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1、精选优质文档-倾情为你奉上纳米药物体内输送过程及障碍1 纳米药物体内输送过程为实现肿瘤的精确靶向，NDS需要历经以下5个过程（图 1-3），简称CAPIR：静脉注射进入血液循环（Circulation），通过EPR效应蓄积于肿瘤组织（Accumulation），渗透进入肿瘤组织内部（Penetration），被肿瘤细胞摄取内化（Internalization）以及在细胞内释放包载的药物（Release）。由于这5个过程是连贯性的，所以NDS在任何一个过程出现短板都可能导致最终药效的下降。 NDS获得精确靶向面临的最大挑战来源于CAPIR各个过程对纳米粒子物理化学性质，包括粒径、表面电荷、表面修
2、饰、药物释放特征等，具有不同的需求，彼此存在矛盾之处。例如，粒径位于100纳米左右的NPs具有较好的EPR效应，可大量富集于肿瘤组织，但难以渗透至肿瘤内部；更小粒径（20nm）的NPs肿瘤组织渗透性好，但循环时间短，易于被体内清除，导致EPR效应差。负电荷且修饰PEG的NPs具有更好的循环稳定性，但不易于被细胞摄取；正电荷无PEG修饰的NPs易于摄取，但也易于被清除。到达肿瘤组织前，NPs应具备良好的缓释效果，减少药物释放；但进入肿瘤细胞后，NPs需要迅速而彻底地释放所包载的药物。为解决上述矛盾，近年来研究者设计了一系列物理化学性质可变的微环境响应型NDS。 图 1-3 NDS 体内递送CAP
3、IR过程及每个阶段对NDS性质的要求纳米药物作为一种外源性物质，在体内运输的不同阶段会遇到各种不同的生物屏障及陷阱。纳米药物经静脉注射进入血液后，血浆中的各种蛋白都会吸附到纳米药物表面对其进行标记，从而通过调理作用，被网状内皮系统(RES)和单核巨噬细胞系统(MPS)识别并快速从血液中清除。大量研究表明，表面PEG化、合适的纳米尺寸以及中性偏弱负电性将有助于纳米药物在血液中“隐身”，延长其在血液中的循环时间，为纳米药物通过EPR效应在肿瘤富集提供了可能。纳米药物经EPR效应在肿瘤组织富集之后，肿瘤组织独特的生理病理学特征和纳米药物自身尺寸因素使得其在肿瘤组织的渗透和扩散变得尤其困难，较小的尺寸
4、、微弱的正电荷，以及修饰可高效渗透肿瘤的多肽可增加纳米药物在肿瘤组织的渗透。纳米药物进入细胞大部分要通过细胞的内化作用，而细胞膜是阻止纳米药物进入细胞的天然屏障，正电荷或者具有靶向细胞表面配体的纳米药物表面特性可大大加快细胞对纳米药物的内吞速率。但纳米药物通过内吞作用进入细胞之后，必须能够避开内涵体/溶酶体或者有效从溶酶体中逃逸，以避免药物被溶酶体降解失活或者被外排出细胞外。最后，纳米药物进入细胞之后，所携带的药物要以原药或者活性成分的形式释放出来，释放的快慢和效率对于最后整个纳米药物体系的输送效率的作用也尤为关键。可见，纳米药物输送过程中，应对所遭遇的不同生物屏障所需求的载体性质是不同的，有
5、些甚至是相互矛盾的。比如，表面PEG化能遮蔽MPS系统和RES系统对纳米药物体系的识别，从而延长其在血液中的循环时间(C)，增加了其肿瘤组织的蓄积(R)，但却不利于纳米药物在组织的渗透(P)、细胞内化(I)以及溶酶体逃逸(R)。表面带正电荷可促进细胞对纳米药物体系的整合内吞，促进纳米药物在肿瘤组织的渗透，但在血液循环过程中却很容易被网状内皮系统识别，加速清除速率，同时降低了其在肿瘤组织的聚集。此外，较大的尺寸(100 rim)能使纳米药物在血液中具有较长循环时间，但却不利于组织渗透，较小的尺寸(20 nm)能在肿瘤组织高效渗透，但在血液中却会被快速清除。针对这一困境，申有青教授提出了针对药物输
6、送的“2R2SP理论(图1.2)，为了克服血液、肿瘤、细胞等多重生物屏障，高效输送纳米药物到肿瘤部位，纳米载药体系需要具备以下3个特征：递药、表面活性和组织渗透。递药是指所携带的药物在CAPI过程中不会从纳米制剂中泄露，而进入肿瘤细胞后又能够快速释放(drug Retention vs Release，2R)，表面活性是指纳米颗粒在血液循环过程中能避免网状内皮系统吞噬，在肿瘤组织富集后，能与肿瘤细胞表面靶点相互作用，快速进入细胞(surface Stealthy VS Sticky，2S)；最后，纳米药物要能够扩散到肿瘤组织内部(tumor penetration，P)，也即2R2SP。因此为
