肿瘤微环境氧化还原响应型前药自组装纳米递送系统的研究

发布时间：2020-05-18 14:43

【摘要】：癌症严重威胁着全人类的健康。化疗是癌症治疗中最常用和最有效的策略之一。但是目前临床上应用的大部分化疗药都是细胞毒性药物,存在溶解度低、稳定性差、治疗窗窄和药动学性质不佳等缺点。近年来,前体药物和纳米技术在药物递送领域的广泛应用极大地丰富了抗肿瘤药物的递送策略。而基于小分子前体药物的自组装纳米递送系统将前药策略和纳米技术的优点结合到一起,以其载药量高、稳定性好、毒副作用低等优势,已成为近几年化疗药物递送研究的热点。不论是前药还是纳米递药系统,智能触发药物在靶部位的选择性释放对于制剂的有效性和安全性都非常重要。与正常细胞相比,肿瘤细胞内存在更高浓度的活性氧(ROS)和谷胱甘肽(GSH),这种特殊的肿瘤细胞氧化还原微环境已被广泛用于设计刺激-响应型药物递送系统。我们在前期工作中设计了一系列含有单硫键或二硫键的紫杉烷类小分子前药。我们发现这些前药都具有自组装能力,能够在水中自发形成稳定均一的纳米粒。单硫键具有氧化还原双重响应性,其中氧化敏感性非常强。而二硫键具有很强的还原敏感性。我们通过对二硫键的化学性质进行分析,推测二硫键可能也具有类似于单硫键的氧化敏感性,能够同时对肿瘤细胞高表达的ROS和GSH进行响应。同时,二硫键在前药中的位置可能会对自组装纳米粒的体内命运和药效产生影响。为了验证我们的猜想,我们选择紫杉醇(PTX)为模型药物,以香茅醇(CIT)为侧链,设计合成了不同位置二硫键桥连的紫杉醇-香茅醇前药,二硫键分别位于相邻酯键的α位(α-PTX-SS-CIT)、β位(β-PTX-SS-CIT)和γ位(γ-PTX-SS-CIT)。所设计的三种前药均能在水中自发形成均匀稳定的纳米粒。我们发现二硫键桥连前药具有氧化还原双重响应性,并解析了其氧化响应机制,即通过形成亲水性的亚砜或砜进而促进紫杉醇的释放。同时,我们还发现二硫键在前药中的位置会影响前药纳米粒的氧化还原响应释药能力。各组纳米粒氧化响应释药速率大小顺序为:α-PTX-SS-CIT NPsβ-PTX-SS-CIT NPsγ-PTX-SS-CIT NPs,还原响应释药速率大小顺序为:α-PTX-SS-CIT NPsγ-PTX-SS-CIT NPsβ-PTX-SS-CIT NPs。其中,α-PTX-SS-CIT前药具有显著的氧化还原双重超敏性。考察了前药纳米粒对肿瘤细胞的细胞毒性和在肿瘤细胞内的药物释放情况。α-PTX-SS-CIT前药具有氧化还原双重超敏性,在肿瘤细胞内释放紫杉醇的速度最快,因此具有比β-PTX-SS-CIT NPs和y-PTX-SS-CIT NPs更强的细胞毒性。考察了前药自组装纳米粒的药动学行为。前药纳米粒显著提高了紫杉醇的血药浓度-时间曲线下面积(AUC)。二硫键的位置对药动学行为有显著的影响,α-PTX-SS-CIT NPs,β-PTX-SS-CIT NPs和γ-PTX-SS-CIT NPs的AUC分别为泰素(Taxol)的8.4倍、11.9倍和16.6倍。而前药纳米粒释放的紫杉醇的AUC值依次为α-PTX-SS-CIT NPsβ-PTX-SS-CIT NPsγ-PTX-SS-CIT NPs。考察了DiR标记的前药自组装纳米粒的组织分布情况。与DiR溶液剂相比,前药纳米粒在肿瘤组织的荧光强度显著增加。γ-PTX-SS-CIT NPs的体内循环时间最长长,表现出比α-PTX-SS-CITNPs和β-PTX-SS-CIT NPs更高的肿瘤蓄积。考察了前药自组装纳米粒的体内抗肿瘤效果。与Taxol相比,前药纳米粒抗肿瘤活性更强,并具有良好的安全性。其中,α-PTX-SS-CIT NPs具有氧化还原双重超敏性,能够在肿瘤氧化还原微环境中更快的释放出紫杉醇,因此抗肿瘤活性最强。以上实验表明,二硫键在前药中的位置会显著影响前药纳米粒的药物释放、细胞毒性、药动学行为、组织分布和药效结果。目前针对肿瘤氧化还原微环境敏感的化学桥连以硫键为主,种类较少。