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PNIPAM温敏聚合物纳米粒在抗肿瘤药物递送介绍
发布时间:2020-02-18   点击次数:537次

摘要:作为抗肿瘤治疗的主要手段,化疗最大的缺陷在于化疗药物缺乏肿瘤靶向性,易对正常组织产生高毒性,并导致治疗效果不理想。为解决这一问题,越来越多的聚合物纳米载体被用于递送抗肿瘤药物,包括对温度刺激能作出响应的温敏聚合物自组装纳米载体。本文综述了近年来温敏聚合物自组装载体及其纳米粒子的研究进展,并介绍了其在抗肿瘤药物递送中的应用。

 

温敏聚合物概述

 

1967 Scarpa[3]报道了聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)水溶液具有温度诱导相转变行为以来,温敏聚合物一直受到广泛关注。根据温敏聚合物在不同温度下的水中溶解度,可以将其分为2类。第类是当温度高于某温度时,聚合物水溶液呈现透明均一相,而当温度低于该温度时,聚合物链坍塌收缩,分子间聚集从水溶液中沉淀出来,发生两相分离,此相转变温度被称为极高临界共溶温度(upper criticalsolution temperature, UCST)[4]。报道较多的UCST 体系是聚丙烯酰胺和聚丙烯酸的混合溶液,Aoki [5]曾利用聚丙烯酸和聚N,N-二甲基丙烯酰胺聚合物水凝胶的UCST 现象实现了对药物可逆脉冲形式的释放。第类则相反,当温度低于某温度时,聚合物水溶液呈现透明均一相,而当温度高于该温度时,聚合物链坍塌收缩,从水溶液中沉淀出来,发生两相分离,此相转变温度被称为极低临界共溶温度(lower criticalsolution temperatureLCST)[6-8]。目前大多数用于生物医学的温敏响应性材料是LCST 型的聚合物。具有LCST 的典型聚合物有PNIPAm[9-11]、聚N-乙烯基己内酰胺(PVCL) [12-14]、聚甲基乙烯基醚(PVME)[15]、普朗尼克(PPO-PEO-PPO)[16-18]等。PNIPAm 是目前应用多的温敏聚合物,每年都有大量文章报道[19-20]PNIPAm 之所以受到关注是因其LCST 32 ℃附近,且基本不受分子量和浓度的影响。此外,PNIPAm 可通过传统或可控自由基聚合制备,条件简单不严苛[20]。另一个重要的温敏聚合物是PVCL,其相转变温度在30~50 ℃之间,且该类聚合物具有生物相容性,水解后不会生成氨基衍生物,也可通过自由基聚合来制备[21]PVME 的相变温度在36 ℃左右,但是由于制备该类聚合物要通过阳离子聚合,条件苛刻限制了其在生物医学上的应用[22]PPO-PEO-PPO 作为已经商业化的产品,由于其具有临界胶束温度(criticalmicelle temperatureCMT即自组装形成胶束的温度)而被广泛用作温度响应性药物递送系统[23]。大部分PPO-PEO-PPO CMT介于25~40 ℃之间。LCST 型聚合物的溶解性随温度的升高而降低,从水溶液中析出发生相分离的过程见图1,这一现象可由吉布斯自由能(G=HTS)来解释。当聚合物溶于水溶液中,聚合物和水分子之间形成大量氢键,放出热量,此时体系的焓变(H)为负值,而溶解过程中水分子围绕在聚合物溶质周围致使体系的熵变(S)减小(疏水效应)[24]。当整个体系处于较低温度时,聚合物和水分子间形成的氢键占主导作用从而使聚合物溶解于水中,呈现均一相;随着温度的升高,超过LCST 时,疏水效应占主导作用,导致体系的吉布斯自由能从负值变成正值,聚合物不能再溶于水溶液中,即从水溶液中析出发生相分离[25]

 

