基于天然多糖类刺激响应型聚合物药物载体的构建及其在肿瘤治疗中的应用

发布时间：2020-08-02 10:12

【摘要】：传统抗癌药物分子在临床应用中存在水溶性差、非靶向递送、无选择性药物释放、药代动力学效果差、生物安全性低等诸多问题。刺激响应型聚合物纳米药物载体,作为智能型纳米药物载体的重要组成,具有化学结构明确、易功能化和卓越生物兼容性等显著优点,在肿瘤治疗研究中得到了广泛的关注。本论文以天然多糖类化合物为骨架,对其进行功能修饰获得了一系列肿瘤微环境响应型纳米药物载体,并深入评估了其在多种肿瘤细胞及肿瘤模型中的体内外抑瘤效果和作用机制。实验结果表明,所得聚合物药物载体具有生产成本低、载药量可调、药物递送效率高、血液循环时间长和安全可靠等优势,为抗癌药物纳米载体的优化发展提供了新方法。本论文主要研究内容及研究结果如下:1.以天然葡聚糖(DEX)为骨架,采用原子转移自由基聚合(ATRP)的方法,合成了一种还原性响应型聚合物药物输送系统(DEX-PCPT-b-POEGMA,简称为DCO),用于疏水性抗癌药物喜树碱(CPT)的递送。该两亲性聚合物的亲水部分为聚(乙二醇甲基丙烯酸酯)(POEGMA),用于增强亲水性和延长血液循环时间,疏水部分为含有二硫键(S-S)的CPT单体,用于实现药物的还原性响应型可控释放。该聚合物可在水溶液中形成尺寸均一的球形单分子胶束。一系列实验结果表明,该前药对人宫颈癌细胞(HeLa)和人乳腺癌细胞(MCF-7)均有明显的抗肿瘤活性。对比含有双碳键(C-C)的无刺激响应型前药,含有S-S的DCO前药拥有较高的肿瘤细胞凋亡率。与传统的抗癌药物相比,该实验所研究的还原性响应型聚合物前药DCO在载药率、胶束稳定性、制备成本及药物控释等方面均具有明显的优越性。本工作提供了一种极具发展前景的响应型聚合物前药的设计方法,为成熟发展聚合物纳米药物载体提供了新思路。2.为了充分发挥高分子聚合物的优势,我们进一步构建了一类基于α-环糊精(α-CD)聚轮烷(PRs)的超分子大环化合物,即载体PRs-聚(甘氨酸乙酯甲基丙烯酰胺)-co-聚(乙二醇甲基丙烯酸酯)(PR-PMGMA-co-POEGMA,简称为PRMO),用于克服药物在体内循环中面临的生物屏障。随后我们将药物阿霉素(DOX)通过腙键修饰在载体骨架上,形成pH响应型超分子大环化合物PRMO@DOX,实现了抗癌药物DOX的智能递送。得益于其独特的两亲性分子结构,PRMO@DOX可以在水介质中形成单分子胶束。在酸性肿瘤微环境中,前药中的腙键可以被迅速打开,从而准确、及时地释放出药物DOX。此外PRMO@DOX在肿瘤细胞中可同时破坏细胞核和线粒体,加速细胞凋亡。本实验所设计的PRMO@DOX可突破系列生物屏障,具有高载药率、快速的细胞摄取、酸响应药物控释、抗肿瘤活性强和全身毒性低等优势,体外和体内实验均表明该策略具有显著的抗肿瘤效果,这为基于聚轮烷载体的纳米药物的发展提供了一种新策略。3.在单响应型聚合物前药的基础上,进一步设计了一类基于β-环糊精(β-CD)的氧化还原双响应型药物递送系统,用于解决目前抗癌药物递送效率低和肿瘤穿透性差等问题。以CPT为模型药物,首先制备了两种分别含有S-S键和草酸酯键的CPT单体CPT_(GSH)和CPT_(ROS),用于谷胱甘肽(GSH)响应和活性氧(ROS)响应药物释放。其次,将两种功能化的疏水药物单体和亲水性OEGMA同时聚合到环糊精引发剂(CD-Br)上,形成氧化还原双响应聚合物前药CD-b-P(CPT_(GSH)-co-CPT_(ROS)-co-OEGMA)(CP_(GR))用于肿瘤的治疗。在肿瘤微环境中,高GSH浓度和高ROS水平会同时触发胶束的分解,抗癌药物被激活并从β-CD载体上释放出来。除此之外,为了充分说明双响应模式的优势,我们进一步合成了与之相对应的两种单响应药物递送系统CD-b-P(CPT_(GSH)-co-OEGMA)(CP_G)和CD-b-P(CPT_(ROS)-co-OEGMA)(CP_R)。体外和体内实验都证实了双响应递送系统(CP_(GR))比单响应递送系统具有更强的抗癌活性。这项工作有助于设计用于癌症治疗的多重响应型药物递送系统,显示出极具希望的医疗转化潜力。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ460.4;R96
【图文】：

