1、精選優質文檔-傾情為你奉上高分子材料在腫瘤治療中的應用第一節 概 述在藥物制劑領域中，高分子材料的應用具有久遠的歷史。人類從遠古時代在謀求生存和與疾病斗爭的過程中，廣泛地利用天然的動植物來源的高分子材料，如淀粉、多糖、蛋白質、膠質等作為傳統藥物制劑的黏合劑、賦形劑、助懸劑、乳化劑。上世紀30年代以后，合成的高分子材料大量涌現，在藥物制劑的研究和生產中的應用日益廣泛。可以說任何一種劑型都需要利用高分子材料，而每一種適宜的高分子材料的應用都使制劑的內在質量或外在質量得到提高。上世紀六十年代開始,大量新型高分子材料進入藥劑領域,推動了藥物緩控釋劑型的發展.這些高分子材料以不同方式組合到制劑中,起到控

2、制藥物的釋放速率,釋放時間以及釋放部位的作用。隨著眾多不同作用機制的抗腫瘤藥物的發現和腫瘤治療技術的發展需求,抗腫瘤藥物的緩控釋給藥系統以及靶向給藥系統越來越成為藥物制劑研究的熱點課題。根據腫瘤發生和發展過程的生物學特征,研究者提出了不同的腫瘤靶向給藥策略,如利用通透性增強與滯留(EPR) 效應、單抗識別、受體介導、血管生成機制等;許多新的高分子材料和給藥載體已應用于抗腫瘤藥物靶向給藥系統的研究之中,其中代表性的給藥系統有脂質體、納米粒、微粒、納米乳、聚合物膠束等。本章節參考某些期刊文獻的基礎上主要討論高分子材料作為抗腫瘤藥物的緩釋控釋以及靶向腫瘤給藥載體的新進展。藥 物（基 因）疾病要求速釋

3、、緩釋、延時、脈沖控制給藥速率定時一級靶向：器官、組織靶向二級靶向：特定細胞靶向三級靶向：細胞內靶向給藥系統控制給藥部位定位 藥物作用位點圖1 給藥途徑(方式)第二節 高分子材料在緩控釋抗癌給藥系統中的應用在緩控釋制劑中，高分子材料幾乎成了藥物在傳遞、滲透過程中的不可分割的組成部分。一種新輔料的應用，可開發出一大批制劑產品，并促進一大批制劑產品的質量提高，取得十分顯著的經濟效益和社會效應。緩控釋制劑作用機理有多種，制備工藝也千差萬別，因此有多種不同的分類方法。粗略說來，有下列幾類：一、貯庫型（膜控制型）控釋制劑該類制劑是在藥庫外周包裹有控制釋藥速度的高分子膜的一類劑型,根據需要,可以制備成多層

4、型,圓筒型,球型或片型的不同形式,并有相應的制備方法。（一）微孔膜控釋系統在藥物片芯或丸芯上包衣，包衣材料為水不溶性的膜材料（如EC、丙烯酸樹脂等）與水溶性致孔劑（如聚乙二醇、羥丙基纖維素、聚維酮）的混合物。制劑進入胃腸道后，包衣膜中水溶性致孔劑被胃腸液溶解而形成微孔。胃腸液通過這些微孔滲入藥芯使藥物溶解，被溶解的藥物溶液經膜孔釋放。藥物的釋放速度可以通過改變水溶性致孔劑的用量來調節。（二）致密膜控釋系統這種膜不溶于水和胃腸液，但水能通過。胃腸液滲透進入釋藥系統，藥物溶解，通過擴散作用通過控釋膜釋放。藥物的釋放速度由膜材料的滲透性決定，選用不同滲透性能的膜材料及其混合物，可調節釋藥速度達到設計

5、要求。常用膜材料有EC，丙烯酸樹脂RL、RS型、醋酸纖維素等。（三）腸溶性膜控釋系統這種膜材料不溶于胃液，只溶于腸液，如腸溶性丙烯酸樹脂，羥丙甲纖維素酞酸酯等。為了達到緩控釋目的，這類膜材常常與其它成膜材料混合使用，如不溶性的EC，水溶性的HPMC等。在胃中藥物釋放很少或不釋放，進入小腸后，腸溶材料溶解，形成膜孔，藥物可通過膜孔的擴散作用從釋藥系統釋放。藥物的釋放速度可通過調節腸溶性材料的用量加以控制。如采用丙烯酸樹脂腸溶號、HPMC、EC等不同配比，制成的硫酸鋅包衣顆粒，其體外釋放時間可達24小時。二、骨架型（基質型）控釋制劑該類制劑制備簡單,不需控釋膜,將藥物直接分散在高分子材料形成的骨架

