怎么样瘦腰最有效理解纳米材料与生物系统的相互作用以改善基于纳米载体的药物输送

2021年2月1日发(作者：包皮环切术多少钱)


理解纳米材料与生物系统的相互作用以改善基于纳米载体的药
物输送

摘要

在注射到静脉中后，
癌症靶向纳米粒子到达他们的反应点并且引起期望 的生物反
应的能力。
这种能力在活体治疗上获得临床效益来说非常重要。
在纳米粒子在 人
体的旅途中，
他们必须成功穿过生物环境例如血液循环，
肿瘤微环境。
发生 在纳
米粒子与生物组分之间的界面上的相互作用是复杂的，
因此，
我们需要深入了解< br>这种相互作用，
设计出具有多量程治疗指数的纳米粒子。
这篇文章综述了纳米粒
子由于多量程的重要的生物舱导致的一些挑战。
描述了出现在每个阶段的重要的
生物纳米体系相 互作用，
并讨论了克服以上挑战的潜在策略。
本文建议为了获得
能够最佳的调整本身的 物理化学性能的纳米粒子，
从而获得预期的生物反应设计
一些注意事项。
这些注意事项 预计会对化学家、
工程师和临床科学家针对癌症治
疗在设计高效输送平台方面提供帮助。

介绍

通过影响癌症的临床诊断，
预防和治疗方法，
纳米技术在 改善癌症治疗方面展现
出巨大的潜能。
特别是，
使用纳米规格的载体的靶向药物输送能 够保证合并的药
物分子的治疗指数
（药物的毒性剂量和治疗剂量的比值）
得到真正的提 高；
实际
上，
当前应用于临床试验上的很多纳米技术已经不属于前沿技术了，
或者说他们
已经应用于临床装置中了。
尽管人们在这个领域已经取得了很大的进展，
但 仍然
存在一些问题使得纳米技术不能快速的应用于临床癌症治疗当中，
例如，
多变的< br>药物代谢动力学，
纳米粒子的弱稳定性，
选择性肿瘤积累不足，
药物的过早释放
等。
在多变的生理和病理环境中纳米粒子系统可以根据以上问题进行调整从而克
服他们 的主要缺点，
即便不能克服所有缺点，
以维持他们的期望的生物作用。
因
此，
为了设计一个有效的纳米粒子系统，
需要对出现在纳米材料和物系统
（例如，
纳米
-
生物体系的相互作用）
之间的药物输送过程的每一阶段有一个全面的了解。

图一
：
纳米粒子向肿瘤细胞输送药物时的生物障碍。
为了获 得有效的治疗结果纳米粒子必须
（
a
）在血液循环系统中存活，（
b
）穿过肿瘤血管并通过溢出物累积在肿瘤点，（
c
）通过
细胞外基质扩散到肿瘤细胞表 面，（
d
）通过特异性配体受体对结合与靶向细胞表面相互作
用，并且（
e< br>）通过内吞作用内化并通过降解路径到达亚细胞靶点。

图一

描述了 纳米粒子从注射到人体内到到达目标点这段距离遇到的重要的体内
障碍物。
为了得到一个成功的 治疗结果。
纳米粒子必须要在血液循环中保持完整
的结构，聚集在肿瘤点，通过细胞外基质扩散 ，与细胞膜相互作用
,
内化到目标
细胞
,
并达到亚细胞的目标。




在每个阶段
,
周围的微环境都扮演 了一个重要的
,
但不同的角色决定
NP
的命
运。
每一阶段发 生的重要的相互作用的巨大的差异需要纳米粒子发展为在多变的
生理环境下能够发挥最佳的作用。

本文总结了最近的对发生在这些阶段的
nano-bio
的相互作用的理解的进展 。
将这些阶段分成多个节点来描述
NPs
与肿瘤微环境
,
膜和受体以 及与细胞内的隔
间的相互作用。在每一节中
,
我们将讨论每个生物环境的化学和结构组 成
,
与
NP
输送相关的环境的挑战
,
以及实施各种方法来克 服形成期望的
nanobio
相互作用
所遇到的的挑战。我们的目的是对

