瘤部位的高浓度聚集,从而表现出良好的体内安全性以及优异的体外和体内肿瘤抑制效果。

该部分工作相继发表于Chemical Journal of Chinese Universities 2012, 33 (12), 28092815和Biomaterials Science 2013, 1 (6), 633646上,并授权中国发明专利1项(CN201110343633.9)。