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溶质包封纳米粒作为支化两亲肽胶囊载体的研究进展

评论文章一篇关于溶质包裹纳米颗粒作为递送系统的综述，重点放在分支两亲肽胶囊上希拉 · M · 巴罗斯 a，b，苏珊 · K · 惠特克 a，皮纳金 · 苏克谢拉 a，1，L · 阿德里亚纳 · 阿维拉 a，2，苏珊 · 古德勒 a，3，马特 · 华纳 a，爱德华多 · I.C. 贝尔特拉奥 ~ b，约翰 · M · 托米奇 a，* a 生物化学和分子生物物理学系，堪萨斯州立大学，曼哈顿，KS 66506，美国伯南布哥大学生物化学系，累西腓，伯南布哥，50670-901，巴西

目前正在制定各种策略来改善药物的传递和提高药物的生物半衰期。为了解决这些问题，药物传递技术依赖于不同的纳米分子，包括: 脂质囊泡，病毒衣壳和纳米粒子。肽是许多这些纳米材料的组成部分，克服了与脂质或病毒传递系统相关的一些局限性，如可调性、稳定性、特异性、炎症和抗原性。本文综述了自组装形成囊泡/胶囊的生物载药纳米材料的研究进展。而脂质囊泡是突出的结构，肽为基础的构建正在出现，特别是肽双层划分的胶囊。新型生物材料支化两亲肽胶囊(BAPCs)具有许多优良的性能。这些纳米球由两个支化肽 dbis (FLIVI)-K-KKKK 和 bis (FLIVIGSII)-K-KKKK 组成，设计用于在分子结构中模拟二酰基磷酸甘油酯。它们经过超分子自组装，形成溶剂填充的双层胶囊，根据退火温度和时间的不同，胶囊的尺寸从20nm 到2mm 不等。它们能够包裹不同的荧光染料，治疗药物，放射性核素，甚至小的蛋白质。虽然与脂质囊泡具有许多共同特性，但是 BAPC 更加强大。对它们的稳定性、大小、细胞摄取和定位、细胞内滞留以及在培养和体内的生物分布进行了分析。1.药物研究的目标是以安全和可重复的方式将适当剂量的药物递送到靶向细胞或组织中[1]。虽然在定义基本的生物过程和发现与这些分子相互作用的化合物方面已经取得了巨大的进展，但是将这些发现转化为*的治疗方法却落在了后面。对于这种失误，人们经常提到将治疗部分输送到具有最小脱靶损伤的选择性组织的局限性[1,2]。新型分子药理学试剂具有已证实的生物活性，但水溶性有限或体内循环半衰期短，将面临实质性障碍。这些递送障碍限制或减少治疗活性，不利于潜在的药物感兴趣的化合物进入临床药物试验[1]。传统的药物管理模式，如药丸，静脉注射液，软膏，吸入器等，没有达到这些期望。以口服途径为例，由于其微创性质，是常用和选的给药方式之一。然而，由重组生物技术的最新进展推动的肽和蛋白质候选药物的充分递送[2] ，通过这种途径是无效的[3,4]。克服许多障碍，包括人类胃的酸性环境，蛋白水解降解，有限的肠道摄取和肝脏的首过效应是不可少的。所有这些因素都会减少、改变和阻断几乎所有生物大分子药物的吸收[5,6]。自组装纳米载体(图1)有望作为载体，克服困扰某些类别药物的许多不良吸收问题。疏水性和亲水性小分子、蛋白质和核酸都可以结合在这些纳米材料的隔室内并在体外或体内传递。自组装载体可以分为若干类别，这取决于它们是实心的还是空心的以及由它们组成的材料。它们可以根据是否含有天然或合成聚合物进一步分类。聚合囊泡在稳定性、储存性和可调性方面比天然脂质体更具优势。通过聚合囊泡的药物输送增加了药物的稳定性，延长了血液循环的时间，可以被设计为控制释放。大多数聚合体和肽两亲分子具有较低的“临界组装浓度"(CAC) ，其值与临界胶束相似 浓度(CMC) ，用于描述形成脂质囊泡所需的低浓度。他们的 CAC 下降在106e107M 范围内，比大多数表面活性剂(103e104M)低1000倍[7,8]。这使得有效载荷的保留时间更长，并改善了向身体远端区域的输送。文献综述揭示了过多的化合物包封和成功地提供了体外和体内使用聚合囊泡。这些包括各种抗癌药物，蛋白质如肌红蛋白，血红蛋白和白蛋白，荧光分子，质粒和 siRNA。Levine 等人(2008)的综述[9]总结了与癌症诊断和治疗有关的聚合体研究的文献，更详细地说明了已经开发的聚合体和货物的类型。聚合物囊泡在包裹荧光剂时也可用作诊断工具和光学成像。一个例子是封装基于卟啉的近红外(NIR)荧光团，即使通过1厘米的实体瘤也能产生信号[10]。当这种纳米囊泡被注射到动物体内时，它们的生物分布可以通过非侵入性的近红外光学方法来监测，这样就不需要牺牲动物了。