基于组氨酸的药物基因载体在癌症诊疗中的应用.pdf 6页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn基于组氨酸的药物/基因载体在癌症诊疗#中的应用**王小慧，聂武成，宋飞，汪秀丽，王玉忠5（四川大学化学学院环保型高分子材料国家地方联合工程实验室，成都，610064）摘要：近年来研制具有刺激响应性的纳米载体对药物/基因进行可控传递备受关注，在提高抗肿瘤疗效和降低毒副作用方面表现出巨大优势。由于组氨酸可在酸性环境中被质子化，因而被广泛用于构建pH刺激响应药物传输系统。本文简要概括了利用组氨酸制备药物/基因载体的研究现状，综述了其癌症诊疗方面的应用，并对未来进行了展望。10关键词：组氨酸；载体；癌症诊疗中图分类号：O632.19Applicationsofdrug/genecarriersbasedonhistidineinCancerTheranostic15XiaohuiWang,WuchengNie,FeiSong,XiuliWang,YuzhongWang(NationalEngineeringLaboratoryofEco-FriendlyPolymericMaterials,ChemistrySchool,SichuanUniversity,Chengdu,610064)Abstract:Recently,stimuli-responsivenano-carriersfordrugdeliveryhavereceivedtremendousattentionbecauseoftheenhancementoftherapeuticefficiencyandeliminationofadverseeffectsto20organisms.Histidine,owingtoitsprotonationinacidenvironment,iswidelyusedtoconstructpH-responsivedrug-deliverysystems.Herein,wesummarizethepreparationandbiomedicalapplicationsofdrug/genecarriersbasedonhistidine.Inaddition,futureoutlookofthematerialsisalsopresented.Keywords:histidine,carrier,cancertheranostics250引言尽管近年来人类在癌症诊断和治疗方面取得了巨大进步，但癌症仍然是致死率最高的疾病之一。2014年，全球有1400万癌症病例，死亡人数达到800万，预计到2032年癌症病[1,2]30例将上升至2500万。因此，对早期癌症的准确诊断和有效治疗显得尤为重要。组氨酸学名2-氨基-3咪唑基丙酸，是一种含有咪唑侧基的碱性α氨基酸，于1896年首次被德国物理[3]学家艾布瑞契·科塞尔分离出来。作为一种人体必需的氨基酸，组氨酸能与金属离子配位形成可逆的配位键，以使生物体的生命活动得以正常运行。此外，组氨酸还具有治疗心脏病、[4]贫血、风湿性关节炎等疾病的功效。组氨酸的R基团咪唑基解离常数为6.0，即解离的质35子浓度与水相近，因此组氨酸既可作为质子供体，又可作为质子受体。另一方面，咪唑基提供质子和接受质子的速度非常快（半衰期小于10-10s）且几乎相等。组氨酸的咪唑基既能够在肿瘤细胞外液或肿瘤细胞中被质子化，释放负载药物，也能在微酸环境中诱导磷酸双分基金项目：教育部博士点新教师基金（20130181120067）作者简介：王小慧（1993-），女，博士研究生，生物医用材料通信联系人：宋飞（1982-），男，副教授、硕导，环境友好生物基高分子材料.E-mail:songfei520@gmail.com-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[5]子层的融合，因此组氨酸常被用于构筑pH响应的药物和基因载体。本文将简要概括组氨40酸基团在生物医学领域中的应用。1药物载体基于生物降解聚合物的药物载体，具有毒性低、生物相容性良好等优点。通常，该类药物载体以不同形状及尺寸纳米粒子的形式呈现。这些粒子在药物输送过程中，可以在一定程度上避免药物在到达病灶部位前被生物体代谢。结合肿瘤细胞内微环境pH值的改变，将基45于组氨酸的载体材料用于抗癌药物的传输可以显著提高药物的生物利用度。