基于生物可降解材料的功能性聚合物纳米医药载体的研究

摘要

在癌症的化学疗法中，许多新型且疗效好的抗癌试剂如阿霉素(Doxorubicin，DOX)、紫杉醇(Paclitaxel)及最近发现的一种天然抗癌药物β-lapachone由于其强疏水性而无法通过静脉注射进入肌体循环系统并传送到病灶部位。同时，这些抗癌药物的直接施药会导致：(i)肌体内循环半衰期过短，不能发挥最佳疗效；(ii)对肌体的健康组织及细胞具有很强的毒副作用；(iii)容易产生肌体免疫排斥反应而使药效降低甚至失去疗效。 同时，在肿瘤的药物治疗方面，存在着肿瘤细胞对抗癌试剂的多药抗药抑制效应(multi-drug resistance，MDR)。在众多多药抗药抑制机理中，比较普遍的一种是由于抗药肿瘤细胞膜表面过度表达一种跨膜蛋白-P-糖蛋白(P-glyeoprotein，P-gp)的作用而减少抗癌药物在肿瘤细胞内的聚集浓度所致。一种常用的解决与P-gp相关的MDR方法就是使用MDR调节剂。许多有效的MDR调节剂如戊脉安(verapamil)、奎奈定(quinidin6)及PSC833都可以阻碍P-gp的功能，重新使抗药细胞对药物产生敏感。然而，这些MDR调节剂无一例外地存在着强疏水性及对细胞特异性差等缺点。 高分辨核磁共振成像(MRI)技术已成为现代癌症及心血管疾病的最有效诊断手段之一。因此，发展疏水性抗癌试剂、MDR调节剂及显像试剂的高性能有效传输载体，具有十分重要的现实意义。 双亲嵌段聚合物(amphiphilic copolymer)在选择性溶剂中根据自组装(self-assembled)方式的不同会形成各式各样的纳米聚集体，如聚合物胶束(polymeric micelle)及聚合物囊泡(polymeric vesicle)等。聚合物胶束具有独特的核-壳结构。一方面其致密的疏水内核可以作为疏水性物质的天然载体。而另一方面其“梳型”结构的亲水外壳可以起到稳定纳米粒的作用，并且可以减少血液蛋白吸附、延长体内循环时间等功效。聚合物囊泡是一种具有中心膜壁的中空球结构。和天然的脂质体(liposome)一样，疏水中心膜可以负载疏水性物质、显像试剂等；而亲水内腔可以包裹水溶性物质及保护蛋白质及核酸等功能。这些聚合物聚集体合适的纳米级尺寸可以减少被网状内皮系统(reticuloenothelial system，RES)及巨噬(macrophages)细胞吞噬，使药物在体内保持疗效窗口浓度的时间得以几倍甚至几十倍的延长。 基于以上分析考虑，本论文主要从以下几个方面对功能性聚合物纳米载体进行改性及应用研究： (1)叶酸标识的靶向聚合物用于MDR调节剂的高效传输。 采用阴离子聚合反应，以烯丙基金属钾作为催化剂，分别通过环氧乙烷气体(EO)及已内酯(ε-caprolactone)的聚合反应合成了末端为双键功能基团的共聚物allyl-PEG-PCL。在allyl-PEG-PCL的胶束溶液中，以K2S2O4为催化剂，在温和的条件下通过氨基硫醇与双键的自由基加成反应得到末端为氨基的共聚物NH2-PEG-PCL,最后通过叶酸分子中的羧基与共聚物NH2-PEG-PCL的末端氨基反应得到目标产物folace-PEG-PCL。 实验结果表明，MDR调节剂通过叶酸靶向的聚合物胶束主动传输于抗药细胞KBV200后，有效地抑制了KBV200细胞中P-gp的药物溢出功能。大大提高了VCR的细胞毒性。如负载FG020326的靶向聚合物胶束(folate-PEG3K-PCL1K)的IC50值是0.0046μM，而非靶向胶束的IC50值则为0.021μM。流式细胞仪分析证明，经过叶酸靶向的聚合物载药胶束处理后，细胞内罗丹明123的聚集浓度明显增加。叶酸竞争实验进一步说明，细胞是经过叶酸受体诱导的内吞作用对靶向聚合物载药胶束进行吸收的。 (2)针对肿瘤细胞的磁靶向及分子靶向的双靶向纳米载药体系。 在高温下，合成了可以精确控制粒径尺寸并具有单分散性的疏水性SPIO(6nm)。通过透析法，双亲聚合物(folare-PEG-PCL，allyl-PEG-PCL)在水溶液中自组装成聚合物纳米胶束。同时，疏水性SPIO及DOX共同负载于胶束内核中。