对于温敏聚合物而言,LCST 决定了其在生物医学上的应用,因此调节温敏聚合物的LCST 使其满足需求是非常重要的。将温敏单体和其他亲水或疏水性单体进行共聚来改变温敏聚合物的LCST 是目前应用最多的手段。通常而言,温敏单体和疏水性单体共聚会使共聚物的LCST 降低,相反,若温敏单体和亲水性单体共聚则能提高共聚物的LCST[26-27]。例如NIPAm 和亲水性单体N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAAm)通过自由基聚合得到共聚P(NIPAm-co-DMAAm)。由图可知,共聚物的LCST 均高于均聚物PNIPAm(32),且随着共聚物中亲水单体DMAAm 的比例增加,共聚物显示出较高的LCST

杭州新乔生物科技有限公司是国内知名的温敏聚合物和共聚物生产厂家,我公司可以提供各种无机有机温敏纳米颗粒的材料。部分材料如下:

PNIPAm-b-PEG

P(NIPAM)-NHS

P4VP-NHS

P2VP-NHS

PS-PPBD  Poly(styrene)-2-phenyl-2-propyl benzodithioate

PLGA-PLL

P4VP-NHS-sulfo

PAMAM-PLA-COOH

PLGA-His

mPEG-PCL-SH

PLA-PEG-MTZ

PNIPAM-b-PCL

PEG-b-PNIPAM-b-PCL

PNIPAM-b-P2VP

PNIPAM-b-P4VP

PNIPAM-b-PEA

PS-b-PNIPAM-b-PS

PNIPAM-b-PC聚碳酸酯温敏胶束

MPEG-PC 聚乙二醇-聚碳酸酯

PNIPAM-b-PAzPy2

PNIPAM-b-PVCL

P(MAC-co-DTC)-b-PNIPAM

PNIPAM-b-PAzoM

PNIPAM-b-PZLL-b-Mpeg

PVEA-b-PNIPAM-b-PVEA

PNIPAM-b-PAA

PNIPAM-b-PtBA

PNIPAM-b-PVC-b-PNIPAM

PEO-b-PNIPAM-b-PAA

Au@PNIPAM-b-PPy

PNIPAM-b-PAzPyn

PNIPAM-b-HTPB

 

 

温敏自组装聚合物的类型及应用

 

2.1 聚合物胶束

聚合物胶束是由两亲性聚合物自组装形成的具有亲水外壳和疏水内核的纳米粒子,可以作为

疏水性药物的载体,具有稳定性好、可增加难溶性药物溶解度、使药物靶向肿瘤部位并缓慢释放、降低不良反应、提高生物利用度等优点,是一种优良的载药系统。近年来很多研究者设计合成了包含温敏链段的嵌段共聚物并针对其自组装形成的温敏胶束对于抗肿瘤药物的包载和递送情况进行了探究。按结构来分,这些胶束大致可以分成2类,一类是以温敏链段(PNIPAmPVCL)为疏水内核的胶束,另一类是以温敏链段为亲水外壳的胶束。

 

2.1.1以温敏链段为核的胶束 以温敏链段(PNIPAmPVCL)作为疏水内核的胶束是指由温敏单体和亲水性单体共聚得到温敏聚合物,在低于LCST 的温度下,该温敏聚合物完全溶于水中,在高于LCST 的温度下,温敏链段由亲水变为疏水,此时的温敏聚合物具有两亲性,能够在水中自组装形成胶束,并达到一定的缓释效果。

 

例如Ahn [28]利用海藻酸钠和单端氨基化的聚N-异丙基丙烯酰胺(NH2-PNIPAm)反应得到了海藻酸钠接枝PNIPAm 聚合物,并在37 ℃下透析制备了以温敏链段为核载疏水性多柔比星的载药胶束,见图3,发现该载药胶束在37 ℃下释放较缓,96 h 后累积释药量才达90%。研究者采用5周的小鼠建立鳞状细胞癌SCC7 皮下肿瘤模型,当肿瘤体积长至200 mm左右,以FCR-675 荧光染料修饰的上述海藻酸钠-PNIPAm 胶束静脉注射入小鼠体内,观察48 h内小鼠模型在670 nm 红外波长下的荧光图像,并对主要器官和肿瘤拍摄荧光照片。如图所示,游离的FCR-675 荧光染料在注入小鼠体内6 h 内有较强的信号,但随着时间延长信号逐渐减弱;而FCR-675 修饰的海藻酸钠-PNIPAm 胶束在肿瘤部位出现较强的近红外荧光