7、了获得较高的药物输送效率，需要设计更加动态的策略来调控纳米药物的性质。在药物输送的各个阶段，纳米药物性质针对相应生物屏障做出相应调整,也即“3S”转变(图1.2)：1)稳定性。在CAPI过程中稳定存在，到R过程以不稳定的形式将药物快速释放；2)表面性质。在CAP过程中呈中性、聚乙二醇化、隐藏功能基团，到I过程转变为阳离子、去乙二醇化、暴露功能基团以利于纳米颗粒内吞；3)粒径：在CA过程粒径相对较大，到P过程变小以利于2 纳米药物输送瓶颈国内外学者在长循环(C)、肿瘤富集(A)、提高细胞内吞(I)、与胞内释放(R)等方面做了大量工作，但纳米药物在肿瘤组织内的渗透(P)仍是纳米药物输送的瓶颈所在。
8、目前临床使用纳米药物难以在肿瘤组织内渗透(P)、不能到达远离血管特别是乏氧区内的肿瘤细胞完成入胞(I)和胞内释放（R），导致疗效不理想，这也是众多新开发的纳米药物临床实验失败的重要原因。例如，纳米药物盐酸阿霉素脂质体DOXIL能在血液中稳定循环数日，且在肿瘤部位富集了明显高于注射小分子阿霉素对照的药物浓度，但最终的治疗效果却和小分子阿霉素相仿，未能显著改善药物的疗效。研究表明，大量的DOXIL只是富集在肿瘤血管周围，没有进一步渗透扩散到远离血管的肿瘤细胞附近，因而不能完成随后的入胞和细胞内药物释放这两步。此外，PEG修饰的喜树碱治疗局部晚期和转移性胃癌和胃食管交界处腺癌进入临床试验二期，但是发
9、现它也存在类似的缺点：一是它们在肿瘤中的扩散能力很弱，因此在肿瘤内富集后它们只能停留在肿瘤毛细血管周围而不能扩散到达肿瘤组织深处，无法将药物递送到远离血管的肿瘤细胞；二是载体与肿瘤细胞的作用很弱，导致细胞不能有效内吞这些载药系统，细胞内药物浓度太低，从而大大限制了药物发挥药效。因此提高纳米药物在肿瘤组织中的渗透能力(P)，从而使其更好地完成整个CAPIR五步输送过程，是提高纳米药物抗肿瘤疗效的关键。3 纳米载药体内输送多重障碍尽管纳米药物经过十几年的发展，己取得了长足进步并且已经有数种基于纳米载体输运体系的纳米药物进入临床治疗，但是纳米药物至今仍无法撼动传统化疗药物在临床使用中的重要地位。目前
10、已经用于临床使用的纳米药物大多的设计和发展都是从对现有药物进行“减毒增效”出发，利用纳米药物在肿瘤部位EPR效应实现肿瘤被动靶向，以富集更多药物在肿瘤组织，同时降低药物使用剂量，减轻药物毒副作用。但是大量的临床试验以及治疗结果表明，许多纳米药物的治疗效果相比于传统小分子药物化疗并未取得显著的增强，这也是导致许多纳米药物在临床试验中最终失败的原因。纳米载体最重要的任务就是如何将抗肿瘤药物尽可能多的从血液中输送到肿瘤细胞中。但是纳米药物作为一种外源性物质，从静脉注射到血液中，直至最后进入肿瘤细胞中必然会遭受包括免疫系统，肿瘤微环境等在内的多重生物屏障，阻碍纳米药物的体内递送，从而导致药效低下。纳米
11、药物进入体内后根据其阶段不同可分为以下主要生物屏障。3.1 血液屏障来自多伦多大学的研究者通过对过去近10年超过100篇纳米药物载体的研究论文分析发现，无论是否具有主动靶向能力的纳米药物，仅有不超过注射剂量1%的药物能够达到肿瘤组织，这意味着注射到体内超过99%的药物都被体内各种代谢作用所清除。纳米药物从静脉注射后最先进入的就是血液环境，也是进入生物体内后所面临的第一道生物屏障。首先，纳米药物作为一外源性物质进入血液后，血液中大量的蛋白会结合到纳米颗粒表面，而血液中大量存在的免疫细胞，如巨噬细胞、中性粒细胞等表面一些特异性的受体可以识别结合在纳米颗粒表面的蛋白，激活相关免疫细胞的吞噬功能，进而
12、通过受体介导的内吞作用吞噬纳米颗粒，最终将其从血液中清除。另外，在肝脏、脾脏以及骨髓中滞留有大量吞噬能力很强的细胞，如肝脏中Kupffer细胞、脾脏和骨髓中的巨噬细胞等构成的网状内皮系统(RES)能够快速清除血液中的外源性的纳米药物。而对于一些小分子外源性物质或者超小尺度的纳米颗粒(一般认为小于5nm)，则在血液循环过程中通过。肾脏中肾小球部位被快速过滤出血液，进而通过尿液排出体外。Figure12 Biodistribution and clearance of polymeric nanoparticles Tissue defects，stealth properties，targeti