通过在载体表面作用叶酸修饰获得对肿瘤细胞的分子靶向；通过施加外源磁场获得对肿瘤部位的磁靶向。这种外加磁场及配体-受体介导的双重靶向载药体系的实施，有望显著增强载药胶束对肿瘤的疗效。透射电子显微镜(TEM)及胶束溶液的磁响应性实验证明SPIO及DOX成功地负载于聚束中心核中。 实验结果表明，在双靶向作用下，有效地提高了细胞对载体的吸收强度从而增加了对肿瘤的疗效。并且在强磁场强度下，磁靶向在载体传输上起着主导作用。而在低磁场强度下，分子靶向起着主要作用。在癌症化疗过程中，这种双靶向载药体系理念的设计为提高药物传输效率及肿瘤特异性开辟了广阔的前景。 (3)具有MRI高敏感性、靶向于肿瘤细胞的多功能聚合物囊泡医药载体。 通过多步化学反应合成了不同组分的生物可降解靶向共聚物folate-PEG-PDLLA。经双乳化法，双亲聚合物在水溶液中自组装形成聚合物囊泡，同时亲油SPIO(或亲水SPIO)和质子化DOX分别负载于聚合物中心膜及亲水内腔中。TEM显示油性SPIO均匀地分散于囊泡的中心膜上；另一方面，水性SPIO以团簇的形式被包裹在囊泡的内腔中。荧光显微镜观察到质子化的DOX成功地负载于囊泡亲水内腔中。负载了SPIO的聚合物囊泡具有迅即磁响应性，并且没有改变自由SPIO的超顺磁性及结晶结构。作为T2 MRI底物剂，和商用Resovit(R)显像剂及自由SPIO相比，聚合物囊泡载体表现出超高MRI敏感性。由于包裹在囊泡中水性SPIO的团簇效应及中心膜壁对油性SPIO磁趋向的限制，在相同铁离子浓度下，负载水性SPIO聚合物囊泡的T2弛预率(r2)表现出高于负载油性SPIO囊泡的T2弛预率。体外KB细胞吸收实验表明，聚合物囊泡载药体系由于叶酸分子的修饰而获得了对肿瘤细胞的主动靶向功能。继而提高了药物在细胞内的聚集浓度，进一步增加了疗效。这种即能使治疗试剂靶向传输于肿瘤部位又能作为非侵入式MRI显像试剂的综合性多功能纳米载体将会在今后的癌症治疗中发挥着极大的作用。 (4)药物与不同聚酯形成的聚合物胶束间的相互作用。 实验结果表明，分子间氢键及疏水作用存在于药物与聚合物胶束疏水嵌段中。对于由PCL，疏水段形成的胶束，分子间氢键起主导作用，并且，这种作用对胶束的亲水嵌段(MPEG)物理性能影响不大，而随着药物负载量的增加，降低了PCL疏水嵌段的玻璃化温度及熔点等。相反，对于由PLLA疏水段形成的胶束，存在于PLLA链段与药物间的分子间氢键很弱，而与亲水段则具有一定的相互作用。基于此，我们设想对于不同的聚酯体系，在通过溶剂挥发法形成胶束的过程中，可能形成两种不同的结构。对于MPEG-PCL胶束，由于PCL链段的柔韧性，药物分子与PCL，链段紧紧缠绕在一起，而形成比较坚固的中心核；而相对于PCI，链段，刚性的PLLA链段会允许部分药物分子伸展在中心核表面外，造成一个比较疏松的胶束结构。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1聚合物纳米医药载体(polymeric nanocarrier for drug delivery)

1.2聚合物纳米胶束

1.3聚合物囊泡

1.4功能性纳米医药载体

1.5多功能聚合物纳米医药载体(multifunctional polyemric nanocarriers)

1.5课题的提出及创新性

参考文献

第二章叶酸靶向分子修饰的聚合物胶束用于多药抗药抗药抑制剂FG020326的传输

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4小结

参考文献

第三章用于肿瘤细胞的双靶向聚合物胶束载体的设计研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4小结

参考文献

第四章用于靶向肿瘤及高敏感MRI试剂的多功能聚合物囊泡载药体系

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4 小结

参考文献

第五章聚合物胶束与抗癌药物间的相互作用研究

5.1引言

5.2实验部分

5.3结果与讨论

5.4小结

参考文献

结论

攻读博士学位期间发表与学位论文有关的文章

致谢