华南理工大学Acc. Chem. Res.综述: 基于肿瘤酸度响应的马来酸酰胺用于癌症智能载药
【引言】
纳米药物因为可以在肿瘤区域选择性地富集，受到了广泛的关注。在过去的几十年中，科学家开发出了很多种纳米载药体系。这其中，不少载药体系已经取得了临床应用资格，还有很多在临床探索阶段。尽管如此，整体上来说，这些癌症纳米药物的治疗效果并不尽如人意。在早期的研究中，科学家过分注重提高纳米粒子在肿瘤部位的富集，而忽略了纳米药物的疗效很大程度上是由纳米药物从注射部位到作用部位所需要克服的传递障碍所决定的。这些传递过程可以简要概括为血液循环、肿瘤部位的血管渗出和富集、肿瘤组织的渗透、肿瘤细胞摄取以及胞内药物释放。因此，需要提高纳米粒子在每一个环节的传递效率。由于不同递送环节的微环境都是不一样的，因而对于纳米粒子而言，每一步的优化条件都是不同的，甚至是相互矛盾的。可以说每一步传递过程都会为纳米粒子的设计设置一个障碍。传统的药物传递体系虽然有一定的优点，却不能同时克服这些障碍。理想的药物传递体系需要满足传递过程每一步的要求，包括持续很久的循环过程，增强的血管外渗和肿瘤富集，高效的肿瘤渗透，良好的细胞摄取以及可控的细胞内药物释放。
刺激响应的纳米粒子由于可对局部微环境响应，可以克服在药物传递过程中的种种障碍。在这些刺激中，pH响应最常见，因为不同的组织和细胞器都具有不同的pH值。比如肿瘤微环境会比血液更酸性，而溶酶体这类细胞器会更酸性一些。通过利用这些pH变化，一系列基于pH响应的传递体系被开发出来，用于克服传递过程中的障碍。然而很多这类智能响应体系都是针对细胞内pH响应的，对肿瘤酸性环境响应的纳米药物依然较少。
华南理工大学王均教授、杜金志特聘研究员在Acc. Chem. Res.上，发表了题为'Tumor-Acidity-Cleavable Maleic Acid Amide (TACMAA): A Powerful Tool for Designing Smart Nanoparticles to Overcome Delivery Barriers in Cancer Nanomedicine'的综述。在这篇综述中，作者系统地总结了他们团队在基于TACMAA的纳米载药体系设计思想，以及利用TACMAA帮助纳米载药体系克服传递过程中的种种障碍。这篇综述主要分为五个部分，TACMAA的化学，肿瘤酸度引发的电荷反转，肿瘤酸度引发的壳分离，肿瘤酸度引发的尺寸变化，肿瘤酸度引发的配体重活化。
1. MAA化学基础
一般的酰胺键只会在极端的酸性条件下才会降解，然而，MAA衍生物的酰胺键在温和的酸性环境中就会被切断。这种增强的pH灵敏度主要归结于邻位的羧基可以轻易地进攻酰胺键的羰基，形成五元环。
2.肿瘤酸度诱导的电荷反转
表面电荷在调控纳米粒子的体内行为上有着非常重要的作用。通常情况下，显负电和电中性的纳米粒子可以表现出较长的血液循环和更好的肿瘤富集，但是不能有效地被癌细胞吞噬。相反，带正电的纳米粒子可以有效地被癌细胞吞噬，但很容易在血液循环中被免疫系统清除。因此血液循环和细胞吞噬对纳米粒子的设计要求是不一样的。理想的纳米粒子在血液循环中应该保持惰性，在富集在肿瘤细胞附近时，又可以立刻被癌细胞识别。
Figure 1.PAMA-DMMA纳米凝胶的表征
(a).酸性环境诱导PAMA-DMMA纳米凝胶的电荷变化
(b,c).化学结构和酸性触发机理
(d).PAMA-DMMA纳米凝胶在pH6.8时的Zeta点位随时间的变化
