主动调控和分级靶向策略在聚合物纳米药物载体体内传输中的应用

发布时间：2019-04-19 13:45

【摘要】：聚合纳米药物/基因载体在体内传输过程中,必须克服重重生理障碍来实现最终的治疗效果。对于系统给药的体内递送过程,从纳米载体注入血液中开始,相继通过血液循环,肿瘤富集,组织渗透,细胞内化,药物释放,并最终作用于靶点等多个关键性步骤。在不同阶段,纳米载体在体内环境中会遭遇到不同的生理屏障,克服这些不同的生物屏障对纳米载体特征提出了不同的要求。在过去几十年中,聚合物纳米载体从性能单一的体系逐渐向动态、智能方向转变,从而增强最终的治疗效果。然而,由于体内生理障碍的复杂性,以及肿瘤微环境异质性,需要探索更加有效的载体设计策略。因此,本论文主要围绕聚合物纳米载体在体内输送过程中的障碍,利用并发展主动调节和分级靶向策略,来实现聚合物纳米载体的高效体内传输。基于此思路,论文可以进一步分为以下五个主要部分:一、多壳层非病毒PEG化聚阳离子基因载体的构筑。安全有效的基因递送载体设计是实现基因治疗的关键。传统的非病毒基因载体由于体内核酸酶和其他生物分子(如硫酸乙酰肝素)的存在在血液循环中很不稳定,这导致全身基因递送的效率特别低下。在这里,利用疏水作用来稳定和保护基于聚阳离子嵌段聚合物的基因载体,构建了一个多壳层的非病毒基因载体。通过在室温下首先将质粒pDNA与PEG-b-PAsp(DET)和PNIPAM-b-PAsp(DET)的混合嵌段共聚物之间静电络合(PEG为聚乙二醇,PNIPAM为聚异丙基丙烯酰胺;PAsp(DET)为侧链二亚乙基三胺修饰的聚天冬氨酸,可以被用作DNA络合的生物相容可降解的高效DNA传输载体),然后在体温下形成最终多壳层聚离子复合物胶束。由于PNIPAM的温敏效应,体温下会坍缩,在PEG外壳层和pDNA核之间形成疏水中间层。这种多层的结构显示出更紧密的pDNA络合能力,增强了对核酸酶攻击和聚阴离子交换的耐受性,导致了更长的血液循环和肿瘤富集效果以及在肿瘤组织的高效基因转染,负载治疗基因sFlt-1 pDNA的复合胶束也显示了较好的抗肿瘤效果。二、去PEG化分级靶向纳米载体的构筑。尽管聚乙二醇化纳米载体可以在血液循环中达到较好地"隐身"效果而被认为是很有希望的递送载体,但是PEG化将阻碍它们与细胞的结合,降低细胞摄取和内涵体逃逸的效率。为了解决PEG化纳米载体的两难困境,我们发展了基质金属蛋白酶(MMP)响应性去PEG化的的智能基因(PEG-GPLGVRG-PAsp(DET))和阿霉素药物递送载体(PEG-GPLGVRGDG-P(BLA-co-Asp))(GPLGVRG 和 GPLGVRGDG 为 MMP 可响应性裂解短肽;PEG为聚乙二醇,PAsp(DET)为侧链二亚乙基三胺修饰的聚天冬氨酸,P(BLA-co-Asp)为部分水解的聚苄基天冬氨酸),在MMP作用下,可暴露出正电荷的核层或靶向细胞的RGD配体。研究结果表明,可去PEG化纳米载体表现出更强的细胞内化和内涵体逃逸,最终达到了高效的基因转染或更大的细胞毒性。进一步地,构建了一种由三嵌段共聚物PEG-GPLGVRG-b-PCL-b-PGPMA(PCL为聚己内酯,PGPMA嵌段是一种模拟细胞穿透肽CPP的侧链胍基取代聚合物)自组装得到的MMP响应性不对称囊泡。大部分PGPMA(大约90%)分布在囊泡不对称结构的内层,可以更加高效的伪装PGPMA的功能。在MMP-2存在下,囊泡去PEG化,导致结构重排,PGPMA翻转暴露到载体表面(大约75%)。因此,所提出的囊泡系统可以用作一种递送药物的动态组装体,可以特异性在MMP高表达的组织中,促进对包封药物的摄取。当使用这种囊泡分别将亲水性MMP抑制剂和疏水性抗癌药物秋水仙素包封在囊泡内腔和疏水膜内,可以同时实现负反馈调节机制的MMP抑制剂释放和增强的细胞内化。MMP酶的稳态调节和细胞内抗癌药物的高效递送最终实现对高转移性4T1乳腺癌生长和转移的抑制。三、多级递送体系的构筑。前面两章节旨在解决聚合物纳米载体血液循环、肿瘤富集和细胞内化的障碍,然而在肿瘤实质和间质里,纳米载体还面临一个很重要的问题:组织渗透,这已经成为很多纳米载体在肿瘤组织层面具有抗药性的原因。