13、ng，and the size of the nanoparticles are major factors affecting the biodistribution and clearance of polymeric nanoparticles因此，如何避免纳米药物在血液中被快速清除，进而通过EPR效应更多的在肿瘤组织中富集并减少药物在肝脾等脏器中的分布是纳米药物所需要具备的第一项能力。针对于这一科学问题，研究者们做了大量的工作，希望通过对纳米药物载体进行特定的改性以获得上述能力。通过将纳米药物表面修饰上PEG一种具有十分强亲水能力的聚合物，可以显著降低纳米药物与血清蛋白的结合作用，从而
14、减少体内单核巨噬细胞对纳米药物的摄取。Sadzuko等人的研究结果表明，将脂质体表面PEG化后，脂质体在网状内皮系统的中量能够减少3倍，而在血浆中的含量相比于未PEG化的脂质体则有6倍的提升，表明PEG化纳米药物对于延长血液循环，克服纳米药物血液屏障有着显著的作用。基于这一现象，研究者们也发展了多种表面PEG化的纳米药物并进入临床使用，比如PEG化脂质体包载阿霉素的DOXIL、聚乙二醇聚乳酸组装成纳米胶束包载紫杉醇的Genexo1-PM等均是将纳米药物表面PEG化的成功典范。另外纳米药物的尺寸、形貌、组分以及表面电势等都会一定程度上影响其在血液中的清除能力。比如Hunter等人通过研究具有不同
15、尺寸的脂质体在肝脏以及肿瘤中的分布发现，100-200nm的脂质体相比于50nm以下或者300nm以上的脂质体在肿瘤中的富集量多达4倍，50nm以下或者300nm以上的脂质体在肝脏中的含量占到总注射剂量的25%，而100nm的脂质体在肝脏中的含量仅占总注射量的10%。Discher等人发现相比于球形的纳米颗粒，蠕虫状的纳米颗粒能够更长时间的在血液中滞留，其血液半衰期长达5天，并且进一步的研究发现蠕虫状的纳米颗粒难以被巨噬细胞有效吞噬，从而获得了长的血液循环能力。Xiao等人发现具有较强正电性或负电性的纳米颗粒均能够大量的结合蛋白，并且被肝脏中Kupffer细胞快速清除；Levchenko等人研
16、究结果表明具有高的电荷的纳米颗粒在体内会被更快速的清除，表面电势约40mV的纳米颗粒在10 min之内已经有超过90%被清除，而相同条件下表面电势小于10mV的中性纳米颗粒在体内被清除的比例仅有10%。3.2 肿瘤屏障纳米载药系统逃过血液中蛋白及 RES 的调理作用后通过肿瘤部位的 EPR 效应（Enhanced Penetration and Retention，EPR）从具有一定内皮细胞缝隙的血管渗入肿瘤组织。EPR 效应的本质在于完整的内皮系统会因为肿瘤生长或炎性过程而破坏，造成2002000nm不同的间隙。同时随着肿瘤的发生发展，肿瘤部位的血管密度也会发生改变，因而不同种类及不同时期的
17、肿瘤对于纳米载药系统的EPR效应是不同的。然而肝静脉窦内皮也具有150nm左右的缝隙，脾脏则具有200250nm内皮细胞间隙，因此纳米载药系统也会深入到肝脾中 。纳米药物在血液循环中通过肿瘤组织中不完整的肿瘤血管壁溢出血管进入肿瘤组织中，从而实现纳米药物从血液到肿瘤的递送过程。要想实现药物的高效递送，纳米药物载体不仅仅要能够从血管中渗出，还需要扩散到整个肿瘤组织。然而，肿瘤组织独特的生理病理学特征却给纳米药物在肿瘤组织中的渗透和扩散制造了诸多障碍，限制其从血管溢出后进一步分布到整个肿瘤组织中构成了纳米药物输送过程中的肿瘤屏障。人体中由淋巴管构成的淋巴循环系统将组织产生的组织液排出以维持正常组织
18、的流体间隙平衡。而肿瘤细胞的快速生长，使肿瘤组织中淋巴管受压迫并产生萎缩和功能缺失，并且肿瘤细胞的高侵袭能力致使肿瘤内部淋巴管网络遭受破坏，最终导致肿瘤组织内部淋巴循环系统功能缺失。肿瘤组织中细胞产生的组织液无法有效通过淋巴循环系统排出，导致肿瘤组织产生高的间质压。正常组织中血管由于血流产生的剪切压力相比于组织中间质压力高1-3 mmHg，从而有利于血液中的氧气与养分向组织中的供应；而在肿瘤组织中，由于淋巴管功能的缺失导致肿瘤组织内部间质压力比血管中的压力更高，产生约-18-2 mmHg的逆向压力差，阻碍纳米药物从血管出来进一步向肿瘤组织中的扩散。Figure13 Forces that re
