紫杉醇二聚體納米前藥研究進展

王 健，裴 晴，謝志剛 *

(1.中國科學院長春應用化學研究所，高分子物理與化學國家重點實驗室，吉林 長春 130022； 2.中國科學技術大學，安徽 合肥 230026)

多年來，人們已經開發了各種方法用來嘗試攻克癌癥，包括放療[1-3]、化療[4-6]、光熱治療[7]、光動力治療[8-9]、免疫治療[10-11]等?；熡捎谄鋸V譜高效的特點，成為癌癥治療的一種主要方式。PTX作為代表性的化療藥物，在臨床上已被廣泛被用于乳腺癌[12]、卵巢癌[13]、肺癌[14]以及部分頭頸癌的治療[15]。但是，由于PTX的水溶性差，其商業注射劑型(Taxol)是通過將PTX溶解在乙醇和聚氧乙烯蓖麻油(Cremophor EL，一種非離子表面活性劑)中來制備，賦形劑的使用導致了嚴重的副作用和有限的治療效果[16]。為解決這些問題，前藥和納米藥物遞送系統應運而生。

“前藥策略”通常是指將母體藥物修飾成具有特殊理化性質的無活性形式，其可以很容易地在體內轉化為具有活性的母體藥物。前藥的合理設計可以有效地應對母體藥物的不良特性，例如穩定性差、溶解度低和嚴重的毒性等等，已被廣泛用于提高PTX的遞送效率。例如，ZHONG等開發出了新型的以透明質酸為殼的酸激活的PTX前藥膠束(HA-dOG-PTX-PM)，用于在體外和體內有效靶向和治療異種移植人乳腺癌[17]。由于內膜/溶酶體中的乙縮醛裂解，PTX在腫瘤細胞內迅速釋放，該前藥膠束治療的帶有MCF-7人乳腺癌異種移植物的裸鼠存活率可達100%。

此外，在過去的幾十年中，納米藥物遞送系統也經歷了巨大的發展，其顯著優勢包括延長體內循環時間、改善腫瘤蓄積和促進細胞攝取等[18]?；诙垠w前藥的自組裝納米技術已成為高效的化療藥物遞送平臺。二聚體前藥是通過橋連基團將兩個藥物分子連接，實現藥物-藥物的偶聯。PTX分子本身非常容易形成針狀晶體，而引入具有柔性鏈結構的橋連基團，相當于給分子提供了一個更加靈活的“結構缺陷”，使分子旋轉更加自如，促進了二聚體的自組裝，即使在無助劑的條件下，也可在水中自組裝為納米聚集體。與PTX相比，二聚體分子本身的自組裝性能使其與載體具有更好的相容性，從而實現了藥物的超高擔載，降低了載體相關的副作用。我們課題組對PTX二聚體與載體聚乙二醇-聚乳酸嵌段共聚物(PEG-PDLLA)的相容性進行了探究[19], 結果如表1所示，通過引入柔性碳鏈，將PTX修飾為二聚體(PTX2-C8)后，與直接擔載PTX相比，其載藥量明顯升高。

表1 擔載PTX或PTX2納米粒的表征

此外，通過調控可裂解的橋連基團，可以使前藥在特定的生理環境下發生化學轉化，釋放出具有活性的母體藥物。因此，刺激響應型紫杉醇二聚體納米前藥引起了許多研究人員的關注。

1 內源刺激響應型PTX二聚體前藥

與正常組織相比，腫瘤微環境具有異質性，包括酸性低的pH值、乏氧、高氧化還原水平以及某些特異酶的高表達[20]等特性。因此，可以基于該異質性，開發腫瘤微環境響應性PTX二聚體前藥，在提高載藥量的同時，又增加了藥物的選擇性。

由于更旺盛的新陳代謝，與正常細胞相比，大多數腫瘤細胞表現出更高的細胞內谷胱甘肽(GSH)和活性氧(ROS)水平[21]。據報道，腫瘤細胞中高的ROS的水平是由于細胞的致癌性轉化導致了作為有氧代謝副產物ROS的不斷產生。而腫瘤細胞的還原環境主要由NADPH/NADP+和谷胱甘肽的還原和氧化態(GSH，GSH/GSSG)決定，兩者都有不同的還原電位和還原能力。在還原性環境中，GSH的濃度高于NADPH的濃度，在這種情況下，GSH在微環境的調節中起主要作用。在分子水平上，GSH主要通過二硫鍵的形成和斷裂以及與過量ROS的反應來控制細胞的還原環境。據報道，腫瘤組織中谷胱甘肽的濃度至少比正常組織高4倍，在某些具有多種耐藥性的腫瘤中尤其高?；谶@些機制，正常細胞和腫瘤細胞的微環境差異為氧化還原響應性的靶向治療提供了一種潛在可行的策略。

