纳米药物递送系统在急性髓细胞性白血病治疗中的应用

Abstract

Administration of therapeutic drugs has been the core strategy for acute myelogenous leukemia (AML), but it is generally limited by its low bioavailability, toxic side effects and intravenous administration. The nano-drug delivery system significantly improves the anti-AML activity through targeted optimization of the drug delivery system. Organic nanocarriers include polymers, liposomes, nanoemulsion, nanomicelle and proteins, which have the advantages of high loading capacity, biocompatibility and functionalization. Inorganic nanocarriers include gold nanoparticles, silicon nanoparticles, iron nanoparticles and other inorganic nanoparticles, which exhibit diverse physical and chemical properties, and have a wide range of biomedical applications including drug carriers. Both organic and inorganic nanocarriers exhibit the potential to alter the pharmacokinetics and pharmacodynamics of drugs. This article reviews the recent progress of nanocarriers as drug delivery system in clinical applications of AML treatment.

急性髓细胞性白血病（acute myelogenous leukemia，AML）;聚乳酸-羟基乙酸共聚物[poly （lactic-co-glycolic acid），PLGA];聚乙烯亚胺[poly （ethylene imine），PEI];谷胱甘肽（glutathione，GSH）;C型凝集素样分子（C-type lectin-like molecule，CLL）;DNA甲基化酶（DNA methylase，DNMT）;鼠双微体（murine double minute，MDM）;

AML是一种骨髓异质性恶性克隆性疾病，其特点是髓样祖细胞的克隆性扩增和异常分化 ^[1] 。四十多年来，AML患者一直采用“7+3”标准强化化疗方案（阿糖胞苷和蒽环类药物）诱导治疗来缓解，然后根据风险分层进行大剂量阿糖胞苷治疗或异体造血干细胞移植 ^{[ 2- 3]} 。除急性早幼粒细胞白血病可用维甲酸和三氧化二砷针对性治疗外，其他AML治疗效果均不理想，患者的5年存活率仅为28.3% ^[3] 。主要原因是抗肿瘤治疗药物普遍存在溶解度低、生物利用度低、化学稳定性差、患者耐药、不良反应大、静脉给药不便等缺点 ^[4] 。因此，改善药物递送方式成为突破AML治疗局限性的重要策略。

纳米药物递送系统是纳米技术在医学领域的新应用。纳米药物递送系统的尺寸、结构和运输功能取决于不同纳米材料的特性和合成方法，以此构建和设计出理想的纳米载体 ^[5] 。纳米级的尺寸以及可控修饰的递送系统展现出改善药物药动学和药效学的巨大优势，可能带来更好的治疗效果 ^{[ 4， 6]} 。当前，纳米药物递送系统研究已经取得许多进展，在延长药物循环时间、提高生物利用度、增加药物在肿瘤部位的保留、降低耐药性、减少抗癌药物不良反应等方面展示出强大的潜力 ^[7] 。用于纳米药物递送系统的纳米载体主要分为有机纳米载体和无机纳米载体两大类。有机纳米载体主要包括聚合物、脂质体和蛋白质等，而无机纳米载体包括金纳米粒、硅纳米粒、铁纳米粒（如氧化铁）和其他无机盐纳米粒等 ^[8] 。目前，许多纳米药物递送系统在AML治疗中展示了良好的临床前景。本文综述了纳米药物递送系统在AML治疗中的研究和应用文献，有助于理解当前基于纳米药物递送系统治疗AML所面临的机遇和挑战。