19、gulate transcapillary transport in tissuesThe figure shows the hydrostatic and colloid osmotic pressuresin capillaries(PcApand COPcAP，respectively)and the surrounding interstitium(PIF and COPIF，respectively)in normal tissues(a)and tumor tissues(b)组织细胞外基质(extracellular matrix，ECM)是机体为了维持组织稳态、器官发育等功能由
20、细胞合成并分泌到胞外，分布在细胞表面和细胞之间的生物大分子，主要是一些多糖、蛋白质和蛋白聚糖等。这些物质构成复杂的网架结构，支持并连接组织结构、调节组织的发生和细胞的生理活动。肿瘤组织中由于肿瘤细胞旺盛的代谢作用，在肿瘤细胞间隙产生大量的胶原蛋白、多糖和蛋白聚糖等，彼此相互交联，构成致密的三维网状结构。这给在肿瘤中以扩散作用为主要运输机制的纳米药物在肿瘤的渗透造成了极大的障碍。另外，肿瘤细胞间隙中物质的不均匀分布导致肿瘤组织局部位置出现油相、水相分离。油相部位富含胶原纤维，一方面显著抑制颗粒的扩散，另一方面可能破坏自组装颗粒的结构；水相部位胶原纤维含量较少，颗粒在其中扩散行为类似于水中。这种油
21、相、水相分离导致颗粒在肿瘤中的扩散形成双组分扩散行为，使得纳米颗粒在肿瘤中的扩散行为更加复杂化和极大影响颗粒在肿瘤中的分布。此外，肿瘤血管中虽然血管内皮细胞间隙较大，但血管外围还覆盖一层周皮细胞，以及会聚集大量的肿瘤细胞，形成紧密的包裹层，也导致纳米颗粒从血管向肿瘤组织内部扩散的难度增加。Figure1.4 The illustration of the structure of extracellular matrix(ECM)如何增强纳米药物在从肿瘤血管中溢出后进一步渗透到整个肿瘤组织中的效率，是提高纳米药物抗肿瘤效果的另一十分关键的步骤，也直接影响到纳米药物最终的肿瘤治疗疗效。针对于这一
22、重要问题，研究者们进行了大量的探索工作，以期望减少纳米药物在肿瘤组织中渗透的阻力或增加纳米药物本身在肿瘤组织中的渗透能力。在肿瘤组织中，促血管生成因子的表达远远高于血管生成抑制因子，因此导致肿瘤组织中血管无序盲目增殖，形成微血管密集、形态迂曲，多处呈现为囊状，膨胀等状态的生理结构。Jain等人提出合理使用抗血管生成类药物，如单克隆抗体、多肽和激酶抑制等联合化疗药物，在一定的时间窗口内使血管恢复正常化，同时可以降低肿瘤间质压力，恢复正常的从血管到组织的流体压力差以实现增强药物在肿瘤中的渗透能力。Jain等人用血管生成因子受体2(VEGFR-2)特异性抗体DCl01抑制荷有乳腺癌和结肠癌小鼠肿瘤中
23、血管的生成，发现在处理后的第三天，肿瘤组织中血管密度和直径都发生了明显降低，同时血管分布变得更加均匀，整体形态上也恢复到正常血管的状态。肿瘤组织中的间质压力发生了明显的降低，仅为对照组的50%；同时血管中的流体压力却未发生改变。在血管正常化的时间窗口期内，肿瘤组织中间质液的对流速率会明显增高，这使得纳米药物可以更多的通过对流这一途径进入肿瘤组织中，增加药物在肿瘤组织的扩散能力。Figure14 Proposed role of vessel normalization in the response of tumors to antiangiogenic therapyA：tumor vasc
24、ulature is structurally and functionally abnormal.B：dynamics of vascular normalization induced by VEGFR2 blockadeSubsequent images show human colon carcinoma vasculature in mice atDay 0 and day 3 after administration of VEGR2一specific antibodyC： diagram depicting the concomitant changes in pericyte(
25、red)and basement membrane(blue) coverage during vascular normalizationD：these phenotypic changes in the vasculature may reflect changes in the balance of pro-and antiangiogenic signaling in the tissue肿瘤组织中致密的三维网络状间质也是阻碍纳米药物肿瘤扩散的一大重要障碍，Jain等人发现通过在肿瘤原位注射一种非肽类血管紧张素II受体拮抗剂洛沙坦，可以有效抑制乳腺癌相关成纤维细胞产生I型胶原，从而降低