6、中,藥物釋放速度取決于骨架材料的類型和藥物在該材料中的擴散速度。如以PVA和PVP為骨架的硝酸甘油貼膏，以HPMC為骨架材料的各種緩釋片劑、以HPC/Carbopol為粘附材料的黏膜粘附制劑等。（一）不溶性骨架緩控釋系統采用無毒塑料如無毒聚氯乙烯、聚乙烯、聚氧硅烷等作為骨架基質材料，加入藥物，再用丙酮等有機溶劑為潤濕劑制成軟材，制粒，壓片。這些材料口服后不被機體吸收，無變化地從糞便排出。應用這類材料制成的釋藥系統一般適合于水溶性藥物。如國外有用聚氯乙烯制成的硝酸異山梨酯、硫酸奎尼丁控釋片上市。（二）親水凝膠骨架緩控釋系統采用親水性高分子材料為片劑的主要輔料，如甲基纖維素、羥丙甲纖維素（K4M，

7、K15M、K100M）、Carbopol，海藻酸鈉，甲殼素等，這些材料的特點是遇水以后經水合作用而膨脹，在釋藥系統周圍形成一層稠厚的凝膠屏障，藥物可以通過擴散作用通過凝膠屏障而釋放，釋放速度因凝膠屏障的作用而被延緩。材料的親水能力是控制藥物釋放的主要因素。有報道研制了一種雙氯芬酸鉀水凝膠骨架緩釋片，它以羥丙甲纖維素（HPMCK4M）為主要骨架材料，并輔以其它阻滯劑，以調節釋藥速度。可供選擇的疏水性阻滯劑有乙基纖維素、硬脂酸，腸溶性丙烯酸樹脂等。為達到適宜的釋藥速度，還可加入親水性的材料作填充劑或致孔劑，如乳糖、微晶纖維素、聚維酮（PVP）。以上材料中若再加入一些蠟類和脂肪酸酯類，制成的片劑比重

8、小于1，服用后可在胃液或食糜中飄浮較長時間，有利于藥物持久釋放。一些主要在胃內吸收或主要在胃中發揮治療作用的藥物制劑（如抗幽門螺旋桿菌的抗生素），可考慮制成胃內飄浮片。（三）溶蝕性骨架緩控釋系統這類骨架材料多采用脂肪和蠟類物質如蜂蠟、硬脂酸丁酯等。口服后，固體脂肪或蠟在體液中逐漸溶蝕，藥物從骨架中釋放。釋放速度取決于骨架材料的用量及其溶蝕性。制備常用方法是將藥物趁熱溶于或混懸于脂肪或蠟類物質材料中，冷卻后磨成顆粒裝入膠囊或壓制成片。三、微囊和微粒型控釋制劑可以看成是微型化的貯庫制劑和骨架制劑, 大小在1mm以下, 更普遍的僅0.1m或數十微米。可選用水溶或水不溶性高分子材料。隨著高分子材料研究

9、的進展，生物降解性高分子材料在微囊和微粒制劑中的應用也逐日增多。應用較廣泛的高分子材料有明膠,淀粉,白蛋白,聚丙烯酸-淀粉接枝物，聚乳酸，聚羥基乙酸-乳酸共聚物，聚甲酰胺，聚甲基丙烯酸甲酯,聚丙烯腈烷基酯，乙基纖維素等。新型緩控釋制劑近年來新型高分子材料的研究和應用使緩控釋制劑步入了定時，定向，定位，速效、高效，長效的精密化給藥的新途徑。出現了口服滲透泵控釋系統、脈沖釋放型釋藥系統、pH敏感型定位釋藥系統、結腸定位給藥系統等新型緩控釋制劑。第三節 抗癌藥物靶向給藥系統及策略靶向給藥系統(target-oriented drug delivery systems, TODDS) 亦稱靶向制劑，是

10、指用載體、配體或抗體將藥物通過局部給藥、胃腸道或全身血液循環而選擇性地濃集于靶組織、靶器官、靶細胞或細胞內結構的制劑。TODDS不僅要求藥物到達特定靶組織、靶器官、靶細胞甚至細胞內的結構，而且要求有一定濃度的藥物在靶位滯留足夠長的時間，以便發揮藥效。理想的靶向給藥系統應具備：定位蓄積，控制釋藥，無毒可生物降解這4個要素。因此,靶向藥物的載體系統至關重要, 它應具備以下特點：顆粒小，能在循環中通過毛細血管到達靶部位;載體能夠較好地負載藥物,使藥物的載藥量足夠高,以滿足在靶區的治療濃度;經過外包裝的藥物在靶位點釋放,仍應具有足夠的生物學活性;能夠定位于靶位點;有足夠的循環半衰期以確保到達靶部位;載

11、體的生物相容性好,其降解產物能被機體清除或對機體無害;抗原性小,熱源性小,不易形成血栓。一、靶向制劑的分類藥物的靶向傳輸從到達的部位講可以分為三級：第一級指到達特定的器官或組織；第二級指到達器官或組織內的特定的細胞(如腫瘤細胞而不是正常細胞，肝細胞而不是Kupffer細胞)；第三級指到達靶細胞內的特定的細胞器(例如溶酶體)。從靶向傳遞機理分類，TODDS大體可分為以下三類：（一） 被動靶向制劑被動靶向制劑(passive trarget-oriented preparations)是依據機體不同生理學特性的器官（組織、細胞）對不同大小的微粒具有不同的阻留性，采用載體材料，將藥物包裹或嵌入其中制