本节将根据原料来源对该类聚合物药物载体进行简要介绍。[6]在含多糖的载体材料方面，Cho等制备了N-乙酰基组氨酸-乙二醇壳聚糖偶合物。在中性pH值条件下，N-乙酰组氨酸呈疏水性，偶合物自组装形成平均直径为150~250nm的纳米粒子。在微酸环境中，组氨酸质子化使得亲疏水平衡被破坏，纳米粒子解离从而释放药[7]50物。Wang等合成了两亲性的羧甲基壳聚糖-组氨酸/甲氧基聚乙二醇聚合物（carboxymethylcellulose-graft-histidine/methoxypolyethyleneglycol，CMP），并将其涂覆在脂质体载体外层（CMP-coatednanostructuredlipidcarriers,CNLCs）。体外实验表明，在中性条件下CMP的包覆能够有效抑制药物的爆释，而在酸性条件下CNLCs的药物释放速率和未经CMP包覆[8]的脂质体相当。Bae等报道了可将药物输送至MCF-7癌细胞的pH响应纳米凝胶。在分子55设计上，他们通过酯键将脱氧胆酸和组氨酸接枝到支链淀粉上。在组氨酸基团含量相对较高时，药物释放速率随着pH值的降低而增大，呈现出对MCF-7癌细胞毒性增大的趋势。Yao[9]等模拟血红蛋白的结构，合成了葡聚糖-胆固醇/组氨酸（Histidine-ModifiedDextran-g-cholesterol，HDC），并加入铁卟啉使其与组氨酸配位形成超分子纳米水凝胶(MSNs)。该配位键在酸性条件下会发生解离，HDC与MSNs的药物累积释放率可达到80%。60但是在微碱性条件下，MSNs的药物累积释放率比HDC更低。这说明配位作用的引入增加[10]了纳米粒子的稳定性，有利于粒子到达病灶部位并减少其对正常组织的伤害。Chen等通过静电作用将透明质酸-组氨酸（hyaluronicacid–histidine，HH）与聚乙烯亚胺-组氨酸（polyethylenimine-histidine，PH）共混并成功制备了聚离子复合物（PICs）。在酸性条件下，HH的质子化会使PICs的内部静电作用与疏水作用减弱，促使负载的阿霉素被快速释放。65在含组氨酸和合成高分子的载体材料方面，Bae研究小组开展了一系列工作。他们制备了一种由聚组氨酸-聚乙二醇和聚乳酸-聚乙二醇-聚组氨酸-生物素混合形成的pH响应多功[11]能胶束，在癌细胞的微酸胞外环境中，束缚在胶束核表面的受体官能团会被暴露，实现胶束在病灶部位的主动累积。随着进胞后pH值的进一步降低，整个胶束的结构坍塌，从而使药物被释放出来。与之类似，他们又用叶酸代替生物素制备了由聚组氨酸-聚乙二醇和聚[12]70左旋乳酸-聚乙二醇-叶酸组成的混合胶束。为了模仿病毒，他们还制备了以聚组氨酸/苯丙氨酸为疏水核、聚乙二醇为亲水壳的纳米凝胶，在此基础上再将牛血清蛋白与聚乙二醇相连[13]形成第二层亲水壳。当pH值为6.4时，纳米凝胶迅速变大；当pH值升高至7.4时，凝胶-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn缩小。这种体积的可逆变化可导致“转染”过程中药物的可控释放。此外，该小组进一步合成了甲氧基聚乙二醇-（聚组氨酸）2聚合物，然后加入胆固醇共混形成类脂质体的聚合物[14]75囊泡。胆固醇和组氨酸的协同作用使得该体系在pH7.4时药物释放更低，而在酸性条件下表现出与游离阿霉素相近的抗癌效果。Kim课题组也在该领域开展了一系列的研究工作。他们利用原子转移自由基聚合和开环聚合制备了生物相容性良好的聚合物（poly(2-hydroxyethylMethacrylate)-b-polyhistidine,[15]p(HEMA)-b-p(His)），其药物负载量最高可达11%。该聚合物用于负载阿霉素时，可获得80与自由药物相近的HCT116癌细胞抑制效果。通过微流体辅助自组装法，他们制备了[16]p(HEMA)-b-p(His)微球，这些微球的直径可控制在大约30μm且能用于药物传递。该课[17]题组还制备了一种聚组氨酸-艾拉前药，在无光照条件下的微碱性和微酸性环境中，癌细胞存活率均大于100%；而在光照条件下，前药比游离药物表现出更强的选择性和光敏活性。[18]此外，他们又制备了二棕榈酰磷酯酰乙醇胺-聚组氨酸囊泡和聚乙二醇单甲醚-聚赖氨酸-[19]85聚组氨酸聚合物囊泡。这些粒子在pH7.4时表现出较高的稳定性，随着pH值逐渐减小，组氨酸基团质子化，导致粒子逐渐解离并释放出负载药物。