这些纳米囊泡的表面可以与各种配体分子功能特异性上调表面受体病细胞。这种针对具体地点的递送减少了使用传统递送路线观察到的潜在全身副作用。一些配体分子试图包括各种抗体，转录反式激活因子(TAT)肽和抗 HER2/neu 肽模拟肽(AHNP)肽。纳米载体已被证明可以改善这些药物的药理特性。纳米技术用于药物递送已被证明可以增强难溶性药物的递送，促进以细胞/组织特异性方式的药物靶向，并且能够共同递送两种或更多药物以及更大的大分子药物的细胞内递送。通过提高这些药物的疗效，新的候选药物在临床试验中取得了进展，安全性和有效性得到了改善[11]。纳米技术在药物输送方面的应用预计将在可预见的未来改变制药和生物技术产业的格局[11e14]。截至2013年，已有近250种基于纳米技术的药物获得批准或正处于不同的临床研究阶段[15e17]。纳米颗粒是10-200nm 的胶体大分子纳米载体系统，被认为具有潜力有吸引力的候选人的包封和包封的疏水性药物。固体纳米颗粒可以定义为纳米胶囊-活性药物分子被包裹在载体内; 或基于基质的纳米球-其中药物分子被吸附并分散在整个纳米材料中[18]。纳米颗粒可以通过“自上而下"或“自下而上"的方法进行设计[19]。在前者中，较大的材料被分解成较小的颗粒，而自下而上的方法涉及在受控反应中热力学调节的纳米材料的多步合成[20]。合格的纳米载体在适当的时间框架内安全、选择性地、可靠地将所需剂量的治疗剂递送到目标部位[3,13,20,21]。理想的纳米载体具有几个理想的特性: 它们应该减少所需的活性化合物的浓度，因为药物不再系统地分布[22] ，并且由于改善了组织和器官靶向而增强了生物分布的药代动力学[12,23 e25]。这种优先递送以及粒子以持续或刺激触发方式释放药物的能力将减少脱靶效应并降低细胞毒性。利用纳米载体的另一个优点是改善了疏水性药物在水中的传递，从而通过肠外给药提高了它们的传递。基于纳米载体的递送系统也被证明可以改善各种疏水部分和肽类药物的半衰期[26 e28]。此外，基于纳米技术的由生物相容性分子组成的运载工具[29e32]被认为是现有已知会导致周围经病变和过敏的更安全的替代品[33,34]。对纳米传输系统的研究涉及到许多设计元素。除了正在开发的纳米载体之外，大量可用的纳米载体呈现出具有各种结构、功能和物理化学特征的纳米系统，这些特征转化为特定情况下的优势和/或局限性。其中包括(i)组成材料的生物相容性; (ii)简单而稳健的组装过程; (iii)功能化/预功能化能力; (iv)细胞内稳定性和生物降解性; (v)长循环半衰期; (vi)与易吸收的细胞相容的尺寸，电荷密度，表面亲水性和灵活性; 以及(vii)可忽略的免疫原性。有人指出，纳米粒子制造和功能化所涉及的复杂性导致批量间的变化，从而导致质量和纯度问题[3]。通过预先功能化生物材料的自组装介导的单步合成来开发靶向纳米载体将通过简化这些系统的优化和可扩展制造来缓解这些担忧[35e38]。尽管纳米医学最近取得了进展，但仍然存在一些挑战1)克服物理化学和生物学障碍，如低稳定性，低渗透性，半衰期短，酶易感性，靶向性和2)免疫原性[5]。尽管这些纳米治疗产品中的大多数已经提高了临床批准的药物的药效，但是纳米技术作为一个整体还没有产生*新的治疗方法[11]。2.自组装纳米粒子的结构生物分子的自组装现象是一种常见的自然现象。组装的多蛋白复合物是许多细胞功能所必需的。甘油二酯-磷脂组装负责各种细胞膜的结构。在脂质和肽的情况下，自组装分子是两亲性的，并且由疏水和亲水结构域组成。这些结构域可以沿着分子的长度或者沿着折叠分子的确定面在空间上分开[39]。亲水部分可以不带电(极性)或带电(阳离子，阴离子或两性离子)[40]。虽然这些片段在脂质中空间分离，但在两亲肽中，一级序列包含疏水和亲水残基的交替或随机片段。反折叠成螺旋或 b 片，最终的功能结构具有连续的疏水或亲水残基面，允许它们与溶剂、膜、配体或相邻分子相互作用。生物大分子中的自组装通常由弱的非共价相互作用促进，这种相互作用可以是氢键、范德华力、离子和静电相互作用的任意一种或混合物。当这种两亲性分子被引入到水环境中时，疏水性片段退火至排除水，从而提供了分子间和分子内联合辅助装配的驱动力。分子的亲水部分仍然暴露在水溶剂中。我们对两亲分子自我组装的大部分理解来自于对脂质的研究。模拟脂质两亲分子的尝试已经涉及到许多不同类型的分子的设计和开发，其保留具有相对短的酰基链的两亲性质[41,42]。