12、成各種類型的可被不同器官（組織、細胞）阻留或攝取的膠體或混懸微粒制劑。這類給藥制劑經靜脈注射后，在體內的分布首先取決于微粒的粒徑大小。通常小于50 nm的納米囊與納米球則緩慢積集于骨髓；小于7 mm時一般被肝、脾中的巨噬細胞攝取，200400 nm的納米囊與納米球集中于肝后迅速被肝清除；大于7 mm的微粒通常被肺的最小毛細血管床以機械濾過的方式截留，被單核白細胞攝取進入肺組織或肺氣泡。除粒徑外，微粒表面性質對分布也起著重要作用。迄今，研究最多的被動靶向給藥制劑是脂質體、納米粒（球、囊）、類脂納米粒、納米乳、微球等。目前臨床試驗的一些抗癌藥及其載體見表1。表1 臨床試驗的部分抗癌藥被動靶向給藥制

13、劑及其載體 藥物載體靶部位 阿霉素脂質體肺癌及胰腺癌、乳腺癌、直腸癌或多發性骨髓瘤淀粉微球直腸和肝癌聚甲基丙烯酸酯納米球肝細胞瘤 卡莫司丁淀粉微球轉移肝癌 平陽霉素W/O乳劑乳腺癌、頸部水囊瘤脂質體大腦神經蝕質瘤 順鉑白蛋白微球肝肉瘤 氟尿嘧啶EC微囊上顎骨竇癌鱗狀癌淀粉微球肝癌 氟尿苷淀粉微球直腸癌、肝癌 絲裂毒素C淀粉微球直腸癌、肝癌EC微囊乳腺癌、宮頸癌、胃癌、肝癌、前列腺癌、腎癌、膀胱癌白蛋白微球肝癌米托蒽醌聚氰基丙烯酸正丁酯肝癌（二）主動靶向制劑 主動靶向制劑 (active target-oriented preparations)是用修飾藥物的載體作為“導彈”，將藥物定向地運送到

14、靶區濃集發揮藥效。這種載體可以是受體的配體、單克隆抗體、對體內某些化學物質敏感的高分子物質等。粒徑小于4 mm的被動靶向載藥微粒表面經用受體的配體、單克隆抗體或其他化學物質修飾后，能避免巨噬細胞的攝取而到達特定的靶部位；將藥物修飾成藥理惰性的前體藥物，也能在體內特定靶區激活發揮作用。（三）物理化學靶向制劑 物理化學靶向制劑(physical and chemical target-oriented preparations)是用某些物理化學方法使TODDS將藥物傳輸到特定部位發揮藥效。如應用磁性材料與藥物制成磁導向給藥制劑，在足夠強的外磁場引導下，通過血管到達并定位于特定靶區；或使用對溫度敏感

15、的載體制成熱敏感給藥制劑，在熱療機的局部作用下，使熱敏感給藥系統在靶區釋藥；也可利用對pH敏感的載體制備pH敏感給藥制劑，使藥物在pH特定的靶區內釋藥。用栓塞給藥系統阻斷靶區的血供與營養，起到栓塞和靶向化療的雙重作用。二、腫瘤靶向給藥的策略（一）利用或逃避網狀內皮系統( RES) 攝取的被動靶向腫瘤載藥粒子進入循環系統后,根據其粒徑和表面特征的不同,或者被網狀內皮系統(RES) 如肝的枯否(Kupffer) 細胞、脾的吞噬細胞等攝取,被動地蓄積在RES 分布集中的肝、脾、淋巴等部位,或者逃避其攝取而靶向其他組織和器官。一般認為,粒徑小于5m 的微粒進入血液循環后,會被RES 攝取而積集于肝、脾

16、等器官中;粒徑小于50 nm 時,能穿過肝臟內皮或淋巴傳遞到達骨髓。粒子的表面特征不同,被肝脾和其他器官中的RES攝取的機會也不一樣。具有疏水性表面的顆粒易優先被肝臟攝取,其次是脾和肺。而親水性的納米粒不易被肝和脾攝取,是一種長循環的給藥系統。許多研究證實,長循環納米粒一般要求直徑在100 nm 或更小,同時應具有親水的表面以免被RES 清除。通過接枝或嵌段共聚物的親水區和疏水區形成的核-殼型膠束納米粒,具有以上2個重要的特征,因而能達到能夠避開RES 的攝取而在血液中長循環,最終被動靶向腫瘤部位。（二）通過EPR效應靶向腫瘤腫瘤組織由于快速生長的需求,血管生成很快,導致新生血管外膜細胞缺乏、

