靶向藥物制劑研究進展*

安琪,李爽,楊德智,呂揚,杜冠華

(北京協和醫學院中國醫學科學院藥物研究所1.晶型藥物研究北京市重點實驗室;2.藥物靶點研究與新藥篩選北京市重點實驗室,北京 100050)

靶向藥物制劑的概念源于1906年德國病理和免疫學家Paul Ehrlich提出的“魔術子彈”構想[1],其設想可以將抗體和具有細胞毒性的化學治療(化療)藥物結合在一起,從而創造出一種具有高治療窗口、高選擇性和高細胞毒性的癌癥治療方法。靶向藥物制劑又稱為靶向給藥系統(targeted drug delivery system,TDDS),系指采用載體將藥物通過循環系統濃集于靶器官、靶組織、靶細胞和細胞內特定結構的一類新制劑[2]。它由藥物、導向部分和藥物載體三部分組成,三部分相互協調。小分子(抗體、基因、肽等)和納米載體(脂質體、膠束、聚合物納米顆粒等)的摻入可以選擇性地“靶向”病原體而不傷害宿主生物體[3]。近年來,隨著分子生物學、材料學等學科以及納米技術的發展,靶向藥物制劑的概念越來越完善,基于納米顆粒的靶向給藥也越來越受到人們的關注,并逐漸成為靶向治療的焦點。筆者在本文總結靶向藥物制劑相比于普通制劑的優勢,分類介紹靶向藥物制劑的特點以及在治療中的應用,并進一步探討其在臨床應用中面臨的機遇與挑戰,以期為靶向藥物制劑的研究提供參考。

1 普通藥物制劑與靶向藥物制劑比較

藥物在體內吸收、分布、代謝和排泄過程中,首先必須跨越多層生物膜,進行多次轉運,才能在體內發揮作用,相關轉運蛋白在一定程度上決定了藥物的血漿和組織濃度[4]。根據生物藥劑學分類系統(biopharmaceutics classification system,BCS),外排轉運蛋白和攝取轉運蛋白會影響BCS Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類藥物的遞送和藥物相互作用[5]。

據統計,最新研發的藥物中有60%～70%屬于BCS Ⅱ類和Ⅳ類[6],因此多數藥物存在水中溶解度低、滲透性差、體內半衰期短、易被轉運蛋白外排等問題。普通藥物制劑經過溶出或釋放過程后,進入體循環的藥物會在全身組織器官進行分布,只有少量可以到達靶組織,而要提高藥物在靶部位的濃度,就必須提高給藥劑量,從而導致藥物在體內的過度積聚,產生不良反應。

靶向藥物的基本原理是將高濃度藥物輸送到目標部位,同時盡量減少其在非靶向區域濃度。這一方式有助于優化藥物治療效果,減少由于多靶點相互作用、高藥物劑量和非靶點作用所致不良反應[6]。此外,靶向藥物制劑使用的納米材料進行表面修飾的可能性巨大,從而為選擇不同靶標進行特異性靶向鋪平了道路。靶向藥物制劑一般常用的載體有脂質體、微囊、微球、納米囊、納米球等,為保證體內安全性,載體通常都是由生物相容、無毒和可生物降解的納米材料組成[7]。在工業化生產方面,靶向藥物制劑的設計考慮到了可能的臨床轉化,其制備易于規?；a,理化性質易于控制[8]。

總體來講,靶向藥物制劑具有特異性、靶向性、藥物作用時間長、副作用小、載藥范圍廣等特點。與普通制劑相比,還具有增加難溶性藥物溶解度、延長半衰期、提高生物利用度、增強藥物在體內穩定性等優勢。

2 靶向藥物制劑的分類

科學家通過對疾病組織處的結構和功能以及人體在疾病狀態下各種功能的響應進行研究,制定和設計各種靶向制劑。

根據靶向制劑在體內的作用靶標不同,可將靶向制劑分為一、二、三級靶向制劑。一級靶向制劑以特定的組織和器官為靶標輸送藥物,例如將碘帕醇裝載在納米球中修飾獲得的抗5-羥色胺受體3(5-hydro-xytryptamine receptor 3,5-HT3R)抗體-殼聚糖-納米球,可以與胃腸道黏膜上高表達的5-HT3R結合,增強造影劑的腸道靶向能力[9];二級靶向制劑是以特定細胞為靶標輸送藥物的制劑,如LI等[10]將透明質酸納米膠束作為載體,可以將水飛薊賓靶向遞送至肝纖維化的大鼠肝星狀細胞;三級靶向制劑以細胞內特定部位或細胞器為靶標輸送藥物,例如線粒體靶向治療的復合修飾金納米棒[11],實現了靶向線粒體的細胞內輸送。