[20]Wang课题组合成了聚衣康酸-聚乙二醇-叶酸-聚组氨酸pH响应梳型聚合物。在pH7.4条件下，载药胶束的药物累积释放量低于10%，而在pH5.0的条件下，药物的释放量[21]可超过90%。Bilalis及其同事通过表面引发开环聚合反应将聚组氨酸接枝到介孔二氧化硅90纳米粒子表面。它能够将阿霉素负载在介孔通道中，载药量可高达90%，且在特定的pH刺[22]激作用下释放药物。Chen等报道了一种基于介孔硅纳米粒子的双pH响应的药物传递体系，该体系能够对癌细胞的胞外和胞内pH有所响应，即：在pH7.4的条件下，整个粒子能够稳定存在；而在癌细胞胞外pH6.8条件下，顺式乌头酸酐键断开，使粒子表面处于质子化状态，有助于细胞内吞；在癌细胞内部酸性环境下（pH5.3），金属超分子配位作用发生[23]95解离，释放出负载的阿霉素和光敏剂锌卟啉，具有化疗与光疗双重功能。Song和Wang等合成了含组氨酸的三嵌段共聚物，形成胶束后聚组氨酸处于聚乙二醇壳和聚苯乙烯核之间。利用组氨酸、铜离子和阿霉素之间的配位作用，实现核保护和高效负载阿霉素的目的，其中最高药物负载量可达21%。在pH7.4条件下，体系的药物释放率可控制在10%以下；而在酸性条件下，药物释放率高达95%，具有良好的pH响应性。1002基因载体将非病毒载体用于基因传递是当前极具潜力的癌症治疗方法之一，它能够避免利用病毒转染基因的风险。但是目前存在的难题是如何将基因传递到细胞内部及提高基因表达效率。[24]在含组氨酸基因载体的研究方面，Sharma等制备了组氨酸修饰的葡聚糖用于基因传递。该载体的转染能力是聚乙烯亚胺的6.7倍且毒副作用较小。此外，因体系具有质子海绵效应，[25]105所以基因表达效率较高。Yin课题组则合成了壳聚糖-组氨酸-半胱氨酸共聚物，组氨酸和赖氨酸存在有利于提高载体的稳定性，促进细胞吞胞和其从内含体中逃逸。此外，体系具有-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn[26]谷光氨肽酶响应性，有利于基因进入细胞核。Shi及其同事通过RAFT聚合法合成带组氨酸基团的梳状聚合物，该研究同样表明组氨酸基团有助于体系进胞后从内含体逃逸，类似的[27]发现在Kos等的研究工作也有报道。[28]110Asayama等合成了胺乙基化的聚组氨酸用作pH响应基因载体。结果表明，微酸环境有利于细胞膜的破损，因此胺乙基化的聚组氨酸基因载体的转染效率高。此外，甲基化的聚[29]组氨酸也可被用作基因载体。用甲基化聚组氨酸负载PEI/DNA复合物，得到纳米粒子的基因表达效率是PEI/DNA复合物的300倍，其中咪唑基团的质子化和羧甲基的负电性均对基因传递有促进作用。将部分咪唑基团二甲基化合成甲基化聚组氨酸，将其用作siRNA载[30][31]115体时甲基化和去质子化的咪唑基可作为疏水区以调控体系的稳定性。Chong等制备了二硫键交联的聚精氨酸-聚组氨酸-十八烷基胶束，并将其用于药物与微RNA的共传递。该胶束体系具有较低的临界胶束浓度且表面带正电荷，有助于促进微RNA从内含体逃逸和阿霉素的核内传递，利用其基因沉默和细胞毒性实现协同治疗效果。3其他120除作为载体之外，含组氨酸基团的聚合物在癌症诊断上也有应用。为了克服低分子量[32]pH探针在癌细胞微酸环境中的非特异性和快速代谢，Bae等设计了一种由聚乙二醇-聚组氨酸和聚乙二醇-聚左旋乳酸混合自组装形成的pH探针胶束，胶束的结构会随着pH值浮动而变化，从而可以通过核磁共振技术检测溶液pH值变化，其分辨率可达到0.2-0.3（pH）。[33]Jia等合成了组氨酸标记的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸多肽，该多肽一端连接整联蛋白，另125一端连接NiO纳米粒子。整联蛋白有助于捕获癌细胞，组氨酸基团连接的NiO纳米粒子则可用于放大表面等离子体共振（SPR）信号。该生物传感器在胰岛β细胞中能够轻易分辨出乳腺癌细胞，并将SPR信号的灵敏度提高20倍，检测限低至每毫升136个细胞。[34]在核磁显影方面，Na等制备了pH响应聚合物胶束作为肿瘤敏感核磁共振造影剂（cancer-sensingMRIcontrastagents，CR-CAs）。CR-CAs的形貌在pH7.4时为球型，直径130为40nm；在pH6.5时，组氨酸的质子化会导致CR-CAs解离，形成带正电荷的水溶性的聚合物。