信号,可见海藻酸钠-PNIPAm 温敏胶束由于高通透性和滞留(EPR)效应能够被动靶向至肿瘤部位。48 h 后各主要器官和肿瘤荧光照片再次证实了海藻酸钠-PNIPAm 温敏胶束在肿瘤部位有大量的聚集。此外,以生理盐水、游离DOX 为对照组,海藻酸钠-PNIPAm 温敏载药胶束为实验组,每组以尾静脉注射给药次,给药时间为02468 d,给药剂量均为1.2 mg·kg进行体内抑瘤实验,结果显示生理盐水组和游离DOX 周内肿瘤体积增至3 500 mm3,而海藻酸钠-PNIPAm 温敏载药胶束组表现出良好的抑瘤效果,证明该温敏胶束对多柔比星具有一定缓释作用。

He [29]合成的由聚乙二醇(PEG)、聚丙烯酸(PAA) PNIPAm 组成的三嵌段共聚物

PEG-b-PAA-b-PNIPAm 也有类似现象,当温度低于LCST 时,该聚合物完全溶于水中,温度高于LCST时,PNIPAm 嵌段转变为疏水段,从而使聚合物自组装形成以PEG PAA 为壳、PNIPAm 为核的温敏胶束,并发现在25 ℃下,由于温度低于LCSTPNIPAm 转变成亲水性致使胶束结构被破坏,10 h释药量已达90%,而在37 ℃下,载药胶束10 h释药量为20%120 h 后累积释药量仅60%,有效地实现了对多柔比星的缓释。除了常见的以PNIPAm 作为温敏链段的胶束,聚N-乙烯基己内酰胺(PVCL)也被用于制备温敏聚合物胶束。Prabaharan [30]利用PVCL 的温敏性质合成的含有叶酸(FA)的主动靶向型温敏聚合物PVCL-b-PEG-FA 也得到了37 ℃下缓慢释药的结果。

 

2.1.2以温敏链段为壳的胶束 “2.1.1”中以温敏链段为核的温敏胶束是通过温度刺激使聚合物自组装形成胶束,并利用胶束结构的稳定性实现其疏水核内包裹的脂溶性药物的缓慢释放。但是以温敏链段作为疏水核限制了此类胶束包载多种脂溶性药物的可能性,因此越来越多的研究者致力于研究以温敏链段作为亲水外壳的温敏胶束。这类温敏胶束是由一定比例的温敏单体和疏水性单体共聚得到的聚合物在LCST 以下自组装形成的,并利用EPR 效应被动靶向至肿瘤部位,而在LCST 以上,温敏的亲水外壳对温度刺激作出响应转变为疏水壳,使胶束结构发生变化从而控制药物释放。根据药物释放行为的不同可以将以温敏链段为壳的温敏胶束分成类,一类是温度响应快速释药型胶束,另一类是温度响应缓释型胶束。

 

2.1.2.1 温度响应快速释药型胶束 温度响应快速释药型胶束是指当温度高于LCST 时,温敏亲水外壳作出响应转变为疏水壳,使胶束结构被破坏导致疏水核中药物快速释放的胶束。Okano 课题组[31]最早报道的聚N-异丙基丙烯酰胺-b-聚甲基丙烯酸丁酯(PNIPAm-b-PBMA载多柔比星胶束,其相转变温度为32.5 ℃。当温度>32.5℃时,胶束的亲水壳坍塌收缩使胶束结构变形,此时该温敏聚合物胶束表现出快速释药行为,而温度<32.5 ℃时则释药缓慢。其体外细胞实验也得到了一致的结果,相比于29 ℃条件下,37 ℃时载药胶束对肿瘤细胞显示较大的毒性。该温敏胶束成功实现了对高于LCST的温度刺激作出响应并快速释放多柔比星。