26、肿瘤组织中I型胶原蛋白的含量，破坏肿瘤组织所形成的致密的间质。研究发现经过洛沙坦处理后，肿瘤组织中基质的密度显著降低，同时所采用的纳米药物DOXIL在肿瘤中的扩散能力得到了大大的增强，表明通过降低肿瘤间质密度同样能够增加纳米药物在肿瘤中的渗透能力。此外，Kataoka等通过低剂量使用转化生长因子DI型受体(TBR-1)的小分子抑制剂抑制TBR-1的表达，在不改变肿瘤组织中TGF-号传导，也不改变肿瘤组织中纤维化的程度的前提下，通过降低覆盖在肿瘤血管内皮细胞上的周皮细胞比例，从而使纳米药物穿透出血管后能够更好的穿透肿瘤周皮细胞层，从而向肿瘤组织更深处扩散。此外，纳米载体本身的特性也会影响颗粒在肿
27、瘤中的渗透能力。由于纳米药物在肿瘤中的渗透主要依赖于自由扩散作用，根据Einstein-Brown方程，纳米粒子的扩散系数与尺寸成反比。因此小尺寸的颗粒在扩散能力远强于大尺寸纳米颗粒。Kataoka等通过研究尺寸在100nm以内纳米颗粒在胰腺癌中的渗透能力发现，相对较小的30nm颗粒在肿瘤组织中能够很好地穿透血管后进一步往更远离血管部位渗透，而较大的70nm颗粒则大多滞留在肿瘤血管周围部位，难以有效渗透。3.3 细胞屏障化疗药物最终发挥药效的部位往往是肿瘤细胞内部，因此如何让纳米药物从肿瘤组织中有效进入肿瘤细胞内部发挥杀伤作用是纳米药物输送极其重要的一个过程。纳米药物进入肿瘤细胞大多依靠细胞的
28、内化作用。纳米药物与肿瘤细胞膜接触，激活细胞内吞作用，通过细胞膜的变形运动将纳米药物转运进入细胞内部。通过内吞作用摄取的纳米药物会进入到酸性的内涵体或溶酶体中，这些内涵体/溶酶体中含有大量的水解酶，包括蛋白酶、核酸酶、脂酶、磷酸酶、硫酸酯酶、磷脂酶类等。在内涵体/溶酶体的酸性环境下，这些酶的水解活性大大增强，从而将进入内涵体/溶酶体中的物质降解后通过细胞的外排作用排出。因此通过内吞作用进入细胞的纳米药物必须要能够有效从内涵体/溶酶体中逃逸，以避免其中药物活性成分被降解从而丧失功能，特别是核酸类药物。Figure1.5 Pathways of entry into cellsLarge part
29、icles can be taken up by phagocytosis，whereas fluid uptake occurs by macropinocytosisBoth processes appear to be triggered by and are dependent on actinmedimed remodelling of the plasma membrane at a large scale为了有效地实现纳米载体的胞内递送，研究人员设计了多种策略。其一，将能够特异性识别肿瘤细胞的抗体或配体连接到纳米药物载体上，通过主动靶向作用增加靶细胞对纳米药物载体的摄取。Lang
30、er et al.利用适体可以特异性识别前列腺癌细胞表面抗原（PSMA），制备了表面连有适体的主动靶向纳米药物载体，大大增加了前列腺癌细胞的摄取。其二，利用穿膜肽直接在细胞膜上“打孔”，不需要内吞作用进入细胞质中，能够有效避免溶酶体水解作用导致的药物失活。Cheng et al.将纳米药物载体表面进行PVBLG-8多肽修饰，PVBLG-8能够在细胞膜上穿孔，促进纳米颗粒进入细胞。其三，利用肿瘤微环境的特殊性，设计出针对肿瘤组织的“智能型纳米颗粒”。Wang et al.制备了基于肿瘤微酸环境活化的PEG可脱的纳米递送系统，纳米药物载体在肿瘤组织富集后能够脱去PEG层，更好地暴露表面电荷，增强肿
31、瘤细胞的摄取。 肿瘤细胞为了维持自身稳定以及免受外来药物伤害，在化疗过程中会逐渐产生耐药性，导致最终化疗失败。同时，肿瘤细胞在长期接触一种化疗药物后，不仅对该种药物产生一定的耐药性，还会对其他结构和功能不同的化疗药物产生交叉耐药性，称为多药耐药性。这是肿瘤细胞免受化疗药物攻击的最重要的防御机制，也是导致化疗失败的主要原因之一。肿瘤细胞耐药有多种机制，主要包括药物吸收减少、细胞内药物泵出增多、细胞凋亡的抑制、药物活性作用减弱、细胞解毒作用增强、抗肿瘤药物的代偿性代谢增强、DNA损伤修复能力增强、靶分子的改变等。如肿瘤细胞通过高表达P-糖蛋白(P-gP)利用ATP水解提供能量将药物泵出到细胞外，从