为有利于癌症的治疗和诊断，纳米药物递送系统的构建应满足一些重要标准 ^{[ 9- 10]} ，主要包括：①纳米载体应选择无毒和生物相容性良好的材料。②为了提高被动靶向骨髓的药物递送效率，构建的纳米粒粒径应合适，有学者提出粒径应小于150 nm ^[11] ，目前尚无统一标准。③纳米载体应具有高载药量以达到治疗剂量。④纳米载体在生理循环系统中应具有合理的循环时间来完成其靶向和治疗任务。纳米载体及表面功能化应在生理环境中保持稳定，能够抵抗生理环境中溶液酸碱度、温度、离子强度和大分子间的相互作用引起的聚集，以防止其在血液循环中降解过快或被清除。⑤纳米载体在完成体内任务后应具有清除机制，以避免长期累积导致全身不良反应，且应不会导致排泄器官较大的负担。⑥纳米载体的靶向性包括主动靶向和被动靶向，能够确保其更多地作用于病灶并减少对健康组织的不良作用。⑦癌细胞和正常细胞的细胞外与细胞内环境之间的特征差异（如酸碱度值、氧化还原电位和酶学活性）可以自动刺激反应性纳米载体，以确保包封的药物释放到目标组织和细胞中。因此，可以利用疾病独特的生理条件设计出合适的纳米载体。

有机纳米载体往往具有良好的生物相容性和生物降解性，且高比表面积使其具有较高的载药性能。通过改变其表面化学性质，可以控制药物释放 ^{[ 8， 12]} 。用于AML药物递送的最常见的有机纳米药物递送系统类型包括聚合物载体、脂质体、纳米乳、纳米胶束和蛋白质载体等。

聚合物载体包括PLGA、聚乙二醇、PEI和壳聚糖等，聚合物载体的结构大多是核壳结构，由载药聚合物核（中心）和可进一步修饰的聚合物壳（外层）组成，可以独特地设计及合成特定结构以实现多功能药物递送 ^{[ 13- 14]} 。疏水性药物可以通过共价或非共价相互作用被包裹在疏水核中，而亲水性药物通常可以附着在聚合物纳米粒的外壳或内部，通过共价、氢键或静电相互作用 ^[15] 。聚合物载体可以通过纳米结构的扩散和溶胀释放药物，还可以通过适配体等修饰壳表面以实现肿瘤特异性的药物递送 ^{[ 9， 16- 17]} 。

PLGA因其控释、表面改性、延长循环时间、负载亲水和疏水药物以及靶向特定靶点等潜力，在研究中越来越受到关注 ^[18] 。PLGA在体内代谢为可生物降解的无毒代谢物，如乳酸和乙醇酸 ^[19] 。核因子κB是细胞增殖和分化的调节剂，可抵抗正常的细胞凋亡并促进白血病细胞不可控的增殖。Darwish等 ^[20] 将PLGA与抗CD44结合，并包裹核因子κB抑制剂小白菊内酯，以促进AML细胞对小白菊内酯的吸收，大大提高其生物利用度和选择靶向性。

聚乙二醇是一种亲水性聚合物。药物、蛋白质、脂质体和无机纳米粒通过聚乙二醇化可减少被网状内皮系统的吸收，可稳定和长期地存在于血液循环 ^[21] 。因此，用聚乙二醇修饰纳米粒是一种提高药物传递效率的常用方法 ^[22] 。有研究通过三氧化二砷与视黄酸及聚乙二醇的共轭作用制备了一种新的有机砷分子，该两亲性前药在水相中易自组装成纳米粒，改善了视黄酸在血液循环中溶解度低的弊端，同时减少三氧化二砷导致全身毒性的不良影响，改善急性早幼粒细胞白血病的治疗效果 ^[17] 。

PEI是一种带正电荷的直链或支链聚合物，是一种有潜力的载体 ^{[ 23- 24]} 。Gul-Uludağ等 ^[25] 使用脂质取代的PEI作为载体将CD44干扰小RNA转移到AML细胞系中，可有效沉默KG-1细胞中CD44的表达，减少白血病细胞与透明质酸涂层细胞培养板和骨髓间充质干细胞的黏附，提高白血病细胞对化疗的敏感性。

壳聚糖是一种生物来源的多功能多糖，具有生物相容性和可生物降解特性。其灵活的分子结构易于化学修饰。壳聚糖已被广泛用作生物大分子和低分子量药物的非病毒递送载体 ^{[ 18， 26]} 。Wei等 ^[27] 合成了靶向叶酸受体并响应GSH的聚合物纳米粒，以壳聚糖为载体，通过GSH敏感的羰基乙烯基硫键，超声自组装成功负载6-巯基嘌呤，用于治疗AML；该壳聚糖纳米粒在含20 mmol GSH培养液（酸碱度值为5.0）中20 h的药物累积释放率可达78.9%，有望成为一种有效的小分子药物控释载体。

