核苷类药物纳米递送系统研究进展

Abstract

核苷类药物在肿瘤和病毒等疾病的临床治疗中占据重要地位，但这类药物生物利用度低，缺乏靶向性，入胞效率较低，极大地制约了临床应用。设计并利用纳米载体，通过提升载药效率与药物利用度、维持药效与系统稳定性、调整载体与药物分子的结合能力、修饰特异性分子实现主动靶向等方式，能够改善核苷类药物的生理学性质。本文从核苷类药物纳米递送系统设计策略出发，综述了针对核苷类药物的纳米递送系统载体设计及包载效果。

核苷类药物是一系列具有多种生物活性的核苷（酸）及其类似物，在肿瘤和病毒感染等疾病的治疗中具有重要应用，目前临床近一半抗病毒药物为核苷类药物^［1-3］。核苷类药物可作为代谢拮抗剂干扰核酸的合成过程^［2］，在核酸复制过程中与天然核苷酸竞争或阻断核酸聚合酶^［4-5］。但是，核苷类药物的临床应用存在体内分解迅速、活性差、非特异性分布、毒副作用强和耐药等弊端，严重制约了此类药物的应用。

为了更好地控制药物的体内过程，提高药效并降低毒副作用，研究者在过去的数十年中使用纳米粒辅助药物分子递送，使得纳米药物这一新兴领域得以发展^［6-7］。纳米药物能够通过高通透性和滞留效应在实体肿瘤和感染的炎症部位积累。纳米药物的大小、形貌、孔隙度、组成成分、表面修饰、靶向配体以及药物释放动力学等性质均能影响其在体内的行为，从而决定靶向病灶能力和治疗结果。基于纳米药物框架，人们开发了多种智能响应型纳米药物递送系统，优化了纳米药物在血液循环、炎症组织、肿瘤微环境中的行为，进而改善纳米药物的肿瘤/炎症组织渗透、细胞内化和亚细胞分布，获得更优异的治疗效果^［8-10］。研究显示，利用纳米载体递送核苷类药物能够避免血液循环中的快速分解，改善药物的体内分布和靶向性，并实现细胞内药物的高效递送，有效弥补此类药物应用中的短板，因此受到越来越多研究者的关注。

核苷类药物作为亲水小分子，如何实现药物分子的高效包载，以及在病灶处的可控释放是发展纳米核苷类药物的关键挑战。过去的十数年间各类材料得到了广泛的尝试，包括天然及合成高分子、脂质体、蛋白、无机以及有机-无机杂化纳米材料等。对于不带有磷酸的核苷类分子，疏水载体能够依靠疏水作用较好地包载药物。而对于活性核苷酸分子，磷酸的强负电荷和亲水性使疏水载体很难对其有效包载，载药量甚至低于0.5%^［11-12］。阳离子聚合物能够通过静电相互作用与之产生更强的结合能力，提高载药量和包封率。在此基础上，针对小分子药物在纳米核心中稳定性较差、易提前释放的问题，引入疏水聚合物或嵌段、无机纳米粒（磷酸钙、金属有机框架等），以及仿生矿化等作用均能改善纳米药物的稳定性，提高其在体内应用时的性能^［13］。本文将依照不同的纳米递送系统设计策略对核苷类药物进行梳理介绍，以供同行参考。

1. 针对核苷及其类似物的纳米递送系统设计

核苷及其类似物的胞内代谢产物能够与胞内核苷酸竞争，抑制病毒复制或干扰肿瘤细胞遗传物质合成。通过对纳米载体材料的不同设计，提升纳米递送系统的载药效率、药物利用度、系统靶向性，以及维持血药浓度。

