细胞核靶向纳米药物递送系统的研究进展

王小兵，于涛

综述

细胞核靶向纳米药物递送系统的研究进展

王小兵，于涛

150040 哈尔滨，东北林业大学生命科学学院/东北盐碱植被恢复与重建教育部重点实验室

药物治疗是目前肿瘤治疗中最常用的方法，但由于药物的肿瘤选择性差，常规化疗的效果并不理想且副作用大。目前，利用具有靶向功能的纳米载体搭载药物靶向肿瘤是一种尚处在研究中的策略[1]，然而这些纳米载体仍不能达到理想的治疗效果[2]。研究表明，抗肿瘤药物借助药物载体内化进入细胞后大多不具有靶向作用于特定的亚细胞器的能力，还存在被细胞内的溶酶体吞噬、降解的可能，从而影响药物的治疗作用[3]。大部分抗肿瘤药物是以细胞核内 DNA 为作用靶点，如喜树碱（camptothecin，CPT）、阿霉素（doxorubicin，DOX）和顺铂等都是通过破坏 DNA 结构，影响复制和转录过程发挥抗肿瘤活性[4-6]。因此，如何将化疗药物高效运送至细胞核是改善上述药物治疗效果的关键。

细胞核是高度分化的细胞器，具有双层磷脂膜，核膜上直径 30 ~ 50 nm 的核孔复合体（nuclear pore complexes，NPCs）是物质进入细胞核的通道。从机制上讲，利用纳米载体跨越细胞核膜将药物精准地送入核内，既要求载体具有足够小的尺度以通过核孔复合体，又要具有充足的空间容纳药物，还要便于化学修饰从而连接核定位序列信号分子，最终才能在被肿瘤细胞高效摄入并通过核孔复合体主动转运到核内发挥药效（图 1）。富含赖氨酸的经典核定位信号（nuclear localization sequence，NLS）能够与 α 输入蛋白和 β 输入蛋白结合，然后通过消耗 GTP 经核孔复合体转运进入细胞核，另富含精氨酸的 TAT 多肽则通过与 β 输入蛋白结合，从而转运进核[7]。此外也可通过核膜融合的方式进入细胞核，如以聚醚酰亚胺（polyetherimide，PEI）为代表的阳离子聚合物在逃离溶酶体后，可以通过自由扩散方式接近细胞核，然后通过静电作用与带负电荷的核膜融合，从而进入到细胞核中[8]，但目前 PEI 主要应用于构建基因递送载体，而用于药物递送的报道较少。本文综述了近年来细胞核靶向药物传递系统的最新研究进展，为更多细胞核靶向药物传递系统的设计提供依据。

1 无机细胞核靶向纳米药物递送系统

1.1 二氧化硅纳米粒子

二氧化硅纳米粒子根据孔径大小可分为 3 种：微孔、介孔、大孔，在药物递送系统的研究中应用最多的是介孔二氧化硅纳米粒子（mesoporous silica nanoparticles，MSNs）。自 2001 年以来[9]，介孔二氧化硅纳米粒子以较大的比表面积和孔体积、孔径可调、易于表面修饰、生物相容性好等特点，已被广泛用于抗癌药物的递送[10-12]。

Pan 等[13]通过合成不同尺寸大小（25 ~ 105 nm）的介孔二氧化硅纳米粒子作为载体搭载阿霉素（DOX）进行细胞核靶向的肿瘤药物治疗。研究结果显示，MSNs 作为药物载体，具有较高的载药量，与对照组相比较，连接细胞穿透肽（TAT）的小粒径 MSNs 能高效地递送药物进入细胞核，并在核内释放药物，从而达到增强化疗的目的。在随后的研究中，Pan 等[14]再次利用表面修饰 TAT 肽的小尺寸介孔二氧化硅纳米粒子（MSNs-TAT，30 nm）作为载体搭载抗肿瘤药物阿霉素（DOX-MSNs-TAT）对多药耐药细胞进行细胞核靶向药物治疗。研究结果表明，相比于游离的 DOX 和未连接 TAT 肽的 MSNs-DOX，具有细胞核靶向功能的 DOX-MSNs-TAT 能够更高效地将药物递送至细胞核内，能有效克服细胞的多药耐药性（MDR），从而达到增强治疗效果的目的。