脂质体是一种仿生纳米粒，由包裹水性核心区域的同心双层脂质自组装而成，是药物和诊断试剂的常用纳米载体。脂质体不仅可以通过高渗透长滞留效应在癌组织中被动积累，还可以在配体修饰后靶向癌细胞或进行特异性主动积累 ^[28] 。脂质体因其结构的多功能性以及生物相容性、可生物降解、无毒和无免疫原性而被认为是一种强大的药物递送载体 ^[29] 。CPX-351是由阿糖胞苷和柔红霉素按5∶1的比例组成的经典脂质体，可增加药物治疗协同作用，并减少其拮抗作用，目前已应用于AML的临床治疗中 ^[30] 。大多数基于抗体的AML疗法只涉及AML细胞表面的单一抗原靶点，其临床益处有限。Sun等 ^[31] 开发和设计了负载柔红霉素的CD123/CD33双抗体修饰脂质体，实现了对AML细胞的特异性靶向，减少了由于抗原阴性逃逸引起疾病复发的可能性。另一项研究表明，针对鞘脂代谢的C6神经酰胺和长春碱纳米脂质体递送策略可有效治疗AML的异质性 ^[32] 。阿糖胞苷的生物利用度较低，因此必须肠外给药。Raj等 ^[33] 构建了优化的阿糖胞苷可延展纳米脂质体，通过皮肤渗透和沉积实验证明了其经皮渗透能力显著增强，并且不导致红斑和脱屑，可以很好地维持AML的治疗效果。

纳米乳是由水相、油相、表面活性剂和助表面活性剂等自发形成的两相分散体，主要分为油包水或水包油液滴，可以实现不同的载药量 ^[34] 。Feng等 ^[35] 开发了一种水包油纳米乳并成功包封藤黄酸。该载药纳米乳在酸碱度值分别为2.0、5.8和7.4的磷酸盐缓冲液中较为稳定，显示出显著的延迟释放；可延长MV4-11移植小鼠的生存时间并提高其存活率，降低Jurket、HL-60等AML细胞系的半数致死浓度。小檗碱在体外具有抗AML活性，但水溶性差、生物利用度低等缺点限制了其临床应用。Li等 ^[36] 开发了一种新型小檗碱水包油自乳化系统，通过增加其溶解性提高了小檗碱的口服生物利用度以及抗AML的功效。

纳米胶束是由疏水核和亲水冠组成的共聚物纳米材料，是包裹疏水性抗癌药物并增强其溶解性的理想材料，具有广泛的应用前景 ^[37] 。Zhang等 ^[38] 开发了一种新的生物相容性纳米胶束药物递送系统，该系统由聚乙二醇、胆酸和赖氨酸共价连接组成，可自组装成核心疏水而外层亲水的水溶性球体，能够荷载多种类型的药物。CLL1靶向肽修饰的柔红霉素纳米胶束对表达CLL1的白血病干细胞具有高亲和力，可将药物负载转运到细胞内部以提高化疗的有效性和安全性。Lin等 ^[39] 合成的新型二硫化物交联CLL1靶向胶束可将高浓度的柔红霉素输送到AML细胞和白血病干细胞中，表现出较强的细胞毒性和更佳的药动学特征。Meng等 ^[40] 将化学合成的CXC趋化因子受体4拮抗肽E5与聚乙二醇修饰的二硬脂酰磷酸乙醇胺制备成纳米胶束，旨在提高E5在生理缓冲液中的溶解稳定性；该胶束能够有效抑制AML细胞在难治性AML小鼠模型骨髓和脾脏中的植入，并诱导AML细胞凋亡和分化，从而延长AML小鼠的生存时间。