1.1. 提升载药效率的策略

包封率和载药量是评价纳米递送系统的基础指标。在较早的研究中，Derakhshandeh等^［14］使用离子凝胶法和三聚磷酸盐法包载抗肿瘤核苷药物吉西他滨，制备了平均粒径为95 nm的壳聚糖纳米粒，其包封率为63.3%、载药量为1.4%；Mishra等^［15］采用甘草酸苷结合的低分子量壳聚糖纳米粒包载抗病毒核苷药物拉米夫定，其包封率约为65.9%。尽管包封率超过60%已经满足纳米递送系统的标准，但更高的包封率能够减少原料药的浪费。Singh等^［16］在氨基多壁碳纳米管表面修饰叶酸，靶向肿瘤部位过表达的叶酸受体的同时，也通过表面吸附负载了更多的吉西他滨，包封率可达79.6%；Donalisio等^［17］使用壳聚糖作为载体包载抗病毒核苷药物阿昔洛韦制备了经皮给药制剂，包封率达86.0%，载药量达8.5%，经皮渗透率相比游离阿昔洛韦提升约一倍；通过对载体的特异性设计，Jin等^［18］制备了一种复杂的具备长循环和pH响应的树枝状核-壳结构作为抗肿瘤药物5-氟尿嘧啶的递送系统，获得了高达92.5%的包封率，在H22肝癌荷瘤小鼠模型中实现肿瘤靶向，并在肿瘤微环境中经pH响应精准释药。综上，载药效率是所有纳米递送载体首先要考虑的重点，选择或设计匹配相应分子结构的载体是提升载药效率的关键。壳聚糖在包载亲水小分子方面具有普适性，经过设计修饰后能够提升其负载性能。

1.2. 提升药物利用度的策略

核苷及其类似物由于其分子量小，在体循环中停留时间短、生物利用度低，使用纳米递送系统能够延长其体内滞留时间，提升药物利用度。Chen等^［19］利用N-三甲基壳聚糖作为载体与吉西他滨形成纳米复合物，该纳米复合物通过吸附介导和小窝介导的内吞作用进入肠道细胞，将吉西他滨的生物利用度提高了5.1倍，并在4T1小鼠模型中取得了较好的抑瘤效果，使肿瘤缩小为原先的1/3左右，显著优于游离药物。Naz等^［20］在嵌段共聚物PLGA-PEG的疏水端通过丁二酸酐结合抗肿瘤核苷药物阿扎胞苷，制备了具有高生物利用度、高细胞摄取率的阿扎胞苷纳米递送系统，其体内外的抗乳腺癌增殖作用均优于游离阿扎胞苷。相比吉西他滨和阿扎胞苷，阿昔洛韦的半衰期更短，口服生物利用度仅为10%~30%，口服给药需每日5次（最高1200 mg/d），静脉给药间隔仅8 h^［21］。Gupta等^［22］使用半乳糖修饰的PLGA包封阿昔洛韦，包封率为61.1%，载药量为5.8%，在pH 7.4的PBS中168 h释放率为73.1%；经静脉注射，阿昔洛韦在BALB/c小鼠血浆中的半衰期提升6.8倍，24 h时肝脏中阿昔洛韦含量增加27倍，显示出长期药效。总之，选择或设计合适的亲疏水性是纳米载体维护药物稳定和提升其利用度的重要因素。与壳聚糖不同，PLGA作为纳米载体的内核，在包载疏水小分子方面性能优良，能够维持纳米递送系统稳定，提升药物分子滞留，从而提升药物利用度。

1.3. 维持药效的策略

在提升药物利用度的同时，维持药物在体内的长期药效也是纳米递送系统设计中需要着重考虑的一方面。通过对载体的不同设计，如调整载体pH响应、载体与药物的结合能力、递送系统渗透的速率等，都将改变纳米递送系统在体内的药效。Hamsici等^［23］将Fmoc结合甘氨酸，并利用两条Fmoc保护的带有相反电荷的激发肽包载吉西他滨前药，其自组装成载吉西他滨前药的一维纳米纤维。当pH值为5.5时，该纳米复合物500 h内稳定释放了37%的前药分子。相比游离吉西他滨或吉西他滨前药，此纳米药物在96 h时对4T1乳腺癌细胞具有更好的杀伤效果，避免药物在血浆中经酶快速代谢，维持了药效。Harilall等^［24］采用海藻酸-多聚支架纳米载体包封抗病毒核苷药物齐多夫定，可有效稳定齐多夫定的释放，并维持细胞内齐多夫定药效浓度长达30 d。Pattnaik等^［25］使用二甲基亚砜或PEG400辅助PLGA包封地达诺辛制备纳米药物，其包封率和载药量分别达67.74%和33.87%，在pH 7.4的环境下30 h内释放率约为35%。除了维持细胞内长期浓度外，有些药物也需要在较短的时间内快速响应释放，如Naz等^［20］制备的纳米药物在pH 5的环境中24 h药物释放率超过90%；Ren等^［26］利用固体脂质纳米粒作为抗病毒核苷药物更昔洛韦的载体，同时使用硬脂酸甘油酯等辅剂制备纳米药物，并将冰片共包载，更昔洛韦的最高包封率和载药量分别为67.68%和7.80%，在pH 7.4的PBS中12 h释放率约80%。综上，纳米递送系统可通过对药物释放的可控调节来维持血药浓度，其中聚合物载体在药物可控释放方面表现优秀，且能够通过嵌段共聚与基团修饰等途径调整药物的释放率。