靶向藥物制劑更為常用的分類方法是按作用方法分類,包括被動靶向制劑、主動靶向制劑和物理化學靶向制劑3類。

2.1被動靶向制劑 被動靶向制劑是指由于載體的粒徑、表面性質等特殊性使得藥物在體內特定靶點或部位富集的制劑,這種稱為“被動”的靶向依賴于載體特性和毛細血管通透性,但不具有與特定組織或器官結合的特異性配體[12]。被動靶向制劑主要包括脂質體、納米粒、微球或微囊以及乳劑等。

2.1.1脂質體 自從BANGHAM等[13]首次發明脂質體以來,此納米系統領域的研究取得了巨大的進展,被認為是迄今為止最成功的藥物載體系統。

脂質體是將藥物包封于脂質雙分子薄膜中所形成的超微球形制劑,粒徑80～200 nm[14],一般由磷脂和膽固醇構成,結構類似于生物膜[7]。膽固醇通常在組裝過程中添加到脂質體,其本身不形成脂質雙分子層,但能以高濃度方式摻入磷脂膜,改變膜的流動性[15]。脂質體主要靶向在肝、脾、腎等富含網狀內皮細胞的組織和器官。

MATSUMURA等[16]在1986年提出,在脂質體包裹藥物的情況下,可以減少藥物在腎臟的排泄,延長血液半衰期。此外,載藥脂質體可以通過滲透與滯留增強效應(enhanced permeability and retention effect,ERP),實現相對更有效和更具選擇性的靶向。由于脂質體具有細胞樣膜結構、生物相容性優、免疫原性低、保護活性基團多、半衰期長、安全性和有效性好等優勢,科研工作者研究開發了許多脂質體靶向制劑。調理素蛋白通常會將脂質體識別為外來顆粒,導致巨噬細胞的攝取。新型聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)樹突磷脂使用β-谷氨酸樹狀分子,將PEG鏈與二硬脂酰磷酸乙醇胺脂質連接,這種超隱形脂質體不僅具有良好的穩定性,還可以增加血液循環的時間,增強療效[17]。LI等[18]開發了由葉酸修飾的負載姜黃素的脂質體,顯示出更強的細胞毒性作用,能夠滲透組織并被葉酸受體特異性識別,從而具有更強的體外抗腫瘤活性。

2.1.2納米粒 納米粒是粒徑1～100 nm的固體膠體。根據其骨架形態,可將其分為納米球和納米囊。納米粒作為新型藥物載體的代表,一直是顆粒給藥系統的研究熱點。藥物制成納米粒后,可隱藏藥物的理化特性,其體內過程依賴于載體的理化性質,而載體的理化性質又可以通過調整組分分子或制備方法改變。不僅如此,納米粒還可以實現藥物的控制釋放,在某些情況下,定制藥物對特定刺激(如pH值、光、熱或酶)作出反應,能極大改善患者的治療效果。

納米粒的一個主要限制也是免疫系統的快速和非特異性清除,導致其保留時間縮短,從而限制了生物利用度[19]。PEG是最常用的隱藏材料,PEG共聚物包覆氧化鐵納米?？梢员苊饩W狀內皮系統的攝取[20]。然而,PEG修飾的納米粒在體內吸收和逃逸的不良作用使其在應用過程中受到限制。因此有更多的材料被開發出來代替PEG,如殼聚糖、葡聚糖、玻璃酸等。

CAHALANE等[21]開發了2種基于納米粒的載體:聚乳酸-羥基乙酸-酪氨酸聚磷酸酯和l-酪氨酸聚磷酸酯,用于包裹磁共振成像造影劑釓-二乙烯三胺五乙酸及抗炎藥羅利普蘭。這為研究開發納米粒作為載體、將顯像劑和藥物輸送到神經炎癥部位奠定了基礎。GAO等[22]研究表明,含硒納米?？赏ㄟ^全身給藥將化療藥物多柔比星特異性遞送至靶部位。同時,輻射可以將含有二硒化物的納米粒氧化為亞硒酸,發揮協同作用和免疫調節活性。