化学刺激,药物释放,磁感应,氧化还原电位

5图 1-2 利用不同的物理或化学刺激触发药物释放，如磁感应、超声波、温差、光辐射、酶活性、氧化还原电位差或 pH 差等[19]。1.3.1 pH 刺激响应型纳米药物载体病理状态下（肿瘤，炎症）的人体组织(pH=6.2-7.2)，及其细胞中的内含体和溶酶体(pH=5.0-6.0)等都比正常组织及体液(pH=7.4)中酸度更强[22]。肿瘤酸性通常与肿瘤缺氧和细胞外乳酸积累有关[23]。生理和病理组织及其细胞中的 pH 值的差异是一种强有力的刺激因素，可以用来调节材料的性质，也可以用来获得特定的反应，如药物控释。一般情况下，当药物通过静脉注射给药时，药物有可能在到达肿瘤组

还原性,前药,两亲性聚合物,胶束

第 1 章绪论GSH 浓度高达 2-10mM[25]。此外，在细胞内吞过程中，γ-干扰素诱导的溶酶体硫还原酶(GILT)可以被激活，从而促进还原系统，因此，内含体，溶酶体等亚细胞器中的 GSH 浓度更高[26]。目前，氧化还原反应已被广泛用于药物递送载体和前药设计中，这些前药能够控制持续释放抗癌药物，减少目标区域外的释放及毒性。二硫键是还原性响应纳米载体中最常见的结构，二硫键与细胞内谷胱甘肽反应会发生断裂，导致胶束解体，药物被释放出来。例如，Ni 等人开发了一种可还原性裂解的喜树碱聚合物前体药物，用于 GSH 引发的药物递送[27]。如图 1-4 所示，以聚磷酸酯和叠氮基修饰的二硫键悬垂烷基为原料，通过 CuAAC 合成了具有氧化还原反应的聚合为前体药物(PBYP-g-ss-CPT)-b-PEEP。前药可在水中自组装形成聚合物胶束，在肿瘤还原环境下结构被破坏，二硫键断裂导致 CPT 的快速释放。除此之外，还原性高分子前体药物还可通过还原性敏感的二硫代二硫醚进一步交联，以增强药物的稳定性并引发药物释放[28]。

示意图,降解机理,过氧化氢,聚合物

西南大学硕士学位论文度为 100μM，大约是正常细胞的 100 倍[30]。因此，研究者们开发了各种对 ROS 敏感的药物递送系统。例如，Almutairi 的团队报道了一种新型生物相容性聚合物递药系统，该胶束在高氧化性环境中骨架发生降解，从而释放出药物[31]。其研究中表明，硼酸基与聚合物骨架之间的连接关系有两种，直接连接或者通过醚键连接，分别形成了两种不同结构的聚合物。这两种聚合物在正常生理环境下都是稳定的。但是一旦暴露在肿瘤环境中，过氧化物会诱导硼酸酯基团的裂解，最终导致聚合物的降解，释放出负载的药物，并且聚合物降解成小分子，很容易被人体清除。如图 1-5 显示了聚合物在模拟肿瘤微环境中的降解示意图，这种方法代表了一种新颖的可生物降解的肿瘤微环境刺激响应药物释放系统，为设计此类聚合物提供了新思路。

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