图 1 不同载体进入细胞核的方式

Li 等[15]以 Fe3O4纳米粒子作为核心在其表面包裹介孔二氧化硅制备了一种核壳结构的多功能磁性介孔二氧化硅纳米粒子（magnetic mesoporous silica nanoparticles，FMSNs），同时修饰 TAT 肽于外表面，进行细胞核靶向多功能联合治疗。研究结果表明，FMSNs 通过体外磁性引导能在肿瘤组织高度富集，在被肿瘤细胞摄取后能定位于细胞核，将负载于介孔结构中的抗肿瘤药物 CPT 释放入核内，同时还可以作为核磁共振造影剂进行核磁共振成像，从而实现影响监测下的细胞核靶向肿瘤化疗。

1.2 金纳米粒子

金纳米粒子（gold nanoparticles，AuNPs）是研究较早的一种贵金属纳米材料，它的常规尺寸一般在 1 ~ 100 nm 之间，具有尺寸均一、无毒性、生物相容性好、表面易修饰等特点，同时还具有较高的 X 射线吸收系数，已被广泛用于体内外 CT 造影和药物递送研究[16]。

Wang 等[17]将金纳米粒子表面修饰荧光标记的牛血清蛋白（BSA）形成金纳米簇（AuNCs）并搭载药物赫赛汀（AuNCs-Her）进行细胞核靶向抗肿瘤治疗，结果表明，仅仅有 5 nm 左右的AuNCs-Her 能够成功逃逸溶酶体诱捕并最终携带赫赛汀进入细胞核，提高了赫赛汀破坏肿瘤细胞的 DNA 的效率，进而提升了肿瘤细胞抑制效果。

Morshed 等[18]利用修饰有细胞穿透肽 TAT 的金纳米粒子运载 DOX（TAT-Au-DOX）治疗脑转移性乳腺癌，结果表明 TAT-Au-DOX 能够被肿瘤细胞摄取并积累于细胞核内，与游离药物相比 IC50值降低了80%，显著提升了 DOX 的化疗效果。

1.3 碳纳米管

碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs）是一种研究较为广泛的无机非金属碳素材料，可分为单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes，SWCNTs）和多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs）。碳纳米管不仅具有独特的中空结构和内外管径，而且具有良好的细胞穿透能力，因此在抗肿瘤药物运送中有较好的应用前景[19]。

Das 等[20]利用聚乙二醇（PEG）将 17 β-雌二醇（E2）连接于 MWCNTs 的表面并装载抗肿瘤药物 DOX 用于治疗乳腺癌。研究结果表明，所制备的DOX@E2-PEG-MWCNTs能够通过雌激素受体（estrogen receptor，ER）靶向乳腺癌细胞，由于 MWCNTs 本身具有良好的穿透能力，可介导肿瘤细胞内化，之后可通过 ER 途径靶向细胞核，发挥更好的化疗作用。

Dong 等[21-22]利用偶联有 TAT 肽的低分子壳聚糖修饰 MWCNTs 作为载体装载 DOX 后处理 Bel7402、MD-MBA-231、L929 等肿瘤细胞。结果表明，相比于游离 DOX 和 MWCNTSM/DOX，MWCNTs/DOX/TC 粒子具有更好的水溶性和分散性，能够很快地被上述肿瘤细胞内化并递送 DOX 进入细胞核发挥更高效的抗肿瘤作用。

2 有机细胞核靶向纳米药物递送系统

2.1 聚合物胶束

聚合物胶束（polymeric micelles，PMs）通常指由两亲性嵌段聚合物在水相中自组装形成的一种热力学稳定的胶体结构，大小在 10 ~ 200 nm。这些胶体结构可以将疏水性药物包封在疏水内核，同时可以在表面进行相应配体修饰以实现靶向功能。因此，聚合物胶束在抗肿瘤药物递送中有很好的应用前景[23-24]。

Guo 等[25]利用嵌段共聚物胶束（mPEG-PLA-ss-PEI- DMMA，PELEss-DA）装载 DOX 进行肿瘤细胞核靶向药物递送。结果表明，这种聚合物胶束通过表面电荷的改变而延长其在血液中的循环时间，并通过自身二硫键对肿瘤组织内的高水平还原型谷胱甘肽（GSH）产生响应，使得粒径变小，最终通过被动扩散的方式进入细胞核内并释放药物，明显提升了化疗效果。

Zhang 等[26]利用修饰有 TAT 肽和叶酸（folate）的PEG-辛基壳聚糖制备 folate/TAT-PEG-OC 胶束，在装载 DOX 后处理 Bel-7402 肿瘤细胞系。MTT 实验结果表明，游离 DOX 和载药 folate-PEG-OC 胶束处理后的细胞存活率为（31.81 ± 7.59）% 和（28.59 ± 8.85）%。相比之下，载药 folate/TAT-PEG-OC 胶束处理后的 Bel-7402 细胞活力仅为（19.01 ± 5.24）%，这一结果证明 TAT 肽能协助载药胶束定位至细胞核，并明显增强阿霉素的化疗效果。