ZHANG等制備了基于二硒鍵(-SeSe-)的PTX二聚體，二聚體自組裝后可以形成粒徑穩定且大小均一的納米粒，內吞進入腫瘤細胞后在GSH的作用下二硒鍵斷裂進而水解釋放出活性的PTX[22]。WANG等設計了四種具有不同橋連基團的PTX二聚體前藥[23]。這四種二聚體前藥顯示出對癌細胞氧化還原環境不同的敏感性，這使得它們具有不同的藥物釋放速率、細胞毒性和抗腫瘤能力。通過比較，發現兩側帶有一個亞甲基二硫鍵的二聚體(PTX2-SS1)對還原刺激最敏感，而兩側分別帶有一個亞甲基的單硫鍵的二聚體(PTX2-S)則對氧化刺激最敏感。進一步研究發現，對氧化還原刺激的敏感性不僅與鍵的類型有關，而且與碳鏈的長度有關。PTX2-SS1具有最快的藥物釋放速度和最佳的腫瘤抑制能力。在相同劑量下，它比Taxol顯示出更高的抑瘤率。XIA等還開發了基于Te鍵的PTX二聚體，這種二聚體顯示出獨特的藥物釋放機制，其只能在ROS和GSH的協同刺激下發揮作用，表現出氧化還原雙重響應能力[24]。

此外，二聚體由于與載體更好的相容性，還可以促進光敏劑的組裝。PEI等利用了這一優勢，基于氧化還原響應性的單硫橋連基團，將PTX修飾為二聚體(PTX2-S)，與光敏劑IR780碘化物共同組裝[25]。IR780碘化物水溶性差，用高分子載體單獨包裹IR780載藥量過低。而在這篇文章中，通過將IR780碘化物與PTX二聚體共封裝，由于PTX二聚體與載體(人血清白蛋白)的強相互作用，可以給IR780碘化物提供更強的組裝驅動力，促進它的封裝。同時，IR780碘化物與PTX二聚體的π-π堆積作用，進一步促進IR780碘化物的封裝，從而實現了化療和光熱治療的聯合療法。

圖1 (a) 四種具有不同橋連基團的前藥納米粒的組裝機理和 (b) 抗腫瘤過程的示意圖以及在腫瘤細胞中不同的氧化還原響應情況Fig.1 (a) Assembly mechanism of four prodrug nanoparticles with different bridging units and (b) schematic diagram of the anti-tumor process and different redox responses in tumor cells

2 光刺激響應型PTX二聚體前藥

內源刺激型前藥可以基于腫瘤微環境的異質性，響應釋放出活性紫杉醇。但是，內源刺激不足往往會導致藥物釋放率極低，最終使抗腫瘤效果不夠理想。此外，由于多藥耐藥性和腫瘤增長的異質性，單一的化療也很難徹底消除腫瘤[26-27]。而多種不同治療手段的協同治療可以顯著改善這一情況。光療由于較低的侵入性以及對周圍正常組織較少的損傷，已經吸引了很多研究者的注意[28-29]。將化療與光療結合，可能是目前解決單一化療效果不足的一種有用手段[30]。研究發現，光敏劑在光照條件下產生的ROS以及這個過程消耗氧氣造成的細胞內乏氧環境可能是兩個有效的與二聚體的結合點。

2.1光動力響應型PTX二聚體前藥

內源性ROS刺激響應的前藥用于腫瘤治療已經被廣泛研究[31-32]。然而，不同類型的腫瘤細胞，其ROS水平存在較大差異。而且，這種ROS通常具有較短的壽命，這可能使前藥中活性藥物釋放效率大打折扣，進而限制了內源性ROS響應型前藥的抑瘤效果[33]。光動力療法作為臨床治療的一種非侵入性手段已經被廣泛研究。通常，在光照條件下，某些具有高的單線態氧產率的光敏劑會生成活性氧自由基，尤其是單線態氧(1O2)，這種ROS可以直接殺傷腫瘤細胞[34]。重要的是，這種爆發性增長的ROS可以短時間內提高細胞中ROS水平，而這種高的ROS水平則可以有效地促使ROS響應性的PTX二聚體前藥釋放藥物，放大化療的治療效果，從而實現光動力療法和化學療法的協同治療。