蛋白质载体具有无毒和可生物降解的特性 ^[41] 。Kaundal等 ^[42] 通过去溶剂化方法首次合成了包裹EZH2特异性抑制剂——EPZ011989的人血清白蛋白纳米粒。EPZ011989与人血清白蛋白纳米粒的非共价相互作用促进了药物的有效载荷和可持续释放。人血清白蛋白纳米粒包载EPZ011989后，其对AML细胞系中的细胞摄取和核定位增强，并通过破坏线粒体稳态促进AML细胞凋亡，在体内和体外实验中发挥抗白血病活性。此外，人血清白蛋白纳米粒可改善EPZ011989的体内分布，并显示出优异的分散性和生物相容性。

目前，无机纳米载体在药物递送系统研究中展现出巨大潜力，其具有单位体积的高表面积、光学磁学和酶学等特性以及可被大量配体功能化，以增强其对药物的亲和力 ^[43] 。与有机纳米载体相比，无机纳米载体表现出与尺寸和成分密切相关的多样化物理化学性质，已逐渐开发出载体功能之外的生物医学应用 ^[44] 。但无机纳米载体不可生物降解且不能高效载荷药物，因此在大多数情况下须与有机材料结合使用 ^{[ 8， 45]} 。

金纳米粒作为纳米药物递送系统的载体在AML的治疗中发挥了重要作用 ^[46] 。通过化学、物理或生物方法，可以合成各种形状和大小的金纳米粒。Du等 ^[47] 合成了不同纵横比的金纳米棒，并用壳聚糖和十二聚体肽进行表面功能化，低剂量的十二聚体肽金纳米棒通过N6-甲基腺苷甲基化介导参与了糖酵解、缺氧和免疫检查点途径关键靶标的转录后调节，同时破坏氧化还原平衡和诱导铁死亡来抑制白血病细胞的生长。在此基础上，研究者进一步设计并生成了GSH生物印迹金纳米团簇。金纳米团簇为N6-甲基腺苷去甲基化酶抑制剂提供了高效的递送平台，通过协同GSH消耗和靶向N6-甲基腺苷去甲基化酶显著增强抗AML的疗效 ^[48] 。Simon等 ^[49] 基于FMS样酪氨酸激酶3抑制剂药物与纳米粒表面涂层泊洛沙姆共聚物的疏水相互作用的偶联策略，制备了FMS样酪氨酸激酶3抑制剂-金纳米粒偶联物用于治疗AML。与游离药物相比，这种纳米偶联物具有优异的细胞毒性。DNMT的过度表达往往预示着白血病患者预后不良。核酸适配体AS1411通过结合核仁蛋白影响核因子κB信号转导，从而调节 DNMT1基因的表达。寡核苷酸药物抗miR-221抗体可以抑制DNMT1在AML患者和细胞系中的表达，但因其容易降解、递送困难等缺陷而应用受限。Deng等 ^[50] 报道了一种新的核定位信号肽功能化金纳米粒递送平台，共同递送核酸适配体AS1411和抗miR-221抗体，为AML的治疗提供分子靶向策略。该纳米组装体通过在体外和体内联合抑制内源性miR-221和核仁蛋白的功能，成功下调DNMT1的表达，从而提高AML的治疗有效性。此外，治疗性肽在体内易于被蛋白酶水解，因此限制了其在靶位点的生物利用度。p53肽会破坏细胞内MDM2蛋白与内源性p53蛋白的蛋白质-蛋白质相互作用，从而防止内源性p53蛋白的降解。Chan等 ^[51] 将p53肽与金纳米粒结合以增加p53蛋白在AML细胞中的稳定性。研究发现，金纳米粒不仅保护结合的p53肽免受胰蛋白酶降解，还有助于募集细胞中56.5%的总MDM2蛋白和26.4%的p53蛋白在金纳米粒–p53肽周围形成蛋白冠，有助于p53肽靠近并更有效地将p53蛋白与MDM2蛋白解离从而稳定AML细胞内p53蛋白水平，继而在抗癌治疗中发挥其下游作用。因此，金纳米粒是治疗性肽的有效载体，可以提高其体内稳定性，还可以非特异性吸附互补蛋白以增强其作用。