Yu 等[27]利用核定位信号（NLS）和叶酸（folic acid，FA）修饰的胆固醇聚乙二醇壳聚糖（cholesterol-modified glycol chitosan，CHGC）装载 DOX，形成 DOX/NFCHGC 胶束。结果表明，在叶酸作用下 DOX/NFCHGC 胶束能够很快地被 KB 肿瘤细胞内化，NLS 使胶束与核孔复合体结合持续地释放DOX 进入细胞核，从而诱导肿瘤细胞凋亡。

2.2 脂质体

脂质体是由天然或合成的磷脂组成的单层或多层小泡，既可以包封大量的亲水性抗癌药物，还可以搭载疏水性药物。相比其他纳米级递送载体，脂质体具有良好的生物相容性和生物体易降解的优点。目前，脂质体多用于基因治疗以及不同形式药物的递送[28-29]。

Roy 等[30]利用热敏气泡脂质体作为载体连接TAT和碳量子点（CDs）形成脂质体复合物CDs/TAT@NBLs，并装载 DOX 实现核靶向的多功能联合治疗。结果表明，脂质体能够有效地靶向肿瘤细胞核，载体入核后经近红外光照射，CDs 可作为光热治疗剂进行光热转换升高核内温度，热敏型气泡脂质体内包封的气泡受热分解，导致包封于载体内的 DOX 在核内释放，实现可控光热治疗与化疗的核内联合治疗。

2.3 聚合物纳米囊泡

聚合物囊泡是由两亲性聚合物形成的稳定囊泡。聚合物囊泡在结构和形态上与脂质体囊泡相似，但相比脂质体囊泡，其具有更高的稳定性，且其物理性能如膜厚度、渗透性、流动性及表面功能性等都可更好调控，囊泡空心可装载亲水性药物，双分子层之间可装载疏水性药物[31]。

Anajafi 等[32]利用二硫键连接亲水性化合物 PEG 和疏水性化合物 PLA 形成两亲性嵌段共聚物囊泡装载 DOX 和姜黄素，并在其表面修饰含有核定位信号 SV40 的基质金属蛋白同工酶 MMP-7 响应型多肽，用于肿瘤细胞核靶向治疗。研究结果表明，上述表面多肽的使用能有效屏蔽 SV40 表面正电荷，从而防止载药囊泡与正常细胞发生非特异性静电相互作用。囊泡通过高通透性和滞留效应（enhanced permeability and retention effect，EPR）进入肿瘤组织后，MMP-7 可水解多肽从而暴露出 SV40 进而靶向细胞核，最终进入细胞核释放药物。

3 总结与展望

利用纳米载体将化疗药物直接运送到细胞核是一种具有前景的肿瘤化疗策略，可最大限度地发挥以核内 DNA 分子为靶点的抗癌药物疗效。细胞核靶向纳米药物载体的研制将为肿瘤治疗带来巨大的机遇。然而，从基础研究到临床转化的过程中，细胞核靶向纳米药物载体的研究仍面临以下问题和挑战：①开发更安全、生物相容性更好、可被机体代谢排泄的细胞核靶向纳米药物载体是今后药物载体研究的重要方向，也是肿瘤细胞核靶向化疗能够进入临床应用的前提；②构建智能型纳米载体，能够在特定条件刺激下释放药物，从而减少药物进入细胞核之前的泄漏，同时提升药物在细胞核内释放效率；③在载体表面修饰 NLS 是目前实现纳米载体细胞核靶向功能的重要策略，但还需进一步研究携带 NLS 纳米载体与核孔复合体之间的相互作用机制，这有利于提升纳米载体从细胞质内进入细胞核的效率；④有些细胞核靶向纳米载体具有很好的核靶向性，但药物在细胞核中释放不够高效，因此需要建立并完善纳米载体细胞核靶向效率的评价机制。综上所述，发展和优化细胞核靶向纳米药物递送系统以提高肿瘤化疗效果仍是今后纳米药物载体研究的重要方向。

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中央高校基本科研业务费专项资金（2572017PZ09）

于涛，Email：yutao@nefu.edu.cn

2019-08-27

10.3969/j.issn.1673-713X.2020.01.011