S. Chattopadhyay 课题组[32]分别利用PNIPAmPVCL 作为温敏链段,合成了种叶酸修饰的四臂星型嵌段温敏聚合物PE-PCL-PNIPAm-FA PE-PCL-PVCL-FA,其LCST 分别为3239 ℃。上述种温敏聚合物均能在水中自组装形成温敏胶束,当温度升至其LCST 以上,温敏胶束的粒径减小,这是由于温敏链段收缩导致的。研究者利用上述温敏胶束对DOX 进行包载发现,种胶束载药量均>20%,具有较好的DOX 包载能力。体外释放实验发现当温度低于LCST 时,PE-PCLPNIPAm-FA PE-PCL-PVCL-FA 2 种载药胶束24 h 累积释药量为7.8%9.7%,而当温度超过LCST 时,24 h 累积释药量达到66.1%78.5%,可见温度升高促使温敏胶束内的多柔比星快速释放。研究者以小鼠皮下神经胶质瘤模型进行体内抑瘤实验,分别将生理盐水、游离DOX、空白PE-PCL-PVCL-FA 温敏胶束、没有叶酸修饰的PE-PCL-PVCL DOX 胶束和叶酸修饰的PE-PCL-PVCL-FA DOX 胶束组制剂以尾静脉注射给药方式注射入小鼠体内,并于注射1 h 后将小鼠肿瘤部位放入预先加热至40 的水浴中30 min。为期28 d 隔天给药的抗肿瘤治疗结果显示游离DOX 组抑瘤率为20.2%,但是游离DOX组小鼠体质量下降严重,没有叶酸修饰的PE-PCLPVCLDOX 胶束组抑瘤率为31%,叶酸修饰的PE-PCL-PVCL-FA DOX 胶束抑瘤率高达83.9%,且没有发生小鼠体质量下降现象,见图5

Peng [33]报道的P(NIPAAM-co-PEGMEA)-b-PCL 三嵌段温敏聚合物,其LCST 43 ℃,采用溶剂挥发法能够制备成胶束。研究者利用该胶束对光引发剂IR-780 和热休克蛋白抑制剂17-AAG进行了包载,并发现包载了光引发剂IR-780 的胶束在808 nm 激光下照射2 min 温度能达到45 ℃。利用此特点,研究者对小鼠结肠癌细胞模型进行了光热治疗结合化疗的体内抑瘤实验。如图所示,对照组和个实验组对小鼠体质量均没有造成较大的变化;单独包载IR-780 17-AAG 的胶束组相比对照组有一定抑瘤效果,同时包载了IR-780 17-AAG 的胶束组表现出比其他组优异的抑瘤效果,可见光热治疗促使该温敏胶束温度升至超过其LCST,诱导温敏嵌段PNIPAm 坍塌,胶束结构被破坏,加速包载在胶束核内的17-AAG 释放,从而达到了优良的抑瘤效果。

此外,还有例如Kim课题组合成的LCST接近37 ℃的聚N-异丙基丙烯酰胺-b-聚组氨酸两嵌段温敏聚合物(PNIPAm-b-PHis),并制备了载多柔比星胶束,见图7a,考察了载药胶束在不同温度下的释放行为。结果发现在152535℃下多柔比星释放均较慢,持续释放60 h后释药量高仅30%,而当温度升至LCST附近,或者高于LCST (45 )时,释药速度明显加快,60 h累积释放量分别为60%80%,见图7b。细胞实验结果显示,在℃下载药胶束显示较低的毒性,此时肿瘤细胞的存活率为80%左右,而当温度升至25 ℃时细胞存活率逐渐下降,升至37 ℃时细胞存活率急剧下降,见图7c [34]

 

2.1.2.2 温度响应缓释型胶束 目前报道的以温敏链段为壳的温敏胶束中,绝大多数都是一类温度响应快速释药胶束,但是也有不少研究者提出了不同的看法,当温度高于LCST 时,温敏亲水外壳变成疏水层坍塌收缩在疏水核外部,这给包载在疏水核内的抗癌药物的释放增加了阻碍,导致药物释放变缓,即温度响应缓释型胶束。Liu [35]