1.4. 提升靶向性的策略

增加药物靶向性能够大幅提升药效，降低药物副作用。Mishra等^［15］制备的甘草酸苷-壳聚糖-拉米夫定纳米粒可通过表面的甘草酸苷靶向去唾液酸糖蛋白受体，将药物优先富集于肝脏细胞，以靶向治疗肝炎病毒感染。另外，前文中Ren等^［26］制备的冰片共包载更昔洛韦固体脂质纳米粒，选用昆明小鼠经静脉注射后，发现冰片增强了药物在血脑屏障中的渗透，增加了药物在脑组织中的分布，脑靶向指数最高可达5.36，而肝脏药物靶向指数仅1.18，实现了脑靶向的目的。综上，将靶头与载体结合来实现纳米材料的局部靶向更加可行。

2. 针对核苷酸的纳米递送系统设计

核苷酸分子是核苷类药物在细胞内的活性形式，其核糖环1$\mathrm{´}$碳原子连接碱基，5$\mathrm{´}$碳原子连接磷酸基因，例如ATP就是典型的核苷酸分子。由于磷酸基团的加入，核苷酸分子的负电荷与亲水性核苷分子大大增加，不仅严重削弱了核苷分子入胞的能力，还使原本能够与核苷结合的载体难以对其有效包载。因此，为维持核苷酸分子的稳定高效包载得以实现，需要针对核苷酸的强负电荷和高亲水性设计相应的纳米载体材料，并在此基础上开发具备靶向性的纳米递送系统。

2.1. 维持药物稳定性的策略

ATP作为典型的三磷酸核苷，是体内能量储存和代谢的通货，同时也在一些免疫反应中作为关键的内源性信号分子^［27-28］。Gruenhagen等^［29］利用二硫键修饰的树枝状聚合物G 2.5 PAMAM接枝二氧化硅纳米粒作为载体包载ATP，在维持ATP分子自身稳定的同时，成功将其递送至细胞内，并通过谷胱甘肽响应释放。NAD⁺是一种典型的二核苷酸，是细胞内能量代谢中关键的氢离子和电子载体，在氧化呼吸链、脂肪β氧化、DNA修复以及一系列炎症相关通路中均扮演重要的角色^［30］，其合成与代谢过程可作为许多疾病的重要诊断指标^［31-32］。Ye等^［13］设计开发了一类能够稳定包载NAD⁺及其还原态分子NADH的纳米粒家族，此家族能够直接在细胞中运输和补充NAD⁺和NADH，改善细胞能量供应，通过经典及非经典NLRP3炎症小体通路抑制炎症，防止炎症诱导的细胞焦亡和凋亡。综上，由于磷酸基团的不稳定性，核苷酸纳米递送系统需要特别关注核苷酸药物本身的稳定性，针对核苷酸药物的载体需要具备结合或稳定磷酸基团的能力。