脂质和肽两亲分子聚集成许多纳米和微型结构，如胶束，囊泡或分子凝胶[43] ，由杆和小管[44] ，原纤维和纤维[45]组成，具有有序的结构。胶束采用球形、蠕虫状或圆盘状结构[46e51]。*由脂质组成的囊泡称为脂质体，但存在其他非脂质囊泡类型: 囊泡体，原核体，多面体囊泡体，聚合体和由肽两亲自组装形成的囊泡[52]。最后，不属于这些常见类别的结构可以多样化，如双锥体，层状，六角相，立方相，二十面体，笼状，高轴向比例微结构(HARM)[53e55]和髓鞘原纤维[40]。单个分子内部和相互作用力的能量学、几何约束和强度决定了组装的最终结构。影响最终组装的其他因素有 pH 值、温度、溶剂的离子强度以及单体的浓度。使用单体的包装参数可以预测组装的有利结构[56]。填充参数取决于头基 a0的面积，烃链或链的摩尔体积 n，以及单体的扩链长度 l0: 虽然两亲分子的头基团在预测组件的总体形状和大小中起关键作用，但尾部区域指导球形胶束，棒状胶束和球形双层囊泡的形成[43]。虽然已有大量的文章对自组装分子采用的不同形态进行了综述，但这篇综述涉及球形聚集体，即胶束和囊泡的研究。胶束组件2.1.1。单体胶束胶束是简单的两亲性组装。它们可用于将疏水分子包裹在其疏水核内(图2)。由硫酸化酰基链(即十二烷基硫酸钠、十二烷基硫酸钠)组成的洗涤剂胶束采用这种结构。在低于 CMC 的浓度下，两亲分子作为单体存在，但当单体浓度超过 CMC 时，它们开始组装形成稳定的球形结构。这些结构与溶液中的单体处于动力学平衡。CMC 受到两亲体浓度的进一步增加的影响，这可能导致整体形状(盘状、棒状或液晶相)的变化，从而允许人们调整最终组件的整体形状和大小。脂质胶束的直径范围从10到100nm，并表现出核壳结构，其中内部是疏水的，包裹亲脂性药物[57]。胶束表现出的 CMC 和结构特征是其亲水性和疏水性块状组分的性质的函数。 Yu 和 Eisenberg [58]根据溶剂条件和疏水性和亲水性片段的相对大小产生了各种胶束构象，如球体，棒，囊泡，小管和片层。这些不同的结构时，他们的药物传递能力测试显示不同的药代动力学特性。[59e63] 2.1.2.共聚胶束共聚胶束是一种相对较新的构建体，它包含了由嵌段共聚物制备的可生物降解的聚合物。嵌段共聚物是疏水性和亲水性残基的线性重复单元，共价连接使分子具有两亲性。K60L20是二嵌段共聚物的一个例子，其中由60个赖氨酸残基组成的多肽与由20个残基组成的多肽共价连接。残基嵌段形成嵌段共聚物的疏水段，而带正电荷的赖氨酸残基形成更亲水的段[64]。三嵌段共聚物与二嵌段共聚物相似，但在具有额外的疏水性或亲水性片段方面有所不同，这些片段可以与现有的任何一个片段融合。一般来说，聚合物胶束由两部分组成: 由不溶性疏水链段组成的核心壳和由可溶性亲水链段组成的外电晕(图3)。虽然具有核心颗粒和电晕的简单球形胶束是常见的，但最近报道了更复杂的多层结构，类似于洋葱样胶束[65] ，壳交联胶束[66] ，星形 Janus 胶束，允许在同一分子中进行两种不同类型的化学相互作用[67e69]精神分裂症双嵌段共聚物胶束[70] ，多室汉堡胶束[71]。2.1.聚乙二醇化胶束。许多共聚物被用来制造胶束，但是生物相容性和生物降解性问题限制了它们在治疗应用中的应用。通常，亲水嵌段的选聚乙二醇是聚乙二醇(PEG)。在大多数胶束组装中，PEG 的分子量往往超过疏水共转化块[73]。这个亲水性的外部电晕区域倾向于图。2.胶束的插图。图3。聚合物胶束。嵌段共聚物的自组装和聚合-交联的交联的膝盖型聚合物组装，其中交联的外壳可以用生物相关的配体修饰。[转载自 Adv DrugDeliv。Rev，56(11) ，Tu 和 Tirll，仿生组件的自下而上设计，1537 e1563(2004)[42]经 Elsevier 许可]。变得水化导致外观张开，产生各种结构，如聚合物刷子[74]。这些构象使胶束具有新的特性，抑制血清蛋白的结合和血液中的吞噬攻击，从而降低网状内皮系统(RES)的清除率[75]。聚乙二醇化共聚物胶束也比传统的表面活性剂具有更低的 CAC，从而降低细胞毒性[76]。高度水化的电晕和疏水核心产生介电梯度，有助于增溶一系列不同疏水性的非极化化合物[77]。胶束递送系统，像许多其他系统一样，通过增加循环半衰期和增加肿瘤积聚来积极影响药物的生物分布和药代动力学[78]。

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