这些重要的相互作用做一种简洁的概述

，并
建议关键的设计原理，这是由于
NPs
被认为能够帮助设计更好的最终用来抗癌
治疗的纳米材料。

纳米粒子与肿瘤微环境的相互作用

肿瘤微环境

实体肿瘤的微环境 是高度复杂和紊乱的，
常会有血管异常和独特的病理。
与
健康的组织不同，
肿 瘤管脉系统的分布是不对称的，
血管结构会发生扩张，
还会
出现高水平的混乱现象（图
2a
）这些血管的异常加上血管被快速增殖的肿瘤压
缩
,
就会影响血 液流动和削弱肿瘤灌注。为了保持肿瘤的快速增殖
,
肿瘤细胞通过
血管生成的过程不断 产生新血管。肿瘤的血管生成是失调的
,
或者是生理受损的
,
由于过多的血管 再生催化剂
,
包括血管内皮生长因子
(VEGF),
基本成纤维细胞生
长因子
(bFGF)
和肿瘤坏死因子
-
α(TNF
-
α ),
导致有缺陷的内皮缝隙连接（一般为
200-800nm
）生成。这导致实体肿瘤 出现血管泄露以及新陈代谢生理变异现象。

由于反常的生理和新陈代谢，肿瘤与正常组织相比 在
PH
值，营养物，氧含
量以及氧化还原梯度等方面存在明显的差异
（图2b
）
。
肿瘤的中心的
PH
值低于
其边缘的
P H
值，这是因为对快速增殖的肿瘤细胞的氧气和营养物的供应不足。
代谢失调，
包括在 养分不足或者含氧量较低的情况下出现高于常规的糖酵解
（厌
氧分解葡萄糖），乳酸产量增高， 三磷酸腺苷（
ATP
）发生水解现象。这些现象
会导致肿瘤微环境酸化。
特别 基于膜的离子交换的主要激活作用导致
PH
的改变。
例如
Na
+
/H
+
交换，
H
+
/
乳酸转运蛋白 交换。细胞在缺氧的情况下产生的
CO
2
在
细胞表面的碳酸酐酶的作用下与< br>H
+
和
HCO
3
-
发生水和作用，这也会导致肿瘤微 环
境酸化。
肿瘤内发生氧化还原的过程是各种各样的，
这是由于肿瘤细胞在生长阶段及其细胞组成的含氧量与正常细胞相比存在差异。
通过氧化还原缓冲网络的裂
解改变细胞 搬运自由原子团和活性氧的能力。
肿瘤微环境内关于活性氧片段的不
平衡加上活性氧生理平衡失 调，

会导致细胞信号网络异常。影响从细胞增殖和
激活到生长抑制和细胞死亡等细胞 内的过程
,
这将导致基因组不稳定，
可能导致
肿瘤的形成。
除了由于脉管系统和各种化学和代谢异常梯度导致肿瘤部位生理失调外
,
主
要由< br>ECM
提供的肿瘤的物理结构也非常混乱。
ECM
的组成成分如蛋白质、
糖蛋白、
蛋白聚糖
,
多糖等的生产过剩也与肿瘤的形成有关。富集的胶原蛋白和与肿 瘤相
关的纤维化的
ECM
可以提高生长因子信号
,
加强与恶性肿瘤相 关的表型的发展
,
最终导致异常密集的蛋白质网络的形成。虽然肿瘤微环境的不同生理对高效的
NP
药物输送产生了有效的阻碍
,
这仍然有助于发展用来提高
NPs
的沉积成肿瘤效
率特殊的设计策略。


图
2
：

(a)
血管肿瘤环境的光学频域图像颜色编码深 度
:
黄色
(
表面
)
红色
(
深
)(
比例尺
:500
μ
m
）
(b)
发生在肿瘤微环境各 种相互作用
:(1)
通过血管扩散和对流
;(2)
与窗孔
(
穿孔
)
和发生泄
露的内皮连接的相互作用
;(3)
孔隙压力高
,
不宜大规模生产运输远离肿瘤
;(4)
纤维母细胞和分
泌的细胞外基质< br>(ECM)
蛋白质网络
;(5)
核心细胞外
pH
值低
,
从里向边缘
PH
增加。
(c)HN12
肿
瘤
EC M
的扫描电子显微镜图像显示了致密的胶原网络
(
比例尺
:10μm)
。