因此,开发新型智能响应型化学桥连具有重要的科学意义和实用价值。与硫同族的硒同样具有一定的氧化还原敏感性。因此,我们设计合成了含有不同化学桥连的紫杉醇-香茅醇小分子前药,分别是:单硫键(PTX-S-CIT)、二硫键(PTX-SS-CIT)、单硒键(PTX-Se-CIT)、二硒键(PTX-SeSe-CIT)、单碳键(PTX-C-CIT)和碳碳键(PTX-CC-CIT)。所设计的六种前药均能在水中自发形成均一的纳米粒。我们发现硫/硒/碳键具有不同的键角和二面角,并对前药自组装纳米粒的稳定性有显著影响。其中,二硒键具有最接近90°的键角和二面角,在前药的自组装过程中,二硒键能够增加空间灵活性,平衡分子间作用力,增强纳米粒的稳定性,因此PTX-SeSe-CIT NPs具有最好的胶体稳定性。相比之下,单碳键和碳碳键的键角/二面角最大,不能提供良好的空间灵活性,因此PTX-C-CIT NPs和PTX-CC-CIT NPs的胶体稳定性较差。我们发现硫/硒键均具有氧化还原双重响应性。其中,氧化敏感性大小顺序为单硒键单硫键二硒键二硫键。还原敏感性则相反,二硫键二硒键单硫键单硒键。与硫/硒键相比,碳键没有氧化还原响应性。考察了前药自组装纳米粒对不同肿瘤细胞的细胞毒性和细胞内的药物释放情况。各组纳米粒细胞毒性大小顺序为PTX-SeSe-CIT NPsPTX-Se-CIT NPsPTX-SS-CIT NPsPTX-S-CIT NPsPTX-C-CIT NPs/PTX-CC-CIT NPs。PTX-SeSe-CIT NPs和PTX-Se-CIT NPs在肿瘤细胞内释药速度最快,因此细胞毒性最强。而PTX-C-CIT NPs和PTX-CC-CIT NPs在肿瘤细胞内几乎不释放紫杉醇,细胞毒性非常低。同时,考察了前药纳米粒对肿瘤细胞内ROS和GSH水平的影响。与硫键和碳键相比,单硒键和二硒键能够显著提高肿瘤细胞内ROS的含量并降低细胞内GSH的含量,通过改变细胞内氧化还原平衡态诱导肿瘤细胞凋亡。考察了前药自组装纳米粒的体内药动学行为。前药自组装纳米粒显著提高了紫杉醇的AUC。同时,硫/硒/碳键对前药纳米粒的药动学行为有显著影响。PTX-SeSe-CIT NPs 和PTX-SS-CIT NPs具有比PTX-Se-CIT NPs 和PTX-S-CIT NPs更高的AUC。这是因为二硒键和二硫键的键角/二面角增强了自组装纳米粒的胶体稳定性。同时,单硒键和单硫键具有极强的氧化敏感性,在血液循环中会更快地释放出母药,因此PTX-Se-CIT NPs和PTX-S-CIT NPs所释放出的紫杉醇的AUC更高。相比之下,PTX-C-CIT NPs和PTX-CC-CIT NPs由于胶体稳定性较差,在血液循环中纳米结构解体,因此AUC低于PTX-SeSe-CIT NPs。考察了DiR标记的前药自组装纳米粒的组织分布情况。与DiR溶液剂相比,前药纳米粒在肿瘤组织的荧光强度显著增加。PTX-SeSe-CIT NPs稳定性最好,AUC最高,因此具有最高的肿瘤蓄积。考察了前药自组装纳米粒的体内抗肿瘤效果。硫/硒键桥连的前药自组装纳米粒显示出比Taxol更强的抗肿瘤活性。其中,PTX-SeSe-CIT NPs的抗肿瘤效果最好,其次为PTX-SS-CIT NPs。相比之下,PTX-Se-CIT NPs和PTX-S-CIT NPs由于胶体稳定性稍差,在体循环中过早的释放出母药,因此抗肿瘤效果不如PTX-SeSe-CIT NPs和PTX-SS-CIT NPs。而PTX-C-CIT NPs和PTX-CC-CIT NPs胶体稳定性最差,且在肿瘤部位不能及时释放出紫杉醇,因此抗肿瘤效果最弱。以上结果表明硫/硒/碳键会显著影响自组装纳米粒的稳定性、药物释放、细胞毒性、药动学行为、组织分布和抗肿瘤效果。
【学位授予单位】：沈阳药科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R943

【相似文献】