(e).FITC标记的PAMA-DMMA在pH7.4和pH6.8的胞吞效果对比
(f). FITC标记的PAMA-DMMA在肿瘤组织中的分布
Figure 2.负载阿霉素的两性离子纳米粒子的表征
(a).负载阿霉素的两性离子纳米粒子在肿瘤酸性环境中的表面电荷变化示意图
(b).血浆中阿霉素浓度的变化
(c).肿瘤组织中阿霉素浓度的定量分析
(d).动物实验
3.肿瘤酸度诱导的壳分离
除了诱导直接的电荷变化，TACMAA也可以触发纳米粒子的壳分离。纳米粒子的PEG化可以保护纳米粒子不至于迅速从体内清除，然而PEG化的纳米粒子却不能有效地被细胞吞噬。有效的方法就是在纳米粒子被运输的时候，用PEG将纳米粒子保护起来；而当纳米粒子到达肿瘤区域时，将PEG移除。
Figure 3.PEG修饰的纳米粒子在载药中的应用
(a).PEG在肿瘤微环境中从带正电的纳米粒子上移除
(b).Cy5-siRNA在肿瘤组织中的富集
(c).动物实验
4.肿瘤酸度诱导的尺寸变化
在所有纳米药物传递的障碍中，肿瘤穿透是长期的研究瓶颈，也大大限制了纳米药物的治疗效果。前期的研究证明，尺寸较小的纳米粒子比尺寸较大的纳米粒子更容易穿透组织，但是尺寸较小的纳米粒子在体内很容易被清除。因此需要纳米粒子在传递过程中具有较大的尺寸，当在肿瘤区域富集时，可立即转变为较小的尺寸。
Figure 4. 尺寸变化的纳米粒子在载药中的应用
(a).PEG在肿瘤微环境中从纳米粒子上移除
(b).负载siRNA的纳米粒子的药代动力学
(c).Cy5-siRNA在表达GFP的细胞上的荧光强度
5.肿瘤酸度诱导的配体激活
表面修饰了生物活性的配体或穿膜肽的纳米粒子，与细胞的接触机会会大大增加。然而这些修饰会触发细胞内的免疫识别。因此对纳米粒子的设计要求是，在传递过程中将配体隐藏起来，而在肿瘤位点再将配体激活。
Figure 5.配体激活的纳米粒子在载药中的应用
(a).PCL-CDM-PAMAM/Pt的结构，及其在肿瘤微环境中的自组装
(b).iCluster的免疫荧光图像
(c).肿瘤生长曲线
(d).小鼠存活率
【结论与展望】
在这篇综述中，作者总结了课题组在过去八年的时间中在开发肿瘤酸度响应纳米药物载体的工作与研究进展，尤其是基于TACMAA的传输体系在癌症治疗中的应用。四种纳米粒子设计策略被用于载药纳米粒子的发展，肿瘤酸性引发的电荷变化，肿瘤酸性引发的壳分离，肿瘤酸性引发的尺寸变化以及肿瘤酸性引发的配体活化。
在以后的发展中，也存在一些问题和挑战。首先，目前所有基于TACMAA的体系都被用于原发性肿瘤的治疗，而转移肿瘤的治疗至今未知。其次，之前的工作主要为构建肿瘤酸性环境响应的载药体系的药物传递效率，而对于肿瘤成像、诊断未有涉及。第三，虽然TACMAA可以在肿瘤酸性环境中迅速降解，但是要实现彻底反应依然需要较长的时间。最后，后期的研究应该集中在开发具有TACMAA结构的聚合物，使其具有结构简单、生物相容性好等优点，从而推动相关转化研究。
文献链接：Tumor-Acidity-Cleavable Maleic Acid Amide (TACMAA): A Powerful Tool for Designing Smart Nanoparticles to Overcome Delivery Barriers in Cancer Nanomedicine(Acc. Chem. Res., 2018, DOI: 10. 1021/acs.accounts.8b00195)
本文由材料人学术组gaxy供稿，材料牛整理编辑。