CR-CAs在肿瘤区域的T1加权像对比度增强，能够在几分钟内检测到很小的肿瘤。[35]Huang等以组氨酸作为唯一的碳源,在没有酸碱或金属离子的情况下，利用微波水热法制备了氮掺杂的碳量子点。量子点直径在2-5nm，有明显的晶格条纹，并且表现出激发波长依赖的发光性能。这种碳量子点的产率高，具有很好的水溶性，在不同pH值和盐浓度135的溶液中发光稳定性良好，可用作检测三价铁离子，检测限为10nM。[36]Shao等合成了钴卟啉脂质体，并通过组氨酸基团和钴卟啉之间的配位作用将具有主动靶向功能的多肽或蛋白连接到脂质体上，从而发展了一种普适的制备具有靶向输送或致免疫特性的载体材料。-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn4结论140组氨酸具有可逆质子化性质，并且能与多种金属离子或金属螯合物形成可逆/不可逆配位键，从而在构建环境响应性药物/基因载体方面表现出广阔的应用前景。基于组氨酸的载体材料可以促进内含体逃逸，提高药物的细胞核内输送性能或基因表达效率，以满足在癌症诊疗中的靶向传输、可控释放，可控自组装等多重需求。但是，当前大部分研究仍具有一定局限性，将组氨酸与金属离子或金属螯合物配位用于制备载体的研究则相对较少。此外，作145为人体必需的一种氨基酸，针对其在人体内有其他作用方面的研究还不够深入。因此，通过对组氨酸的进一步研究，将有望进一步优化癌症诊疗手段，解决现存的诸多瓶颈。致谢感谢教育部博士点基金（20130181120067）的资助。[参考文献](References)150[1]McGuireS.Worldcancerreport2014.Geneva,Switzerland:WorldHealthOrganization,internationalagencyforresearchoncancer,WHOPress,2015[J].AdvancesinNutrition:AnInternationalReviewJournal,2016,7(2):418-419.[2]BenderE.Developingworld:globalwarning[J].ScientificAmerican,2014,311(1):118-119.[3]KosselA,EdlbacherS.EinigeBemerkungenüberdasHistidin[J].Hoppe-Seyler´sZeitschriftfür155physiologischeChemie,1915,93(5):396-400.[4]ZengYF,TsengSJ,KempsonIM,etal.Controlleddeliveryofrecombinantadeno-associatedvirusserotype2usingpH-sensitivepoly(ethyleneglycol)-poly-L-histidinehydrogels[J].Biomaterials,2012,33(36):9239-9245.[5]BennsJM,ChoiJS,MahatoRI,etal.pH-Sensitivecationicpolymergenedeliveryvehicle:N-Ac-poly(L-histidine)-graft-poly(L-lysine)combshapedpolymer[J].BioconjugateChemistry,2000,11(5):160637-645.[6]ParkJS,HanTH,LeeKY,etal.N-acetylhistidine-conjugatedglycolchitosanself-assemblednanoparticlesforintracytoplasmicdeliveryofdrugs:endocytosis,exocytosisanddrugrelease[J].JournalofControlledRelease,2006,115(1):37-45.[7]JiangW,WangJ,YangL,etal.NanostructuredlipidcarriersmodifiedwithPEGylated165carboxymethylcellulosepolymersforeffectivedeliveryofdocetaxel[J].RSCAdvances,2015,5(110):90386-90395.