硅纳米粒因其出色的生物相容性和生物降解性越来越受到生物医学界的关注 ^[45] 。一项研究表明，载有柔红霉素并标记抗B220抗体的介孔二氧化硅纳米粒可以有效地进入小鼠B220阳性的AML干细胞中并优先在体外杀死这些细胞。此外，用二氧化硅纳米粒短期治疗AML干细胞可以显著延缓移植后受鼠白血病的进展 ^[52] 。Zong等 ^[53] 开发了一种多级载体系统，先将小白菊内酯结合到聚乙二醇-聚乳酸胶束中，再包封在保护性可降解多孔硅纳米粒中，表面覆涂有E-select硫适配体可将多级载体系统引导至骨髓。该研究证明了用多级载体系统包裹未经修饰的临床前小分子的有效性和实用性。

铁纳米粒作为药物转运载体时，各种参数都会影响载体的生物分布，如纳米粒的大小、疏水性/亲水性、表面电荷、核心成分、涂层性质、给药途径和剂量等。因铁纳米粒具有磁性，还可用作显像剂以实时监测药物输送和治疗反应 ^[54] 。Chen等 ^[55] 使用磁性四氧化三铁纳米粒包载高三尖酯碱，提高了药物的治疗效果；与高三尖酯碱相比，高三尖酯碱纳米粒可以诱导更广泛的白血病细胞凋亡，并且在G0/G1期也表现出明显的细胞停滞，显示出更强的抗肿瘤活性。Shahabadi等 ^[56] 通过化学共沉淀反应制备了四氧化三铁纳米粒，通过溶胶-凝胶法将二氧化硅沉积在四氧化三铁纳米粒表面，并在表面进一步修饰了阿糖胞苷；与游离阿糖胞苷相比，阿糖胞苷纳米粒对白血病细胞的IC50值低两个数量级左右，表明该纳米载体上显著增加了阿糖胞苷的体外抗肿瘤作用。

Niu等 ^[57] 设计并报道了一种基于荧光镧系氟氧化物纳米粒的多功能肽纳米药物递送系统，将CD33靶向人源化单克隆抗体和MDM2、MDMX十二烷基肽拮抗剂通过金属硫醇盐与镧系氟氧化物纳米粒结合，从而实现对AML细胞的靶向；该纳米粒通过拮抗MDM2和/或MDMX激活p53通路，并诱导AML细胞系和来源自AML患者的原发性白血病细胞凋亡。Jin等 ^[58] 将硒纳米粒嵌入到黑木耳中提取的三螺旋β-（1，3）- D-葡聚糖组成的纳米管中，形成稳定的纳米复合物；该纳米复合物可自组装完成，在水中具有很高的稳定性，可体外抑制AML细胞增殖。

CPX-351目前已被美国食品药品监督管理局批准用于AML的一线治疗，为纳米载体在AML治疗上的应用带来了一个重大启示：优化纳米药物递送系统都可能对药物的治疗效果产生深远的影响。纳米药物递送系统强大的平台可以实现靶向多种途径的药物同时发挥作用。其不仅是化学药物的组合，而且可以是化学药物与靶向治疗药物或免疫治疗药物的组合。纳米药物递送系统具有强大的治疗潜力，在延长药物循环时间、提高生物利用度、增加肿瘤部位存留、降低耐药性、减少抗癌药物的不良反应等方面发挥出独特的优势。

现阶段纳米药物递送系统的设计思路主要基于纳米药物递送系统与AML细胞之间的直接相互作用，但其在复杂的生理环境中尚有许多问题需要解决。如在体内，蛋白质等生物分子会覆盖纳米载体表面，形成蛋白质冠；同样，血液循环过程中纳米载体也会被各种免疫细胞吞噬从而影响其功效。目前多种纳米药物递送系统的效果已经在体外和小动物模型中得到验证，但很少能应用于临床。大多数纳米药物递送系统的复杂设计阻碍了其从实验室到临床的转化。因此，虽然纳米药物递送系统在AML治疗方面已取得阶段性的研究成果，但依然面临着许多挑战，这需要在临床医学、细胞生物学、纳米材料学等学科不断发展中逐步加以解决。

COMPETING INTERESTS

所有作者均声明不存在利益冲突

Funding Statement

国家自然科学基金（82070200）