17、基底膜變形,因而納米級的嵌段共聚物膠束能穿透腫瘤的毛細血管壁的“縫隙”進入腫瘤組織,而腫瘤組織的淋巴系統回流不完善,造成粒子在腫瘤部位蓄積,這就是所謂的EPR 效應(EPR effect) ,在實體瘤中是一種非常典型的現象。這種策略屬于被動靶向的一種,在當前的靶向制劑研究中有比較廣泛的的應用。理論上認為,載藥微粒在腫瘤組織中的分布主要取決于微粒在血液中的循環時間,因此長循環的微粒能夠更好的利用EPR 效應,增加在腫瘤組織的蓄積,但有時并不盡然。這是因為這種EPR 效應在不同的腫瘤組織中存在差異,因此單純用這種策略的臨床效果并不是很理想,若能再結合腫瘤特異性靶向策略,藥物靶向腫瘤的能力則更強。（

18、三）腫瘤特異性靶向這種靶向策略主要是利用了腫瘤細胞和正常細胞的差異性,如惡性腫瘤細胞呈現出失控性增殖、對負性生長調控不敏感、血管生成、組織侵襲和轉移、凋亡逃逸等生理特征。腫瘤的主動靶向主要就是針對腫瘤細胞表面特異的分子標記和腫瘤組織部位的微環境,來實現藥物特異性傳遞的。目前,主要有以下幾種途徑實現腫瘤的特異性靶向。1利用單克隆抗體靶向腫瘤表面抗原作為理想靶點的腫瘤抗原只應存在于腫瘤細胞表面而不表達在正常的宿主細胞上,而且應該是腫瘤細胞生存或行使功能所必需的,且不易產生突變。迄今,FDA 已批準了若干靶向腫瘤的抗體。抗體除了本身作為靶向治療藥物外,還可以作為抗腫瘤藥物的靶向給藥系統,或耦合在給藥

19、載體上,或與藥物形成復合物,將抗腫瘤藥物傳送到腫瘤細胞,再通過內吞等方式進入腫瘤細胞,能大大增強療效,同時減輕細胞毒抗腫瘤藥物的不良反應。抗體介導的腫瘤靶向是一種更具有特異性的靶向策略,雖然一種單抗并不能對所有腫瘤類型具有特異性,但也有一些單抗能識別大部分腫瘤組織,如單抗2C5 。許多專家認為,抗體介導的腫瘤靶向療法在不久的將來一定會為腫瘤的治療帶來新的希望 。2受體介導的靶向在腫瘤細胞或腫瘤相關血管表面的受體與腫瘤生長增殖密切相關,并在一些腫瘤組織過度表達,它們與特異性抗體或配體結合可誘導細胞內化。這種特異性的受體為腫瘤靶向治療提供了靶點。傳統的化療藥物與腫瘤特異性配體或抗體結合,可增強藥物

20、的腫瘤選擇性并減少藥物的不良反應。目前,藥物腫瘤靶向研究中常用的受體有轉鐵蛋白受體、細胞因子受體、葉酸受體、低密度脂蛋白受體、激素受體等8 ;通過在給藥載體上偶聯相應的配體或直接將配體與藥物耦合,配體與受體結合后誘導細胞內化進入腫瘤細胞,從而將藥物靶向輸送到腫瘤組織。3腫瘤激活的原藥這種靶向方法是將藥物通過酸或酶易裂解的接頭連接在一種對腫瘤組織有特異性的分子上,形成的復合物是沒有活性的。只要當復合物到達腫瘤部位,腫瘤特異性分子才能從復合物中裂解出來,釋放出有活性的藥物,造成了腫瘤組織局部活性藥物濃度很高,從而達到殺滅腫瘤細胞的目的。此給藥系統理論上依賴無活性的復合物與腫瘤微環境和細胞表面相互作

21、用,如腫瘤分泌的特異性的酶或比正常組織偏酸性的環境等。4通過腫瘤血管系統靶向腫瘤血管生成是實體瘤生長過程中的限速步驟,血管生成時會表達一些在正常狀態下不表達或微量表達的分子標志物,如v3 ,v5 整合素、血管內皮細胞生長因子受體(VEGFR) 、基質金屬蛋白酶(MMP)等。VEGFR 和整合素不僅是血管發生的標志物,而且還在血管發生中起著重要的作用。因此通過配基靶向這些標志分子,則能實現腫瘤疾病的靶向治療。（1）通過血管生成機制靶向腫瘤腫瘤血管生成涉及到許多血管生成刺激因子和抑制因子相互作用的平衡,是一種非常復雜的過程。這些刺激分子包括:血管內皮生長因子(VEGF) 、堿性成纖維細胞生長因子(

22、bFGF) 、血小板源性生長因子(PDGF) 和基質金屬蛋白酶(MMP) 等; 而抑制因子有: 干擾素( INF,) 、凝血栓蛋白(thrombospondin21 ,2) 、MMP抑制劑、內抑素(endostatin) 和angiostatin 等。因為有如此眾多的分子參與了血管的形成,因此針對腫瘤血管生成的腫瘤靶向治療將存在許多潛在的作用靶點。這些策略包括,在腫瘤部位限制血管內皮細胞增殖和移動、增加血管生成抑制因子的表達、降低血管生成刺激因子的水平等措施。研究表明,一些腫瘤血管生成時,整合素v3在的新生血管內皮細胞上高表達,因此高表達的v3 可以作為藥物靶向腫瘤的靶點。最近,有研究者將脂質