纳米粒子向肿瘤微环境输送药物的挑战

如之前所述，肿瘤微环境对纳 米粒子的有效输送药物存在三个主要的挑战：
（
1
）
有限的可接近性和灌注；
（
2
）
与肿瘤相关的化学和新陈代谢梯度异常；
（
3
）
富含蛋白质的
ECM
密集。

实体肿瘤的血液流动和灌注的降低 明显阻碍了纳米粒子从血液循环中到达
肿瘤细胞。与正常的生理系统相比，肿瘤缺少有序的血管分支和断 开，因此，想
要纳米粒子在穿过肿瘤并且均匀分布是很困难的。此外
,
这些结构性变化 改变局
部血流量
,
增加血管粘性和几何阻力
,
这进一步限制了
NPs
在肿瘤部位的积累。当
与由于快速增生的肿瘤细胞的血管压缩结合时
,
这些力量可以有效阻碍
NP
接近
并在肿瘤中分布。高孔隙流体压力
(IFP )
通常与实体肿瘤的核心有关
,
还能削弱
NPs
渗透到肿瘤中。此外
,
血管渗透性的增加和淋巴管阻塞淋巴引流的压缩
,
有助
于提高肿瘤 的孔隙流体压力。
这些生理变化也促使肿瘤相对于正常的生理机能存
在代谢和化学梯度的差异。 独特的化学梯度与肿瘤微环境有关
,
除了在正常的生
理条件下
,
还需 要确保
NPs
的大分子结构在各种条件下是稳定的。尤其是在
NPs
聚合的情 况下，酸性条件由于酸催化水解机制可能促进
NP
结构的退化。

在氧化还原 状态下敏感元件的改变也可以诱导由于肿瘤微环境导致纳米颗
粒降解。
对于这些纳米颗粒过早降 解路径可导致次优的药物释放，
从而降低其治
疗效果。这些纳米粒子的过早降解路径可能导致药 物释放达不到最优
,
从而减少
其治疗效果。
此外在肿瘤微环境中高浓度的蛋白 质可能导致自组装的纳米粒子被
改变亲水
-
亲油平衡的蛋白质的表面吸附破坏。

与肿瘤相关的
ECM
还对
NPs
通过实体肿瘤的运输和渗透存在 一个明显的障
碍。基质细胞和成纤维细胞分泌胶原蛋白和高密度蛋白质网络

阻碍纳米粒子在
肿瘤中的有效扩散和均匀分布。

克服这些挑战的方法

为了克服前面所提到的
NPS
输送到肿瘤微环 境的挑战
,
已经有很多人在研究
改善
NP
与肿瘤微环境的相互作用的 方法。
许多这样的设计策略已经用于一些纳
米载体并且已达到高级阶段的临床翻译
,< br>包括阿霉素脂质体，凯莱
,SGT-53,SGT
-
94,BIND- 014,
和
CALAA-01
等。

通过纳米粒子的大小来达到被动定位





而 肿瘤的血管环境改变，对
NP
有效的进入肿瘤提出了挑战，增加通透性已
作为一种常用 的肿瘤定位策略得到应用。
如前文所述，
肿瘤部位通常表现出血管
渗漏和淋巴引流受损 现象，这种现象称为渗透增强和滞留（
EPR
）效应。
EPR
效应形成被动定 位的基础，允许适当大小的纳米粒子选择性的积聚在肿瘤部位。
人们普遍认为，大小在
20–
200 nm
的纳米颗粒可以利用这一现象。然而，值得
注意的是关于纳米粒子 可以通过相关机制达到被动定位仍存在争议
。
这主要是由
于扩散和对流力作为主要的供 力，
导致纳米粒子在肿瘤部位的的被动积累；
然而，
最近的研究表明，
相比血 管中集流传输和肿瘤内压力增高，
这些力量却是最小的。

纳米粒子的刺激反应





肿瘤微环境内代谢 和化学差异为
NPs
设计成具有刺激反应属性提供了独特
的机会
,
包 括
pH
值、氧化还原电位
,
和温度
,
促进药物释放或
NP
退化等属性。一
些综述已经广泛的叙述了使用刺激反应材料来达到增强治疗有效载荷的输 送。
具
体来说
,
使用刺激反应连接器如腙在
NPs
表面结合 药物分子
(
如、阿霉素
)
可以增
加药物在酸性肿瘤微环境和选择性对 目标细胞的稳定性。同时
,
由于氧化还原状
态或温度存在差异导致纳米粒子的分子构象 发生改变，
NPs
可以利用二硫化粘
合剂或者聚合物如聚
(N-
异丙 基丙烯酰胺
)(PNIPAM)
来调节。

