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治疗药物运输的纳米颗粒策略

发布日期:2021-10-27

药物在递送过程中需要克服分布不佳、特异性不足以及脱靶效应等问题。治疗效果也会受到生物屏障的限制导致递送至靶区的药物低于1%。纳米颗粒(NP)由聚合物、无机物和脂基等构成,作为药物运输的载体可提高治疗效果。NP在设计的过程中需要考虑降解性、功能化、内化、毒性以及长期影响。

聚合物NPs由天然或合成聚合物组成,尺寸在1~100 nm范围。药物可以被包裹在颗粒的核心或者聚合物基质中,也可以通过化学共轭与颗粒表面或者聚合物本身结合。聚合物NPs可以装载多种药物,但也受到毒性风险的限制,主要是由高正电荷聚合物与血液的聚集或相互作用引起的。两种常见的聚合物NPs形式是纳米胶囊(将药物封装在其核心内)和纳米球(将药物分散在聚合物基体内)。

无机NPs主要用于传感和成像的研究,由于无机物无法生物降解,在临床中使用较少。无机NPs的测量单位通常为2~100 nm,除了易于改变的尺寸和几何形状,还具有可调节的光学、磁性和电性能。但是,无机NPs存在不可生物降解性、合成时溶解性低以及重金属毒性等限制。因此,只有生物可降解的无毒无机NPs适用于体内运输,目前常见的纳米颗粒包括氧化铁纳米粒子、二氧化硅纳米粒子、金纳米粒子、碳基纳米粒子等。其他新兴的无机纳米颗粒包括金属有机框架(MOFs)和量子点(QDs),特别是石墨烯量子点。MOFs是由无机金属亚基与有机配体连接而成的结晶多孔配位聚合物。由于其大的表面积,高度有序的结构,易于调节的孔径和形状,纳米尺寸的MOFs提供了灵活性,以装载广泛的药物。

基于脂类的NPs是哺乳动物系统中应用最广泛的NPs,市场上已有几种基于脂基NPs的药物。脂基NPs优点包括高生物利用度、高生物相容性、生物可降解性、低毒、自组装、易于表面修饰,以及能够携带不同尺寸和种类的药物,但也存在低封装效率和有限全身递送的限制。脂质体由磷脂双层的球形组装构成,可同时封装亲水、疏水和亲脂药物。因此,脂质体有利于广泛的药物运输,如蛋白质,寡核苷酸和小分子。

治疗药物在尺寸、形状 、电荷和疏水性等关键属性上有所不同。为了有效交付给定的药物,就需要将其牢固驻留于纳米载体的内部或表面,并且货物-纳米载体复合物可在体内稳定存在。其中,小分子、低分子量(<1 kDa)的有机物传递,由于其体积小、易于同传递系统结合、具有较高的稳定性并易于被细胞摄取,已经被广泛研究。寡核苷酸的传递比小分子的传递更具挑战性,因为寡核苷酸由于亲水性、多阴离子性和体积大的性质,不能轻易有效地进入细胞,同时,寡核苷酸在体内极易降解。目前,脂基NPs、阳离子聚合物常用于RNA的传递,并取得了一定的成果。蛋白质体积大、结构不均匀,并且其功能需要脆弱的三级结构,使得蛋白质很难装载、稳定和高效运输。在蛋白质细胞内递送中,脂基NPs因其高生物相容性和体内运载稳定性而得到广泛应用,但脂质NPs用于蛋白质递送的主要缺点是包封效率低。在聚合物NPs中,PLGA NPs因其生物相容性、生物降解性和可控制货物释放性,是最常用的聚合物给药平台之一。

目前,研究人员还开发了环境响应纳米颗粒系统,利用体内系统的动态特性,对刺激做出响应,在必要时,调节功能化策略,释放治疗药物,改变NP特性。与早期依靠药物非特异性吸附或者材料内在特性来促进生物相容性的被动系统相比,当响应性化学物以共价方式连接到药物和功能基团时,合理设计的纳米颗粒可以作为更高效和有效的治疗手段。

参考资料:Francis Ledesma, Bora Ozcan, Xiaoqi Sun,et al. Nanomaterial Strategies for Delivery of Therapeutic Cargoes [J]. Advance Functional Material. DOI: 10.1002/adfm.202107174.

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