23、陽離子納米粒的脂質分子上連接上一可以識別v3 的靶向頭基,發現載有突變Raf 基因的納米粒可以阻斷內皮細胞的信號傳導,從而阻斷了多種生長因子的血管生成刺激作用 。（2）通過腫瘤血管特異的分子標記靶向腫瘤基于血管內皮存在分子的異質性,即不同組織或器官的血管壁上存在著不同的分子標志物與蛋白,Pasqualini 等用體內噬菌體展示技術篩選靶向腫瘤血管的配基小分子多肽,獲得了與腫瘤血管特異結合的小肽,這些多肽小分子通過識別腫瘤組織血管內皮細胞上的受體而靶向腫瘤組織。將這些小肽與給藥載體或者直接與藥物連接,也可以將化療藥物靶向遞送到腫瘤組織。Arap 等用腫瘤血管導向肽NGR 和RGD4C與阿霉素結合

24、,在小鼠的腫瘤模型中提高了治療效果。隨后的實驗中他們用相同的導向肽與前凋亡小肽結合在一起,這種雙功能復合體可以有效內化并通過破壞細胞的線粒體膜誘導血管內皮細胞的凋亡,將此復合肽注入小鼠血管則抑制了體內腫瘤的生長和轉移。最近的試驗表明NGR 與腫瘤壞死因子(TNF) 的結合明顯提高了TNF介導的腫瘤的消退。這些結果說明,利用腫瘤血管表達的特異性受體來發展靶向治療的策略是可行的。（四）其他靶向策略除以上所提及的若干被動靶向和主動的方法外,還有一些其他策略,如通過物理化學方式介導的腫瘤靶向。這種靶向策略主要包括3種類型,即磁性制劑的腫瘤靶向、栓塞靶向制劑、熱敏介導的靶向等。另外,還有環境響應性的靶向

25、策略,如pH 值敏感靶向膠束給藥系統等。基于在靶區的反常pH值或溫度的物理靶向。如在腫瘤或發炎組織。在發炎區域伴隨有酸中毒和過高熱,這使得利用某些在較低pH 值或較高溫度刺激響應的藥物載體分解,釋放藥物成為可能。目前pH依賴型釋藥系統主要通過用pH 敏感材料進行包衣的方法來實現,不同的pH 敏感材料,其溶解度、衣膜厚度不同。Khan等把一定比例德國Rohm 公司生產的產品Eudragit S 和Eudragit L 制成共聚物,作為包衣材料,通過一定厚度衣膜的控制,達到了結腸靶向的目的。Weinstein等證實,將抗癌藥物甲氨碟呤熱敏脂質體通過靜脈注射注入移植腫瘤的大鼠靜脈內,其藥物在腫瘤的聚

26、集速度是正常組織的幾倍,特別在腫瘤區域外部加熱,其藥物濃度將更高。在體外磁場作用下的磁性靶向給藥。它是由藥物、磁鐵粒子及骨架材料組成。該藥物可在外磁場引導下通過靜脈,動脈導管,經口服給藥或直接注射等途徑選擇性地到達并定位于腫瘤靶區。Widder等人較早提出磁控靶向藥物傳遞系統的概念,并率先開展了載藥磁微球的制備和基礎研究。結果表明,在足夠強的體外磁場引導下,磁微球通過血管時可避免網狀內皮系統的快速清除,選擇性地到達并定位于腫瘤靶區,使藥物在腫瘤組織的細胞或亞細胞水平上發揮藥效,而對正常組織無太大影響。具有高效、低毒、高滯留性的特點。總之，靶向抗腫瘤藥物的研究和發展很大程度上取決于相關研究領域的

27、進展,如生物化學、免疫學、細胞及分子生物學、藥動學、藥理學及材料學。在今后,靶向治療將成為腫瘤治療的主流。為使其廣泛應用于臨床,還有以下問題有待解決:1) 載體的篩選,以獲得合適的釋藥速度和良好的緩釋功能;2) 提高載體的載藥量,減少在循環的降解,減少對正常組織的毒副作用;3) 改善載體的表面性質,增強其主動靶向性,以減少網狀內皮細胞對它的吞噬;4) 探尋靶向藥物在體內的藥物動力學規律;5) 找出血液變學指標及其它體內因素對微球定位、降解與緩釋的影響途徑;6) 合適的用藥途徑,以發揮最佳的靶向效果;7) 對腫瘤的發病機理及腫瘤部位特殊的生理生化變化仍需更透徹的了解。若以上問題得以解決,靶向藥物