高效的纳米粒子的肿瘤渗透方法





ECM
的组成成分如胶原蛋白和其他的结构蛋白对纳米粒子的扩散来说是普
遍存在的物理障碍（图2c
）。纳米粒子对
ECM
和肿瘤的有效渗透取决于纳米粒
子的大小，< br>形状和表面电荷。
一般来说更小的，
灵活的和电中性的纳米粒子比大
一些的形状 锋利的和带电荷的纳米粒子渗透效果更好。




人们认为调整纳米粒子的大小可以控制其对肿瘤的渗透率。
黄等人

展示了纳
米粒子对肿瘤渗透率是与其大小相关的，
他们发现
2
纳米和
6
纳米的金纳米粒子
可以深入渗透到多细胞肿瘤球体（
MCTS
）中，而
15
纳米的金纳米粒子则不能。

使用混合聚合物胶束
(30
、
50
、
70
和
100
nm
直径
),
包括
1
、
2-
二氨基环己烷铂
(DACHPt)
压缩的
PEG-b
聚
(
谷氨酸
)
和聚
(
谷氨酸
)
对活的动物
(
活体的
)
成像研究进
一步证明了纳米粒子在肿 瘤上的渗透率是跟其大小相关的。结果表明
,30
和
70
纳米胶束在超血管化 的肿瘤中表现出类似的渗透深度，
测量值多达
100μm
。
这种
肿瘤 与异常大量的血管连接。
相反
,
在低血管化的肿瘤中
,
只有
30
纳米胶束能够深
入渗透到肿瘤
(~80μm),
而
70
纳米胶束
24
小时后才渗透到血管周围区域。此
外
,Sunoqrot
等人也报告说
,
相比于
?
100nm
聚
(
丙交酯
-
co-
乙交酯
)-
b
聚
(
乙二
醇
)(PLGA-PEG NPs
，大 小
~5nm
的聚酰胺
(PAMAM)
树枝状分子
(
球形形貌 的树状
聚合物
)
能够更有效地渗透穿过
MCTS
纳米粒子的形状，
构象的灵活性和表面电荷都是影响其在肿瘤部位渗透率的
传统参数。
例如，
基 于荧光量子点的纳米粒子比球型纳米粒子更容易渗透到肿瘤
细胞中，这是因为前者穿过肿瘤毛孔的能力得 到了提高。
Pluen
等人比较水力半
径相同的右旋糖酐
,
蛋白质相 比
,
聚合物珠
,DNA
在琼脂糖凝胶中扩散的能力。这
发现柔性大分 子的扩散系数大于刚性或球形的大分子。这项研究表明
,
高分子的
构象灵活性允许表层 塌滑通过
ECM
网络对于纳米粒子渗透到肿瘤的核心是非常
重要的。除了形状和灵活性 外
,NP
的表面电荷也可以确定其渗透效率。据报道
,
在一般情况下
,
电荷中性粒子比带电粒子能更有效的渗透到肿瘤中
,
导致更均匀的
肿瘤分布 。而阳离子分子也许能够有效的初步积累
,
带电粒子可以非特异性的与
肿瘤环境的组分 相互作用
,
如带正电荷的胶原蛋白或带负电荷的透明质酸
,
这阻碍
了 他们有效的渗透。

此外
,
有一种方法
,
在纳米粒子的表面 表面覆盖主动降解胶原的胶原酶，可能
有助于克服与肿瘤相关的致密胶原网络。古德曼等人使用
MCTS,
并观察到的覆
盖有胶原酶的聚苯乙烯
NPs(
直径
100
纳米
)
与大小相同，没有表面覆盖的纳米粒
子相比交付到球体核心的能力增强 四倍。
最近提高
NP
在肿瘤上渗透其他方法

包
括肿瘤血管 正常化和抗血管生成疗法可以通过增加血液流动和恢复正常的血管
壁压力梯度恢复
NP
接近肿瘤。

如之前所述，
纳米粒子与肿瘤微环境的相互作用对纳米材料与肿瘤微环境 的
相互作用在调节
l
材料及其有效载在荷瘤内的分布上可以发挥明显的作用。
NPs
克服肿瘤微环境提出的挑战的能力使它继续到下一个重要的生物相互作用。