32、而降低胞内有效药物浓度。它对天然疏水性药物具有较强的外排作用，包括长春碱、蒽环类、依托泊苷、紫杉醇等临床常用化疗药物。为了实现纳米药物有效的胞内递送并且使其作用于活性位点，研究者们开发了多种递送策略。Cheng等人设计了一种具有螺旋结构的多肽PVBLG-8修饰的纳米颗粒，能够直接在细胞膜上“穿孔”而不需要通过内吞途径进入肿瘤细胞，有效避免了纳米药物被内涵体/溶酶体中的水解酶所降解导致失活。Rotello等人设计了一种金纳米颗粒稳定的胶囊复合结构，可以通过膜融合过程直接进入肿瘤细胞内部而避免了内涵体/溶酶体途径。另外，多种细胞膜穿透肽也可以介导纳米药物直接进入肿瘤细胞内部。此外，为了克服肿瘤细胞
33、的药耐药性，增加药物在胞内有效浓度，Zhang等人利用聚合物纳米载体同时输送P-gp小干扰RNA(P-gP siRNA)与化疗药物阿霉素，其中P-gP siRNA能够下调肿瘤细胞P-gP的表达，从而抑制药物外排作用，增加胞内有效药物浓度实现更有效的肿瘤治疗。3.4 细胞内传递屏障纳米颗粒经内吞作用被转运到囊泡内的细胞中，根据其内吞的模式可以从细胞中再循环、胞吐或者被转运到溶酶体、高尔基体和线粒体的细胞器中（Figure 1.5）。纳米颗粒的胞内传递是一种复杂的细胞内过程，涉及马达蛋白其沿细胞内的微管穿梭囊泡。在此过程中，囊泡被分选、融合或解离以及在内涵体和溶酶体中的成熟。对于靶向内涵体/溶酶体
34、系统的纳米颗粒可以用于治疗溶酶体贮积症，其内吞摄取为该靶向提供了直接的可行性。除此之外，纳米颗粒是不希望被包埋在囊泡内。囊泡在晚期内涵体和溶酶体成熟的特征是其pH发生从6至4的快速酸化以及在囊泡内招募降解酶来消化囊泡内含物。大多数情况下，纳米颗粒需设计具有内涵体/溶酶体系统逃逸的能力。目前己经成功开发了多种策略来克服内涵体屏障，如病毒衣壳或具有与内体膜融合能力的膜基包膜可以将肽、药物和纳米颗粒等多种物质从内涵体穿梭到细胞质。但该方法受病毒载体制备的复杂性、成本以及病毒的免疫原性的限制。此外，纳米颗粒的表面包被pH敏感的合成肽后在酸性pH值下会发生结构变形，从而破坏囊泡膜。最后，缓冲能力介于pH
35、 5.2到7.0之间的聚合物可以附着在纳米颗粒上通过“质子-海绵”效应介导颗粒的内体逃逸。其中质子吸收聚合物诱导内体的渗透膨胀及其最终内溶酶体的破裂。纳米颗粒一旦从内涵体中释放后必须穿过细胞质才能与其靶标结合。细胞质中充满了细胞骨架结构、蛋白质、营养物质和一些小分子。纳米颗粒在细胞质内的扩散迁移率取决于其尺寸以及与胞质中物质的相互作用。颗粒与细胞内成分的结合可能会大大延缓小尺寸颗粒的迁移，而几何结构对于较大尺寸纳米颗粒的运动有着重要影响。细胞内的分子运动蛋白如驱动蛋白、动力蛋白和肌球蛋白通常利用微管的轨道或肌动蛋白的细丝运输囊泡中的物质。肌动蛋白的聚合还可以驱动颗粒进出细胞。近期研究表明，修饰
36、细胞穿透肽的半导体量子点一经细胞内化，在囊泡内以一种类似于肌动蛋白/驱动蛋白介导的主动转运方式被转移到细胞核周区域的微管组织中心。Figure 1.5 Intracullular transport of nanoparticles. After internalization via one or more of the endocytic pathways, nanoparticles are transported along the endolysosomal network within vesicles with the aid of motor proteins and cyto
37、skeletal structures. Vesicles can carry their contents into sorting endosomes or excrete/recycle them back to the cell surface by fusing with the plasma membrane. Alternatively, endosomes can mature into lysosomes through lumianal acidificcation and recruitment of degradative enzymes, which target t