基于納米技術的納米晶體在增加難溶性藥物溶解度以及提高治療效果等方面發揮著重要的作用。納米晶體屬于亞微米膠體分散體系,具有納米級的粒度分布,平均粒徑<1 μm,通常為200～500 nm[23],其大比表面積使得藥物飽和溶解度增加,擴散途徑減少,從而提高了生物利用度。CHOI[24]制備的西洛他唑(cilostazol,CLT)納米晶,與CLT在不同介質(純化水、pH值1.2和pH值6.8緩沖液)中的溶解度相比,CLT納米晶溶解度24 h內分別顯著增加10.7、7.6和10.0倍。STAHR等[25]制備了不同大小的橙皮素納米晶體,結果表明,隨著粒徑的減小,表觀溶解度不斷增加,并在粒徑<200 nm時尤其明顯,表明橙皮素納米晶體可有效改善橙皮素較差的水溶性,提高生物利用度。目前發展的智能多功能納米晶,可以將診斷、治療和實時監測整合到具有多種功能的單一遞送系統中,有助于在個體患者的藥物治療過程中獲得即時反饋,對于探索智能和個性化醫療具有重大意義[26]。

2.1.3微球 微球是直徑1～100 μm的小球形顆粒,由蛋白質或合成聚合物組成,在自然界中可生物降解。其骨架材料常用明膠、海藻酸鈉、殼聚糖和聚乳酸-羥基乙酸共聚物等[27]。微球對藥物的適應性強于脂質體,微粉狀態的藥物可以直接分散在微球材料中,在制備工藝以及材料選擇方面,也比脂質體簡單得多[28]。ATHAMNEH等[29]使用無毒、可生物降解的海藻酸鹽和透明質酸,制備了具有良好空氣動力學特征的氣凝膠微球。ZHENG等[30]在不使用有機溶劑、表面活性劑和交聯劑的情況下,在水性兩相體系中通過提高溫度進行物理交聯,制備了直徑10～100 μm羧甲基甲殼素微球,在受控局部給藥系統中負載不同藥物和緩釋藥物方面表現出巨大的潛力。

2.2主動靶向制劑 與被動靶向相比,主動靶向依賴于表面配體與靶細胞之間的生物相互作用。此類生物配體通常與靶細胞表面的特定受體結合,并以這種方式增加細胞對藥物的攝取,同時提高治療效果[31]。與單一配體相比,配體密度的增加有利于通過多價效應促進細胞攝取,為此可以使用蛋白質、多糖、核酸、肽和小分子等各種類型的配體[32]。

2.2.1抗體介導的主動TDDS 該系統又稱抗體-藥物耦聯物(antibody-drug conjugate,ADC),其包含一種單克隆抗體,可通過化學方式與相關抗原特異性結合,將有效細胞毒劑導入特定的靶組織或器官。這種給藥系統旨在限制正常組織暴露于活性細胞毒性成分的范圍,以減少患者的非靶向毒性[33]。

2.2.2受體介導的主動TDDS 受體介導的靶向系統利用載體表面的靶向配體與疾病部位表達的特異性受體之間的相互作用來提高靶向特異性[34],可以根據靶細胞/器官上特定受體/蛋白質的功能表達譜來選擇各種配體(例如抗體、肽、葉酸和透明質酸等)。

2.2.3表面修飾的微粒給藥系統 生物材料-細胞界面的表面相互作用對于多種細胞功能(如粘附、增殖和分化)至關重要,它能夠觸發特定的細胞信號傳導并導致不同的細胞反應。在細胞水平上,表面修飾能夠降低免疫原性,減少蛋白質的非特異性粘附,改善藥物在載體上的負載[35]。此外,表面修飾有助于提高生物相容性、電生理穩定性、收縮性和機械性能,增強滲透性[36]。

2.3物理化學靶向制劑 物理化學靶向制劑也稱物理或化學條件響應型制劑,即通過設計特定的載體材料和結構,使其能夠響應于某些物理化學條件,如pH值、酶活性、氧化還原反應;或者給予外力,如光照、超聲、磁場等來影響載藥微粒的位置,進而實現藥物的靶向釋放。它們的一個基本特征是修飾的可逆性,一旦去除修飾物理化學性質的刺激物,它們就能夠恢復到初始狀態。

2.3.1磁性靶向制劑 磁性靶向制劑由藥物、磁性物質和載體材料組成,利用體外局部磁場,引導進入體內的磁性載藥微粒到達靶部位。在生物醫學領域中載體上的磁性物質主要有四氧化三鐵(Fe3O4)磁粉、鐵磁流體、磁性合金材料、鐵氧體磁性材料、羧基鐵等,它們具有良好的磁取向、小尺寸效應、生物降解性和可附加活性官能團等優點[37]。