为了克服聚合物纳米载体的多重生物屏障,同时实现药物的深层次肿瘤渗透和高效细胞内化等,通过阴离子嵌段共聚物PEG-bb-PAsp(EDA-DM)(PEG为聚乙二醇,PAsp(EDA-DM)为侧链二甲基马来酸酐修饰的聚天冬氨酸)和阳离子树枝状大分子聚酰胺-胺顺铂前药(PAMAM-Pt(Ⅳ))之间的静电络合制备了一种多级药物递送系统。由于PAsp(EDA-DM)的酸响应电荷反转特性,静电复合物胶束在pH 6.8下可以释放出二级载体PAMAM-Pt(Ⅳ)。结果证明释放的小尺寸PAMAM-Pt(Ⅳ)显示出高效的肿瘤组织渗透和细胞内化能力,随后在细胞内还原环境中释放活性抗癌药物顺铂。然而,仅仅依靠静电络合作用难以保证聚离子复合物胶束在体内环境中能够保持较高的稳定性。因此,进一步在聚合物中引入了疏水链段聚己内酯(PCL)以形成三嵌段共聚物PEG-b-PAsp(EDA-DM)-b-PCL。体内研究表明,因为疏水作用的存在,通过PEG-b-PAsp(EDA-DM)-b-PCL胶束和PAMAM-Pt(Ⅳ)形成的静电复合载体,可以实现长时间血液循环,通过EPR效应实现肿瘤富集,最终在肿瘤组织微酸性环境下,逐步释放小尺寸正电荷的二级载体,达到深层次组织渗透和高效细胞内化。另一方面,光敏剂纳米载体在肿瘤治疗中同样面临组织渗透和细胞内化问题,此外,肿瘤乏氧环境也严重影响光动力疗法(PDT)的效率。为了解决这些PDT的生物屏障,将过氧化氢(H_2O_2)和树枝状大分子光敏剂/光热剂(CC-PAMAM)负载到活性氧(ROS)响应性聚合物囊泡空腔中构建多级递送载体。在805 nm和660 nm激光作用下,光热效应将热不稳定的H_2O_2分解成02,缓解了肿瘤乏氧环境;PDT中产生的单线态氧使囊泡载体解体,从而释放出光活性的CC-PAMAM,在渗透性很差的高度乏氧的BxPC-3肿瘤中实现深层次渗透,达到光敏剂的均匀分布。基于光敏剂的高效渗透和乏氧环境的改善,BxPC-3肿瘤可以被PDT完全消融。四、自满足式过氧化氢响应性多功能纳米载体的构筑。与正常组织相比,肿瘤组织具有明显不同的微环境特征,为聚合物的内源性刺激响应提供了可能,如前面章节发展的MMP和酸响应性聚合物。然而,正常组织和肿瘤组织微环境之间的特征环境往往差异很小,而且肿瘤微环境具有很大的异质性,这就妨碍了刺激响应性聚合物纳米载体或前药的体内应用。本章提出了一种主动上调肿瘤组织微环境的策略,通过多功能聚合物纳米载体扩大正常组织和肿瘤组织之间的信号差异,为前药的高效释放提供可能。将促氧剂PA(Vc衍生物)共同负载进H_2O_2响应性喜树碱(CPT)聚合物前药胶束PEG-b-PCPTOEMA(PEG为聚乙二醇,PCPTOEMA为CPT聚合物前药),PA赋予了纳米载体在肿瘤组织中自满足式产生H_2O_2。H_2O_2的产生被证明特异性的发生在肿瘤部位,不仅提高了肿瘤的氧化应激压力,诱导肿瘤细胞凋亡,而且还作为H_2O_2来源引发化疗药物CPT从聚前药胶束中的释放。系统给药治疗结果显示这种纳米载体可以通过协同氧化-化疗实现对肿瘤生长的有效抑制。五、"自杀式"治疗型纳米反应器的构筑。在各种疾病的治疗和诊断应用上,酶负载的纳米反应器已经引起了巨大的研究兴趣。本章发展了具有放大肿瘤氧化疗法能力的葡萄糖氧化酶(GOD)负载的治疗型纳米反应器(theraNR)。theraNR由pH和H_2O_2双重响应性两亲性聚合物与GOD共组装得到。theraNR可以成功地将GOD递送到肿瘤部位并长期保留酶的活性。在肿瘤微酸和高糖环境中,可以选择性地在肿瘤部位发生酶催化级联反应以产生H_2O_2并同时刺激theraNR释放醌甲基化合物(QM)。QM可以与谷胱甘肽(GSH)发生亲核加成以消除GSH。最终H_2O_2和QM协同放大了肿瘤的氧化应激应力,实现了纳米反应器介导的酶氧化疗法。这种新型的治疗型纳米反应器同样可以解决氧化环境响应性高分子在肿瘤微环境中响应程度和速度慢(如本章使用的基于苯硼酸酯的聚合物)和肿瘤微环境异质性的问题;此外,这种治疗型纳米反应器可以进一步发展为高效的酶/前药传输体系。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ460.1
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本文编号：2460994