38、he vesicle contents for degradation. To access cytoplasmic or nuclear targets, nanoparticles must be ablee to escape from the endolysosomal network along with traverse through the crowded cytoplasm.药物的抗药性是治疗感染、炎症和癌症等多种疾病过程的主要障碍，无论是内源性的还是通过长期接触获得的多药耐药性都涉及药物从细胞中排出，导致细胞内浓度降低和治疗效果的欠佳。肿瘤细胞为保持自身稳定和排除药物的损害
39、，会慢慢产生耐药性，致使正常细胞暴露于排出的药物而増加了局部毒性，需要増加药物的治疗剂量，最终导致复发和随后的化疗方案的失败。已经报道存在多药耐药性的机制（Figure 1.6）包括胞内药物泵出增加、增强的药物解毒作用、药物摄取减少、药物活性作用的减弱、抗肿瘤药物的代偿性代谢增强、药物诱导DNA损伤修复的增强和药物转运蛋白的过表达。在这些机制中，其中ABC超家族成员的质膜P-糖蛋白（P-gp）的过表达是多药耐药性最常见原因之一。肿瘤细胞高表达P-gp，对具有天然活性的疏水性化疗药物有着较强的外排作用，其中包括一些临床上常用的抗癌药物如蒽环类、长春碱、紫杉醇和依托泊苷等。其他ABC转运蛋白如多药
40、耐药性相关蛋白和乳腺癌耐药蛋白的过表达也已被确定为多药耐药性的主要原因。共同递送一种抑制ABC转运蛋白的药物和另一种促进细胞凋亡抗癌药物的策略，可以抑制肿瘤细胞的多药耐药性和发挥抗癌药物的最大杀伤作用。为此，基于脂质体和聚合物的纳米药物载体己被用于荷载两种组分确保精确递送至同一靶位点。Amiji等使用PEO修饰的聚己内酯纳米颗粒作为凋亡调节剂神经酰胺和化疗药物紫杉醇的多药物递送系统。研宄结果证明共输送药物载体可以避免P-gp介导的外排作用，显著增加了多药耐药性的卵巢癌细胞的化疗敏感性。此外，Shi等利用一种基于介孔二氧化硅纳米颗粒（MSN）pH响应的药物递送系统，可以克服多药耐药性。阿霉素（d
41、oxombiciB, DOX）作为化疗药物，十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）作为MDR抑制剂，两者被共同荷载在MSN中。其在药物敏感的MCF-7细胞和抗药性MCF-7/ADR细胞中均表现出疗效上的改善。Figure 1.6 Mechanisms of multiple-drug resistance in cancer cells:drug efflux caused by multidrug resistance protein(MRP)(e.g. P-glycoprotein or P-gp), downregulation of the sensitivity to drug by th
42、e tumor suppressor protein p53, reduction in sensitivity to methotrexate and fluorouracil by phosphorylation of the retinoblastoma protein(Rb), and production of resistance to camptothecins through downregulation expression or mutations in topoisomerases(Topo).4 纳米药物面临的挑战尽管抗肿瘤纳米药物的研究已经过数十年的发展，并且目前已经
43、有一些纳米药物进入临床用于肿瘤的治疗，但是仍然面临着不少的问题，尤其面对体内复杂的肿瘤微环境，纳米药物存在可能被生理系统(单核吞噬细胞系统、肾系统)清除、而且无法有效解决肿瘤转移等缺点。4.1 单核巨噬细胞系统单核巨噬细胞系统(MPS)，也被称为网状内皮系统(RES)，是由一系列驻留在肝脏、脾脏、淋巴结以及骨髓中的吞噬细胞所组成，可以吞噬纳米颗粒，在纳米粒子清除中起着关键性的作用(图2.1)。在纳米颗粒进入血液后，其表面会迅速的吸附各种蛋白，这些蛋白会改变纳米颗粒的尺寸、稳定性和表面性质，更重要的是为纳米颗粒标记了一个能被吞噬细胞识别的信号。吸附到纳米颗粒表面的蛋自如白蛋白、载脂蛋白、补体蛋白