 

报道了LCST 31.5 ℃的两亲性接枝共聚物聚N-异丙基丙烯酰胺-g-2-(N咔唑丙烯酸乙酯(PNIPAm-g-PCbzEA),利用透析法在低于LCST 温度下成功制备了包载氨甲喋呤的温敏胶束,相比低于31.5 ℃下的释放,该胶束在高于31.5 ℃时释药速率较慢,释药量也较低,研究者认为温度低于LCST 时,氨甲喋呤的释放仅是从胶束的疏水内核中扩散至亲水外壳再至外部介质中,但是当温度高于LCST 时,亲水外壳变成疏水层坍塌收缩在疏水核外部,这给氨甲喋呤的释放增加了一层阻碍致使药物释放变缓,见图8,利用该温敏胶束对生理条件(37 ℃)的刺激作出响应后能延缓抗癌药物释放这一特点,容易实现既对正常组织产生较低毒性,又能通过EPR 效应靶向肿瘤达到抗肿瘤效果。

杭州新乔生物科技有限公司是国内知名的温敏聚合物和共聚物生产厂家,我公司可以提供各种无机有机温敏纳米颗粒的材料。部分材料如下:

MPEG-b-PNIPAM-b-MPEG

PNIPAM-b-PDMS-b-PNIPAM

PHEMA-b-PNIPAM

PFS-b-PNIPAM

PNIPAm-NH2

PNIPAM-b-PNVP

PLA-b-PNIPAM(N-异丙基丙烯酰胺)-聚乳酸

P(NIPAM)-PAA(N-异丙基丙烯酰胺)-聚苯烯酸

PNIPAM-MSNs(N-异丙基丙烯酰胺)-介孔硅

(N-异丙基丙烯酰胺)-聚乙二醇PNIPAM-PEG

PS-PNIPAM 聚苯乙烯-(N-异丙基丙烯酰胺)

PVP-PNIPAM聚乙烯吡咯烷酮-(N-异丙基丙烯酰胺)

P4VP-PNIPAM(N-异丙基丙烯酰胺)共聚物

PEG-PNIPAM-PCL(N-异丙基丙烯酰胺)-光敏聚合物

PS-PNIPAM-PS

 

PNIPAM- b-PLGA

PMAA-b-PNIPAM,

PDMA-b-PNIPAM

(PNIPAMm-b-PNVPn)

HS-PNIPAM

PLA-b-PNIPAM

PtBA-b-PNIPAM

N-异丙基丙烯酰胺共聚丙烯酸PNIPAM-PAA))纳米粒子

聚丙烯酸钠-介孔二氧化硅

聚丙烯酸钠-无机纳米颗粒组装体PAAs@INPs

Fe3O4@(PNIPAM-b-PAzoMA)纳米颗粒

Chitosan-HZ-DOX 壳聚糖-腙键-阿霉素

P(NIPAM-AA)/Fe3O4温敏磁性双重响应复合微球

双重pH敏感的聚多肽胶束载体

电荷反转聚合物包裹纳米金粒子

hy-PEI-g-PCL-b-PEG

偶氮苯修饰介孔二氧化硅颗粒

香豆素修饰介孔二氧化硅纳米颗粒

刺激响应型介孔硅纳米颗粒

纳米阀门智能响应介孔二氧化硅颗粒

环糊精-聚乙烯亚胺包裹介孔硅颗粒

PEI-β-PEI包覆介孔硅颗粒

葫芦脲包裹介孔硅纳米颗粒

酸响应的纳米阀门介孔硅颗粒

聚缩醛-纳米金封堵介孔硅纳米颗粒产品

(N-异丙基丙烯酰胺)修饰介孔硅纳米颗粒

PNIPAM包裹介孔硅纳米颗粒-温度敏感

PNIPAM-b-PAA修饰介孔硅纳米颗粒

ROS-温度双重响应三嵌段聚合物 PPS-b-PDMA-b-PNIPAAM

PPS-PNIPAm温度和ROS双重响应材料

PNiPAm-MSNs(N-异丙基丙烯酰胺)修饰介孔二氧化硅纳米颗粒

PH响应共聚物PEG-b-PCL-b-PAE

p H响应的电荷可反转的荧光嵌段聚合物MPEG5000-PU

ε-己内酯-聚乙烯亚胺(PCL-PEI)