[8]NaK,LeeES,BaeYH.Self-organizednanogelsrespondingtotumorextracellularpH:pH-dependentdrugreleaseandinvitrocytotoxicityagainstMCF-7cells[J].BioconjugateChemistry,2007,18(5):1568-1574.[9]YaoX,ChenL,ChenX,etal.IntracellularpH-sensitivemetallo-supramolecularnanogelsforanticancerdrug170delivery[J].ACSAppliedMaterials&Interfaces,2014,6(10):7816-7822.[10]ChenJX,WangM,TianHH,etal.Hyaluronicacidandpolyethylenimineself-assembledpolyioncomplexesaspH-sensitivedrugcarrierforcancertherapy[J].ColloidsandSurfacesB:Biointerfaces,2015,134:81-87.[11]LeeES,NaK,BaeYH.SuperpH-sensitivemultifunctionalpolymericmicelle[J].NanoLetters,2005,5(2):325-329.175[12]LeeES,GaoZ,KimD,etal.SuperpH-sensitivemultifunctionalpolymericmicellefortumorpHespecificTATexposureandmultidrugresistance[J].JournalofControlledRelease,2008,129(3):228-236.[13]LeeES,KimD,YounYS,etal.AVirus-MimeticNanogelVehicle[J].AngewandteChemieInternationalEdition,2008,47(13):2418-2421.[14]YinH,HanCK,KangMH,etal.Effectsofcholesterolincorporationonthephysicochemical,colloidal,and180biologicalcharacteristicsofpH-sensitiveAB2,miktoarmpolymer-basedpolymersomes[J].ColloidsandSurfacesB:Biointerfaces,2014,116(2):128-137.[15]JohnsonRP,JeongYI,ChoiE,etal.BiocompatiblePoly(2-hydroxyethylmethacrylate)-b-poly(L-histidine)HybridMaterialsforpH-SensitiveIntracellularAnticancerDrugDelivery[J].AdvancedFunctionalMaterials,2012,22(5):1058-1068.185[16]JohnsonRP,ChoiE,LeeKM,etal.Microfluidicsassistedfabricationofmicrospheresbypoly(2-hydroxyethylmethacrylate)-block-poly(l-histidine)hybridmaterialsandtheirutilizationaspotentialdrugencapsulants[J].MicrofluidicsandNanofluidics,2013,14(1):257-263.[17]JohnsonRP,ChungCW,JeongYI,etal.Poly(L-histidine)-tagged5-aminolevulinicacidprodrugs:NewphotosensitizingprecursorsofprotoporphyrinIXforphotodynamiccoloncancertherapy[J].InternationalJournal-5- 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