28、用于人類腫瘤治療則將更邁進一步。第四節 陽離子聚合物在基因載體系統中的應用目前,應用于基因治療的載體主要有病毒載體和非病毒載體兩種。病毒載體轉染效率高,但存在免疫原性高、毒性大、目的基因容量小、靶向特異性差、制備較復雜及費用較高等缺點,因此人們愈來愈重視非病毒載體的研究。非病毒載體安全性好,但存在轉染、整合效率低等缺點。常用的非病毒載體包括裸DNA(naked DNA)、脂質體載體及陽離子多聚物載體等。與脂質體及其它非病毒載體相比,陽離子多聚物載體比較穩定,結構靈活,易調整其分子量、聚合物合成、多聚物形狀(線形、星形、無規網狀、嵌段、接枝等) ,可以通過引入側鏈和特異靶向性基團來修飾多聚物骨架

29、,進而調整和改善載體的性能,因此陽離子多聚物載體具有較大的發展空間,引起材料學家的廣泛關注,成為研究的熱點。根據多聚物的生物特性,可將陽離子多聚物基因載體分成人工合成型和生物型。常見的人工合成型陽離子多聚物型載體有多聚左旋賴氨酸poly(L-lysine), PLL, 多聚乙烯亞胺(polyethylenimine , PEI) 和星狀樹突體 Polyamidoamine (PAMAM) dendrimers 等;天然生物型陽離子多聚物基因載體主要有殼聚糖及其衍生物和明膠等。一、納米陽離子多聚物基因載體系統陽離子聚合物結構上的一個共同特點是分子內含有許多氨基,在生理pH 下會發生質子化,這些質

30、子化的氨基可以與DNA 的磷酸基團的負電荷之間的靜電吸附作用而發生電性中和,使DNA 自組裝成穩定的多聚復合物(polyplexes) ,使DNA 分子由伸展結構壓縮為體積相對較小,不易被核酸酶降解的DNA 粒子,并可防止大的復合物在短時間內沉淀,進而提高轉染效率。此外,復合物大小約50500nm ,帶正電荷,可與細胞表面帶負電荷的受體結合,因此能有效被細胞內吞攝入介導基因轉移。然而陽離子多聚物PDNA 復合物納米微粒進入體內后,在達到靶細胞的過程中需要克服許多障礙,如調理素(血清抗體、補體) 、吞噬系統、胞外基質、降解酶等 。因此,對陽離子多聚物/DNA 復合物納米微粒表面要接上細胞表面特異

31、表達的受體來解決靶向性問題,使復合物能穿越重重障礙,安全無損到達靶細胞。運載系統到達靶細胞后,首先遇到的是胞膜,其親疏性、通透情況直接影響載體進入胞內。如果通過胞吞作用進入內吞小泡后,則會受到內吞小泡中酶的降解或進入溶酶體腔室中被降解,為促使DNA從內吞小泡和溶酶體中釋放,可加入溶酶體抑制劑如氯喹或利用非病毒本身的特點如采用有側鏈的陽離子多聚物如PEI 和星狀樹突體等來破壞內吞小泡膜以釋放其中的DNA ;也可以利用病毒或病毒蛋白、細菌蛋白、短肽等。DNA 轉運對于許多非病毒介導的轉染來說都是一個限速步驟,可以通過共價偶聯上靶向基因及富含賴氨酸和精氨酸的核定位信號(NLS) 序列,便于復合物進入

32、核中進行轉錄,從而提高轉染效率。Foster 等將人表皮生長因子(HER2) 抗體與多聚賴氨酸共價耦聯,然后用于熒蟲酶基因表達質粒(pRSVLuc) 非共價結合,發現其轉染效率提高了186 倍。Zenke 等利用轉移蛋白多聚賴氨酸結合外源質粒,通過轉鐵蛋白受體,成功將外源基因導入造血細胞。而對于聚陽離子載體的毒性機制目前主要有兩種代表性的觀點,其一認為毒性的產生主要是陽離子聚合物的正離子與細胞膜的相互作用而對細胞產生損傷或引起細胞的凝聚,另外一種則認為陽離子聚合物進入細胞后激活細胞內信號轉導系統導致的。Fischer 等對聚合物進行了體外細胞毒性試驗,發現陽離子聚合物載體的毒性具有結構依賴性,

33、與陽離子聚合物的分子量、電荷密度、空間構型以及陽離子聚合物DNA 復合物的表面電位等因素有關。對于結構相似的陽離子聚合物,分子量和載體表面電荷的密度是影響載體毒性的關鍵因素,分子量越高,載體表面的電荷密度越大,載體的毒性越大;對于結構不同的聚合物,影響載體毒性的因素較復雜。Fischer 在測試了常見的幾種陽離子聚合物載體的毒性后,發現聚乙烯亞胺和聚賴氨酸的毒性最大,而聚酰胺胺型樹狀物載體的毒性較小。 Gebhart 亦通過轉染一組細胞比較了常見的陽離子聚合物,和脂質體的毒性,在研究中發現大部分陽離子聚合物載體的毒性比陽離子脂質體的毒性小。且陽離子聚合物的結構特點使其易于通過修飾降低毒性。二、