纳米粒子与细胞膜的相互作用

细胞膜与其表面受体

细胞膜是活细 胞的边界，
具有分离细胞内的组成成分与周围的细胞外微环境
的功能。细胞膜由多个组件
,
特别是磷脂和胆固醇
,
排列成一个灵活、弹性、高度
可变形的双层结构。 膜的外表面装饰着各种各样的周边和内在膜蛋白和和受体。
作为细胞信号的关键，具有调解
,< br>绑定和内化的作用。具体地讲，表面结合的受
体对于离子的传递和大分子是跨膜是重要的，
膜的不可渗透性是因为细胞膜的严
格控制的组合物通常只允许小的和
非极性分子的被动扩散。

受体是对特定的化学信号做出反应和作为信号传递着的整合膜蛋白。
其结构
通常由细胞外
,
跨膜和胞内域组成。大多数哺乳动物细胞的表面覆盖着成千上万
的调节 各种细胞表面相互作用的受体
,
从粘附
/
绑定现象到细胞间的沟通。重要的< br>是
,
正常和恶性肿瘤细胞细胞表面受体之间的差异表达
,
可以作为识别 癌细胞一个
方法。例如
,
如叶酸
(FA)
受体
,
整 合蛋白
,
前列腺特异膜抗原
,CD44(
一种细胞表面糖
蛋白
),
人类表皮生长因子受体
2,
血管内皮生长因子
(VEGF)
、 血管细胞粘附蛋白
1,
表皮生长因子受体都被证明是在特定的癌细胞的表面过度表达。
更多的在癌症
细胞中过度表达的受体的扩展单可以在网上方便找到。

纳米粒子与细胞膜的相互作用的挑战

细胞膜对纳米粒子的有效定位输送药物的挑战主 要集中在两个方面：（
1
）
强大的特异性纳米粒子与细胞表面的相互作用的形成；（< br>2
）纳米粒子的靶向配
体对目标细胞表面受体的可接近性。
我们会叙述由于细胞 膜对纳米粒子输送药物
的挑战造成的问题。

设计出能够与细胞膜形成强大的特异性相 互作用的纳米粒子，
对于获得纳米
粒子的高校输送来说是非常重要的，可以在纳米粒子的表面采 用特殊的配体修
饰，
这种配体可以与癌症细胞的表面受体特异性结合。
这种方法可以使 得各种治
疗药物如，小分子蛋白质、核酸等的靶向效率提高。然而，细胞膜表面覆盖有的
带电部 分和疏水斑块通常会导致纳米粒子与细胞表面受体非特异性结合。另外，
癌症细胞表面的一些特异性受体 配体对的弱连接性如，精氨酸
-
甘氨酸
-
天冬氨酸
（
RGD
）肽配体，精氨酸
-
甘氨酸
-
天冬氨酸
-
丝氨酸（
GRGDS
）与
α
v
β
3
整合蛋白
的连接 （最大抑制浓度的一半
( IC50 ) = 1
μ
M)
）可能会抑制纳米粒子的有效摄
入。





另一个挑战是配体对受体的可接近性。
如果受体抑制了配体的接近，这将会
降低细胞与靶向纳米粒子的相互作用。
纳米粒子表面连接的靶向配体的表面可接近性可被以下两个因素抑制：
（
1
）蛋白质电晕的形成；
（
2< br>）由于纳米粒子的弱
的水溶性导致其表面的配体的呈现性较差。
纳米粒子注射到血液中后 ，
纳米粒子
表面会立即形成蛋白质电晕，
这会降低纳米粒子的自由能。
报道说 蛋白质电晕与
纳米粒子的连接较紧，
且是不可逆的。
蛋白质电晕与纳米粒子的结合靶向 配体的
表面呈现性，
阻碍了期望的受体配体对的结合。
另外，
疏水靶向配体与 纳米粒子
表面的结合会由于溶解性的不同影响配体在纳米粒子表面的呈现百分数导致的
纳米粒子 与细胞表面受体的连接性降低。
当设计载药输送的纳米粒子时，
细胞膜
与细胞膜表面的 受体给纳米粒子带来的挑战是最难克服的。

克服这些挑战的方法