ε-己内酯-聚乙烯亚胺-叶酸(PCL-PEI-FA)

环形聚(N-异丙基丙烯酰胺)-b-线形聚己内酯(c-PNIPAM)-b-PCL

PNIPAM-b-PCL

PNIPAM-b-PEG-COOH

PNIPAM-b-PEG-NH2

PNIPAM-b-PEG-NHS

PNIPAM-b-PEG-MAL

PAMAM-PEG-CTX

PAMAM-PEG-Angiopep

(N-异丙基丙烯酰胺)-b-(丙烯酰胺基苯硼酸)(PNIPAM-b-PAPBA)

聚(N-异丙基丙烯酰胺)-b-聚(丙烯酰葡萄糖胺), PNIPAM-b-PAGA

 

2.2 聚合物囊泡

聚合物囊泡是另一类由两亲性聚合物在水中自组装形成的以疏水链段为夹心、亲水链为内外

层的双分子层纳米粒子。两亲性聚合物在水中自组装形成的结构形态取决于两亲性聚合物分子中亲疏水链段的比例。Discher [36]提出,当亲水链段体积分数在20%~42%时,可形成双分子层结构的聚合物囊泡,随着亲水链段体积分数增大,自组装体的形态可从聚合物囊泡转变为聚合物胶束。与聚合物胶束不同的是,聚合物囊泡可同时包载亲水性药物和疏水性药物,因此吸引了很多研究者的兴趣。近年来,很多研究者将聚合物囊泡和温度刺激响应结合起来,设计了新型的通过温度刺激促进聚合物囊泡形成或者控制药物释放的温敏聚合物。按应用来分,温敏囊泡大致可以分成两类,一类是对温度刺激作出响应形成的缓释型温敏囊泡,另一类是温度响应快速释药型囊泡。

 

2.2.1缓释型温敏囊泡 缓释型温敏囊泡主要是指LCST 低于生理条件37 ℃的温敏聚合物自组装形成的囊泡,这类温敏聚合物在低于LCST 时能够溶于水中,当温度高于LCST 时温敏链段变成疏水段促使聚合物自组装形成囊泡结构,利用囊泡结构对水溶性或脂溶性的抗癌药物进行包载从而达到缓释的目的。例如Du 课题组[37]设计的对温度刺激作出响应能形成囊泡的两嵌段温敏聚合物,聚乙二醇-b-N-(2-乙氧基-1,3-二氧六环)丙烯酰胺(PEO-b-PtNEA)。研究者通过PtNEA 嵌段分子量的不同来调节该聚合物的亲疏水比例和相转变温度,合成的系列温敏聚合物在低温下均能溶于水中,但当温度升高至37 ℃时PEO45-b-PtNEA172 在水中能自组装形成囊泡结构,该囊泡结构能对亲水性荧光素和疏水性多柔比星进行包载,且在37℃下多柔比星释放缓慢,10 h 释药量为10%,有效实现了对多柔比星的缓释。

 

Xu [38]选用分子量5 000 PEO 合成的三嵌段共聚物PEO-PAA-PNIPAm,该共聚物的LCST32 ℃左右,在温度低于LCST 的水溶液中聚合物是完全溶于水的,当温度超过LCST 时,温敏链段PNIPAm 变成疏水性从而坍塌收缩,使聚合物表现出两亲性,并能够在水中自组装成囊泡结构,并通过使疏水膜和外亲水壳交联得到结构更加稳定的温敏囊泡实现缓释药物。

 

Qin [39]合成了一系列PEG-PNIPAm 嵌段共聚物,其中PEG 的质量分数介于7.6%~74.1%

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