2.3.2熱敏靶向制劑 熱響應性聚合物靶向制劑通過改變納米材料的相變溫度來實現藥物釋放,但其在靶向性、穩定性和包封效率方面存在不足。聚丙烯酰胺有一個可控的溶脹溫度,可以在一定溫度以上快速釋放藥物。D'AMORA等[38]將葉酸進行功能化,合成聚丙烯酰胺-葉酸納米球,數據表明納米顆粒的溶膠-凝膠轉變溫度為41 ℃,可有效實現藥物在癌癥部位的釋放。

2.3.3pH敏感靶向制劑 pH敏感靶向制劑通過結構和性質變化,例如表面活性、鏈結構、構象、溶解度和構型,對環境pH變化作出響應[39]。一般pH敏感聚合物包含酸性或堿性基團,可接受或提供質子以響應環境pH的波動,變化的性質取決于pH敏感材料[40]。此外將pH敏感脂質體與PEG連接,合成長循環pH敏感脂質體,該方法既保留了pH敏感脂質體的特性,又解決了其在體內停留時間短的問題。

2.3.4光敏靶向制劑 光敏靶向制劑的原理是使用對光敏感的納米載體裝載藥物,待藥物到達靶部位時給予適當波長的光照射,使光敏感鍵發生斷裂或者光敏聚合物載體迅速發生相變,從而釋放藥物[41]。常用的遞送系統有聚合物、脂質體、油乳劑、某些金屬、一些蛋白質和碳基納米粒子。MEEROVICH等[42]用磷脂酰-l-絲氨酸制備脂質體,負載鈣黃綠素和多柔比星。研究發現用12～15 mW·(cm2)-1的遠紅外光照射此二元系統,可以使脂質體釋放的有效藥量增加5～15倍。

2.3.5超聲定位靶向釋藥微囊 超聲定位靶向釋藥微囊是一種利用超聲波進行定位和釋藥的靶向藥物制劑[43-44]。其最大特點是可以通過超聲成像直觀地確定微囊運行到靶部位的情況。利用超聲空化效應可使微囊破裂、釋放藥物,從而達到靶向給藥的目的。例如林鳳云等[45]制備的更昔洛韋超聲定位靶向釋藥微囊,未加超聲影響時微囊具有良好的緩釋作用,在超聲影響下微囊可在25 min內將藥物釋放完畢,具有潛在的應用價值。

3 靶向藥物制劑在醫藥領域中的應用與展望

靶向藥物制劑在穩定性、靶向性、緩釋性和長周期性等方面具有獨特的特點,為基于轉運機制的藥物開發提供了突破點,廣泛用作抗腫瘤藥、蛋白質和多肽、抗菌藥物等的有效遞送途徑。納米晶在提高藥物生物利用度、溶出速率和溶解度方面表現優越,具有巨大的發展潛力與廣闊的應用前景。隨著納米技術和生物醫學的快速發展,設計合適尺寸和表面性質的納米載體可以有效改善治療藥物的藥動學和生物分布。目前開發的許多其他使納米載體在靶部位聚集的新方法,以某種方式減少納米藥物的外排,不僅可以克服多藥耐藥性,還可以延長納米載體的保留時間。

當然,靶向藥物制劑目前的研究與應用也存在一些問題,例如在體內的分布不理想,靶向性較差,容易殺傷正常組織或細胞;一些磁性靶向制劑中的磁性物質存在潛在的毒性;形成的制劑本身穩定性、載藥量、包封率較差等,使得它們在臨床轉化中存在挑戰。此外,由于體內環境的復雜性和多樣性,TDDS從實驗室到臨床的轉化仍然需要大量的時間和精力。在工業化生產方面,建立制備可控、使用安全和有效的質量標準也是面臨的又一挑戰。

因此,今后靶向制劑將朝著合成和發現新的無毒、生物相容性好、可生物降解的高分子納米載體材料;根據藥物的不同性質,不斷探索和優化制備工藝,設計多重靶向的新劑型;充分利用病變組織微環境的特點,進行新型、高效靶向制劑的研究等方向發展[46]?；蛑委熓墙臧l展起來的一種補充人體缺失基因或關閉異?；虻男炉煼?對于惡性腫瘤、先天性遺傳病、艾滋病、糖尿病等疾病的治療具有重大價值。研究攜帶治療基因片段或雜合體重組DNA質粒,保持其不被核酸酶降解,順利地轉導入人體靶位的載體也將是靶向藥物制劑研究領域的重要課題。

毫無疑問,靶向藥物治療是一種很有前途的治療策略。相信在不久的將來,經過科研人員的不斷努力探索,新材料與新技術的不斷開發與應用,靶向藥物制劑將會發揮更為重要的作用,造福于更多患者。