PEI等人通過對一系列ROS響應的PTX二聚體研究，篩選出了一種由縮硫酮鍵連接的PTX二聚體，再選用一種臨床報道的光敏劑二氫卟吩與其組裝[35]。通過引入一種兩親性嵌段聚合物進行包裹，得到了一種由二聚體與光敏劑共組裝的納米粒。由于二聚體與光敏劑之間強的共軛作用導致的堆積效應，他們可以輕易而且高效地被載入聚合物中。進一步，他們使用紅細胞膜對納米粒進行包裹，得益于紅細胞膜良好的生物相容性和非免疫原性特點，所合成的納米?？梢栽谘褐虚L循環且不易被清除，這使得納米粒能夠更有效地被腫瘤細胞攝取。在沒有光照條件下，細胞內源性ROS不足以使二聚體氧化并釋放活性藥物，顯示出低毒性。而由于二氫卟吩高效的ROS產生效率，在低功率激光照射下，細胞內ROS水平快速上升使細胞凋亡，同時PTX二聚體被快速氧化，進而水解釋放活性藥物殺傷腫瘤細胞，從而實現了光動力療法和化學療法的協同治療。

圖2 紅細胞膜包裹的二聚體前藥的制備、光控藥物釋放以及光動力和化療的協同治療示意圖Fig.2 Schematic illustration of RBC membrane-camouflaged dimeric prodrug NPs, light triggered drug release and synergistic photodynamic/chemotherapy

2.2 乏氧響應型PTX二聚體前藥

乏氧是腫瘤微環境的標志之一，在腫瘤組織中，氧氣供應和消耗之間的平衡被打破，導致組織氧氣張力的水平降低[36]。氧氣供應減少是由于腫瘤中的異常血液供應所致。異常的新血管和不良的血液流動會導致氧氣在腫瘤區域中不適當地擴散，從而導致腫瘤缺氧。另外，腫瘤細胞比正常細胞增殖更快，需要消耗更多的能量和氧氣，進一步導致了乏氧的腫瘤微環境[37]。乏氧的腫瘤微環境對腫瘤的增殖和藥物治療都有很大的影響。一方面，乏氧通過調節多個基因，如乏氧誘導因子-1，促進腫瘤的增殖和侵襲性轉移；另一方面，乏氧還與多種療法的耐藥性相關[38]。例如，光動力療法主要依賴于光敏劑在光照下產生活性氧，這與氧氣密切相關。盡管光動力療法的無創性已被臨床批準用于治療多種疾病[39-40]，但腫瘤缺氧嚴重阻礙了其治療效果。此外，由光動力治療介導的持續耗氧量和局部微環境中的血管損傷，將導致更為嚴重的缺氧，這進一步削弱了它的治療效果。

ZHOU等根據腫瘤微環境的乏氧特性，構建了由乏氧敏感的偶氮苯鍵連接的自我毀滅性的紫杉醇二聚體前藥，并將該二聚體前藥與光敏劑Ce6聯用[41]。如圖3所示，當藥物到達腫瘤部位時，在腫瘤部位乏氧的條件下，前藥將在過表達的硝基還原酶和偶氮還原酶作用下發生生物還原，釋放出活性的PTX發揮化療效果。同時，在光照下，光敏劑將產生1O2進一步殺傷腫瘤細胞。這一過程需要消耗氧氣，導致腫瘤微環境乏氧程度進一步加重，促進了二聚體前藥釋放，實現了化療和光動力療法協同，達到了更好的抗腫瘤效果。

圖3 乏氧激活的紫杉醇二聚體前藥的化學療法與光動力療法的協同治療Fig.3 Synergistic treatment of photodynamic therapy and chemotherapy of hypoxia activated paclitaxel dimer prodrug

3 總結與展望

二聚體前藥策略，增加了紫杉醇的載藥量，解決了紫杉醇載藥量低這一關鍵問題。在此基礎上，通過調控中間的橋連基團合成紫杉醇二聚體，可以實現腫瘤細胞內源性刺激釋放活性藥物，選擇性殺傷腫瘤細胞，有效降低化療的毒副作用。進一步與光療結合，利用光療過程中產生的ROS以及腫瘤細胞的乏氧環境，制備了光動力響應以及乏氧響應的二聚體前藥，實現了光控的藥物釋放，達到了光療和化學療法的高效協同治療。綜上所述，自組裝的紫杉醇二聚體納米前藥作為新一代納米醫學技術展現出明顯的優勢，在臨床癌癥治療中具有巨大的潛力。然而，在未來可能進行臨床轉化之前，仍需要考慮幾個重要問題。首先，單一化療效果往往不盡人意，難以完全消除腫瘤；結合光療雖能獲得很好的抗腫瘤效果，但是需要引入外源刺激，為臨床轉化增加了難度。其次，需要進一步研究二聚體與載體的相容性問題。目前的研究雖已報道二聚體的自組裝性能能夠減少載體的使用，但是針對不同載體，其具體的作用效果尚不可知。最后，在二聚體活化過程中，會產生化學中間體，藥物具體的體內代謝行為以及這些副產物的潛在毒性都需要進一步研究。因此，仍需要付出更多的努力對其進行探究，為紫杉醇二聚體納米前藥在臨床中的成功應用鋪平道路。