2.2. 提升靶向性的策略

与核苷类似物一样，核苷酸纳米递送系统也可通过添加靶头实现主动靶向。纳米药物通过高通透性和滞留效应富集于病灶中，在肿瘤中尤为显著，可提升肿瘤内药物分子丰度，实现对肿瘤的被动靶向，取得更好的治疗效果。然而，纳米药物的被动靶向效率欠佳，通过添加特异性靶头能够实现纳米药物对于肿瘤的主动靶向。纳米递送系统的主动靶向性可通过小分子或大分子实现，大分子主要指一些膜受体蛋白及其配体等，也可直接通过细胞膜包裹实现药物靶向。巨噬细胞外膜能够靶向胰腺肿瘤，并且逃避单核吞噬细胞系统的清除作用。Cai等^［33］使用巨噬细胞膜包裹的PLGA纳米粒包载吉西他滨，制成的纳米药物能够在肿瘤中积累且降低了药物的全身毒性。Lu等^［11］将一种针对靶向抗原提呈细胞吞噬检查点信号调节蛋白α的小干扰RNA与一种核苷酸分子STING激动剂cGAMP共同封装至PLGA-PEG纳米粒中，成功将cGAMP递送至抗原提呈细胞。对于小分子靶头，也有研究证实了其良好的靶向性。除此之外，Pang等^［34］利用可通过血睾屏障的铁蛋白纳米载体包载ATP，开发了一种新型递送系统，实现靶向小鼠睾丸的目标。该系统在经过尾静脉注射给药后，能够透过血睾屏障进入小鼠睾丸，被精原细胞摄取，结果明显改善弱精症小鼠的精子活性，增强其生育能力。Saiyed等^［35］使用Fe₃O₄磁性纳米粒在溶液中利用强相互作用捕获齐多夫定5$\mathrm{´}$-三磷酸，2 h后几乎100%的齐多夫定5$\mathrm{´}$-三磷酸被吸附，载药量为3.5%。此纳米药物可通过磁性靶向病灶，且对PBMC无显著的细胞毒性，在PBMC体外感染模型中能够有效抑制人类免疫缺陷病毒1型。Li等^［36］使用脂质体递送cGAMP，在表面接枝精胺修饰的葡聚糖增加其载药量，并在表面添加抗CD11b抗体以靶向抗原提呈细胞，使用超声致孔完成此纳米药物的细胞内释放，激活cGAS-STING和下游的促炎通路，有效活化抗原特异性T细胞，在小鼠局部和转移瘤模型中实现了超声-免疫联合的靶向治疗，从而抑制肿瘤生长。综上，对于核苷酸纳米递送系统，载体需要以稳定核苷酸药物为基础，再与靶头结合增强特异性，才能达到更好的递送效果。

3. 结 语

针对核苷类药物活性分子难以入胞的问题，及其前药分子体内分解迅速、组织器官分布不理想、毒副作用强等局限性，利用纳米载体能够显著改善该类药物的生物活性、生物利用度、稳定性、溶血毒性和体内靶向性等限制因素，极大地提升其应用效果。在过去的研究中，递送吉西他滨、5-氟尿嘧啶等化疗药物是核苷类药物纳米递送系统的主要发展方向。随着肿瘤治疗手段的不断进步，免疫治疗相比化学治疗展现出了更好的发展前景，因此对于cGAMP等免疫佐剂的递送将会成为重点发展方向。此外，在病毒感染以及炎症调控等领域，纳米载体也将发挥更大的作用，推动新型核苷类药物制剂的发展，乃至进入临床应用。但是，由于核苷酸分子价格较为昂贵、稳定性较差，大多数核苷类药物递送系统仍针对核苷前药进行递送，鲜有成熟的系统能够直接递送活性三磷酸核苷成分。

此外，对于纳米核苷类药物，较低的载药量、包封率及稳定性，以及不受控的快速药物释放仍然是其面临的瓶颈因素。载体材料复杂的合成路线及其安全性问题也是限制该类药物临床转化的重要问题。未来，随着纳米药物领域的不断发展，更加高效、安全、简洁的载体材料将会进一步放大核苷类药物的优势从而促进其临床应用。

［缩略语］

聚乳酸-羟基乙酸共聚物［poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA］；磷酸盐缓冲液（phosphate buffered saline，PBS）；聚乙二醇［poly（ethylene glycol），PEG］；9-芴基甲氧基羰基保护基（9-fluorenylmethy-loxycarbonyl，Fmoc）；三磷酸腺苷（adenosine 5$\mathrm{´}$-triphosphate，ATP）；烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD⁺）；还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（reduced NAD⁺，NADH）；干扰素基因刺激因子（stimulator of interferon genes，STING）；2$\mathrm{´}$，3$\mathrm{´}$-环鸟苷酸-腺苷酸（2$\mathrm{´}$，3$\mathrm{´}$-cyclic guanosine monopho-sphateadenosine monophosphate，cGAMP）；外周血单个核细胞（peripheral blood mononuclear cell，PBMC）

利益冲突声明

所有作者均声明不存在利益冲突

Conflict of Interests

The authors declare that there is no conflict of interests