34、合成型納米陽離子多聚物基因載體系統合成型陽離子多聚物基因載體主要分為多肽類和多聚季銨鹽類,常用的載體有:多聚左旋賴氨酸(PLL), 多聚乙烯亞胺(PEI) 和星狀樹突體(PAMAM) 等。（一）PEI介導的納米基因載體系統PEI 是近年來研究最為廣泛的陽離子多聚物非病毒基因載體。PEI 有兩種形式:線性和支鏈。支鏈型的PEI 是一種高度分枝的聚合物,具有強大的緩沖能力,能抑制晚期內吞小泡的酸化并因而導致腫脹引起內吞小泡膜的破裂釋放其中的載體DNA。 PEI與DNA 通過靜電作用形成復合物,并且新形成的復合物表面電荷與PEI 的相比顯著降低,有利于與細胞膜的融合,并降低載體的毒性。其PEI 縮合

35、DNA 的能力取決于二者量的比例(N: P) ,縮合后形成的復合物粒徑一般在2040nm ,個別大粒子達到240nm。納米級的粒徑有助于實現載體的靶向性和穿入細胞的有效性。 目前發現影響復合物轉染效率的主要因素有PEI的氨基與DNA 的磷酸基的比例(N/P) 、PEI的分子相對質量、PEI的支化度、復合物的粒徑及表面電荷密度等。Boussif 等的研究表明支化PEI 的轉染效率在N/P 為913.5 時達到最大。這可能是由于復合物中大量的氨基增強了復合物的緩沖能力,使之更有效地從內吞小泡中釋放而到達核內進行轉錄表達。Godbey 等研究發現隨著PEI 分子相對質量的增加,DNA 的轉染效率增加

36、,但細胞毒性也增大。Ogris 等報道粒徑較小(40nm) 的轉運鐵蛋白-PEI/DNA復合物與粒徑較大(>100nm) 的復合物相比,轉染效率低,這可能是較小的粒徑有利于復合物的降解。另外,使PEI 與靶向性配體連結有利于提高DNA 的轉染效率,乳糖化多聚乙烯亞胺(L-PEI) 能將DNA 選擇性的投放干細胞,具有靶向性,對受體陽性的Huh7 細胞具有較高的轉染效率。（二）PLL介導的基因納米控制系統PLL 是一種簡單的合成型多聚物。由于帶有氨基基團,可以使分子鏈帶正電荷,而與表面帶負電荷的DNA 通過靜電吸附作用形成納米微粒。研究表明影響復合物穩定性和尺寸的因素主要有溶液的pH、N/

37、P、PLL 的尺寸、PLL 的改性程度等。在N/P 小于0.8 時,PLL 與DNA 的鍵合作用依賴于pH ,但N/P 較大時,二者的作用與pH 無關。PLL 的分子相對質量是影響PLL 與DNA 相互作用的重要因素,在較小的N/P 下,分子相對質量越高的PLL與DNA 結合越完全, 當N/P = 12 時,復合物的尺寸和尺寸分布隨著PLL相對分子質量的增大而增大。由于外源基因進入核內所需要的核定信號序列中含有較多的堿性氨基酸,因此多聚賴氨酸可能參與核定位過程,而使PLL-DNA 復合物的轉染效率比其它陽離子多聚物基因復合物的高。然而由于PLL 較低的轉染效率和較高的細胞毒性,需要對PLL 進

38、行改性,使其成為親水性、生物相容性并具有靶向性的高分子材料來提高它的轉染效率,降低毒性,如將PLL 與親水性的聚合物嵌段PEG、右旋糖苷PEG、右旋糖苷pHPMA 接枝 。因此可以通過改變聚合物的物理化學及生物性能來調節其作為基因載體的轉運性能。靶向化PLL 可以將其乳糖化,如在研究中發現脂質體或乳糖化多聚賴氨酸包埋的重組表達質粒經腹腔途徑導入人體內后,均以肝臟為主要分布器官,而糖化多聚賴氨基酸的肝臟靶向導入作用優于脂質體。也可以將完整的EGF或合成的EGFC環肽段與對DNA有結合力的多聚賴氨酸極性化學偶聯來作為DNA轉移載體,起到靶向性作用。（三）PAMAM樹狀大分子介導的基因納米控釋系統

39、PAMAM樹狀大分子是一類新型納米級的合成高分子,它們高度枝化的結構和獨特的單分散特性為這類化合物帶來一系列不同尋常的性質和行為。其納米超微小體積,可以攜帶藥物、基因等通過任何毛細血管,到達靶部位并進入組織間隙,被細胞吸收,因此是一種理想的導向載體。 一般說來,樹枝鏈大分子作為藥物載體的載藥方式有以下兩種: (1) 藥物分子可以被物理捕捉到樹枝鏈大分子的內部;(2) 藥物分子可以通過共價鍵結合到樹枝鏈大分子的表面或者其他部位的功能基上形成樹枝鏈大分子-藥物結合體。1物理捕捉法適當設計的樹枝鏈大分子的內部“空腔”可以被用來誘捕藥物分子從而實現可控釋放的可能性。研究表明樹枝鏈大分子的內部具有捕捉小