44、和免疫球蛋白是最常见的调理素，这些蛋白和纳米颗粒结合会形成“蛋白冠”。调理素作用下的纳米颗粒会被吞噬细胞表达的特异性受体识别，从而被MPS系统吞噬和清除。同时，纳米颗粒在体内运输过程中很容易进入吞噬细胞间隙，可能会触发细胞因子的分泌，比如肿瘤坏死因子（TNF）、白介素、干扰素等，从而引起局部发炎导致组织损伤。因此，绝大多数纳米颗粒在到达肿瘤前会被单核巨噬细胞系统（MPS）吞噬和清除，这不仅降低了纳米颗粒在肿瘤组织的富集也会对富含单核巨噬细胞系统的器官造成损伤。目前，已有大量的研究在解决如何减少纳米颗粒被单核巨噬细胞系统(MPS)吞噬和清除，以此来延长纳米颗粒在血液中的循环时间以及提高在肿瘤组织
45、的富集，并减小纳米颗粒对吞噬细胞系统的损伤。研究发现改性的表面化学（表面电势、组分）能够防止血浆蛋白吸附到纳米颗粒上，这对于减少纳米颗粒被非特异性吸收到正常组织中非常关键，从而达到高的治疗效果并且降低了对正常组织的损伤。图2.1 单核巨噬细胞系统主要器官（肝脏、脾脏、骨髓中的吞噬细胞等）对血液纳米粒子的清除示意图目前最常用的方法就是在纳米颗粒表面聚乙二醇化（PEG），这是因为聚乙二醇（PEG）分子可以在纳米颗粒表面形成一层亲水层，可以阻止蛋白吸附吞噬细胞摄取来延长纳米药物半衰期；另外近年来开发的一个有效策略就是利用生物仿生，即通过一系列细胞膜（白细胞、肿瘤细胞红细胞）或者自身识别肽，血小板膜涂
46、层包裹或者修饰纳米颗粒以此延长循环时间，增强药物在肿瘤组织的富集。单核吞噬细胞系统，由网状细胞、内皮细胞以及巨噬细胞组成。吞噬细胞可能与纳米粒子结合，导致细胞因子的释放，增加血液中纳米颗粒的清除和组织的局部炎症。蛋白质、脂质和其他大分子也可能结合到纳米粒子的表面，并在纳米粒子周围形成“生物分子层”。生物分子层可以通过免疫系统识别纳米粒子而增加血液对纳米颗粒的清除能力，进一步阻碍目标组织对纳米粒子的内化作用。纳米粒子的表面修饰可使其逃离RES，延长其在血液中的循环时间，同时还可以防止正常俎织的炎症反应损伤。表面修饰可以采用两性离子配体，比如半胱氨酸和谷胱甘肽修饰或聚乙二醇化。研究表明聚乙二醇化的
47、纳米粒子可以避免被RES识别，从而延长了它们在血液中循环的时间和提高到达目标肿瘤组织纳米药物。在纳米粒子表面包裹上白细胞或红细胞的膜，可以增强它们被识别为体内内源性物质的能力，从而增加纳米粒子的生物相容性。使用CD47-SIRP等配体来修饰纳米材料可以抑制吞噬细胞对其清除作用。将纳米粒子设计成球形，由于球形粒子倾向于聚集在血管中心，因此球形纳米粒子通过与内皮细胞的相互作用而渗出相对较少，从而增加其在血液中循环时长。4.2 肾脏系统除了单核巨噬细胞系统（MPS），纳米颗粒的另一个清除机制就是肾脏清除，即纳米颗粒的药代动力学可以通过肾超滤系统调节。一个普通成年人，每天肾脏能够过滤大约180升的液体
48、或60倍体积的血浆。经过肾脏过滤的代谢分子和纳米颗粒需要通过肾小球毛细血管和基底膜孔（70-100nm）的内皮细胞，然后通过由足细胞形成的上皮细胞(图1-4)。纳米颗粒的尺寸和电荷是肾脏清除的两个决定性因素。正常情况下小于6nm的纳米颗粒更容易通过肾脏清除，大于8nm的纳米颗粒较难消除，病理状态下由于肾脏结构发生变化可能有所差异。此外，由于肾小球基底膜呈负电荷，直径为68 nm的阳离子NPs与同等大小呈中性或负电荷的NPs相比具有更强的肾清除率。图1-4纳米粒子在肾脏系统中的循环、分布和递送除了尺寸和电荷外，纳米颗粒的形状也强烈地影响着肾脏的清除。值得注意的是，杆长为100-500 nm和直径
49、为0.8-1.2 nm的单壁碳纳米管可以被肾脏系统有效地清除，由流体诱导的取向驱动，纳米管会自然而然地进入。肾小球毛细血管孔隙。这种机制允许肾脏可以清除lO-20倍质量为30-50 kDa的生物活性分子，显著提高了其在生物医学上的潜在应用。通过形状设计结合其他材料特性来控制肾脏清除和NPs的组织分布策略目前正在研究，总的来说，纳米颗粒大小是影响肾脏清除的主要因素，然而，纳米颗粒的大小也会对其功能产生影响。为克服这一挑战，利用可生物降解组件设计纳米粒子，使其在肾脏系统分解成可交换的粒子。然而，这些组件的自然降解会引起载药纳米粒子在到达靶向位点之前非特异性地释放药物，从而引起并发症。因此，从临床应用的角度出发，既要考虑减少纳米药物的快速肾脏清除，保持其在体内的治疗水平，又要考虑防止纳米药物的长期毒性以及纳米粒子降解产物的毒性等。此外，对于存在肾功能不足患者这种考虑会更加复杂，包括糖尿病引起的慢性肾脏疾病或具有肾毒性的化疗药物(如顺铂)引起的并