40、分子的能力。例如樹枝鏈大分子中可以利用樹枝鏈大分子與分子之間的各種非共價鍵化學相互作用(例如氫鍵的作用) 進行物理捕捉。Frechet等制備出了具有疏水的內核和連有親水基團外殼的樹枝鏈大分子,這種樹枝鏈大分子具有單分子膠束的性質,可以使多種疏水的小分子化合物溶于水溶液中。樹枝形單分子膠束為設計新的藥物載體系統提供了機會,由于樹枝形單分子膠束所特有的內在穩定性和所具有的包裹小分子的能力,使其有望成為性能良好的新型藥物載體。2樹枝鏈大分子-藥物結合體制備樹枝鏈大分子-藥物結合體的最簡單的方法是將藥物分子直接連接到樹枝鏈大分子的“表面”。由于每個樹枝鏈大分子具有多個表面功能基團,因此每個樹枝鏈大分子

41、可以連接多個藥物分子。每個樹枝鏈大分子所連接的藥物分子的數量隨著樹狀分子代數的多少和連接條件的改變而改變。研究表明不同代數的樹枝鏈大分子在相同條件下對藥物的釋放能力不同。該復合物除可在體內或體外獲得高水平的DNA 轉染效率,還有一系列優良特性。首先, PAMAM/DNA 復合物具有很高的穩定性和溶解性。Delong 等研究發現PAMAM并不改變DNA 的結構,保證復合物結構的穩定性和DNA 的活性。另外復合物在水溶液中可穩定存在長達幾周時間,并且在較大的pH 值范圍內和不同的緩沖液條件下穩定存在,并不解離。只有采用離子清潔劑SDS(十二烷基硫酸鈉) 時才能解離DNA-樹狀大分子復合物。DNA-

42、樹狀大分子復合物對限制性內切酶也很穩定,這就使得DNA 在體內存活時間延長。與裸露的DNA 或現有的陽離子脂質體系統介導的轉染技術相比,核酸分子(反義寡核苷酸、反義cDNA 質粒與表達質粒等) 與PAMAM分子的復合物可在體外轉染大量不同類型的真核細胞,并具有普遍的高效性。其次,PAMAM樹狀大分子能緩沖內吞小泡中的pH值,而且熱處理使之活化后由于除去一些分枝而靈活多變,其轉染效率提高50倍左右。由于他們的分支中含有大量氨基,因此可共價偶聯一些配體并可迅速內吞。最后,對真核細胞轉染效率的大小與復合物分子的大小、形狀、表面電荷密度、pKa (樹狀大分子的酸性解離常數) 及PAMAM與DNA 分子

43、的電荷比等因素有關。因此,在合成PAMAM時我們可以通過控制內核分子、代數和活化時間來調整和控制其轉移基因的特性,增強DNA 的轉染效率。除了上述三類經典的合成多聚陽離子載體外,近年來也報道了很多用于基因載體的新載體材料,同樣取得了很好的轉染效果。如lim 等報道人工合成的聚2-(4-氨基丁基-L-乙醇酸) (PAGA) 與DNA 以電荷比為11 的組成,能形成自組裝生物可降解的復合物,PAGA 體內降解最終產物為L-氧化賴氨酸,它的轉染效率約為PLL/DNA 復合物的2 倍多。Wen等報道用生物可降解兩親聚磷酸酯Poly(PhosPhoester) 為主鏈,膽固醇為支鏈陽離子聚合物PCEP

44、與掛有紅色熒光蛋白(red fluorescont protein ,RFP)形成大小為100 - 120nm , Zeta 電位為2030mV 的納米粒PCEP/ pRFP 作為基因給藥系統。在體外,Caco-2細胞實驗中,呈現很高的細胞轉染率。用口服管飼法(oral gavage) 觀察到大鼠小腸中有很高的RFP 表達。Fonseca 等報道用聚2-(二甲基氨基)-乙基丙烯酸甲酯 (PDMAEMA) 陽離子為載體進行-葡糖醛酸酶基因治療,發現該載體有壓縮(condense) pDNA 作用,在0VCAR-3 細胞上呈現有效轉染作用,比商品陽離子脂質(HPofectamine) 轉染率高30 %。三、納米天然生物高聚物基因載體系統生物高聚物如明膠和殼聚糖也屬于陽離子復合物,是生物可降解材料,廣泛用作緩釋材料,能與DNA形成大小為200700nm 的微球體。（一）殼聚糖介導的基因納米控釋系統殼聚糖是一種無毒、無副作用的物質,具有生物粘附性、生物相容性和可降解性。目前,可以利用硫酸鈉鹽誘導的共沉淀法制備殼聚糖與DNA 復合物的納米微粒