施剑林/李永生/牛德超团队Nano Letters： “有限凝胶化”策略创造智能纳米药物

纳米药物的量产化挑战

嵌段共聚物胶束的体内稳定性一直是人们关注的重要问题，在体内循环过程中一旦其在血浆中的浓度低于临界胶束浓度（CMC）就很容易发生解离行为。解离后，预载的高毒性药物会在到达靶点前被释放，对正常细胞/组织产生严重的副作用。为了解决这个问题，最有效的方法是用小的有机分子，如二胺、乙二胺、半胱胺等或无机二氧化硅/有机二氧化硅种交联或固定疏水核/亲水壳。到目前为止，尽管许多基于胶束的纳米载体的研究在实验室阶段取得了显著的体内生物学性能，但稳定高效的纳米载体/纳米药物的规模化生产仍然是一个关键的挑战。

在自然界中，通过限制反应环境，如酶囊、双层膜、胶束、囊泡、细胞或生物有机框架，可以控制动力学、转换和生化过程的选择性。这其中的主要原因是与散装溶液相比，反应物分子的最佳分子排列和运动受到了限制。根据这一原理，限制纳米反应器技术也有望在理想的微环境中优化具有稳定而响应性交联框架的胶束基纳米载体的精确构建，从而提高其生物稳定性和化学反应活性。

提出新策略量产物纳米药物载体

为了验证这一概念，华东理工大学的牛德超副教授、李永生教授、施剑林院士等人提出了一种“有限-凝胶”策略，通过嵌段共聚物诱导自组装来量化合成智能多功能有机硅胶束(IPOMs)，并将其用于硅烷的封闭水凝胶化。有限的、二硫键连接的凝胶核和保留的亲水性嵌段不仅使IPOMs在生理环境中具有优异的生物稳定性，从而能避免大规模生产过程中的粒子聚集效应，还能在肿瘤细胞/组织中表现出独特的GSH响应性生物降解作用。更重要的是，IPOMs对肿瘤化疗药物多烯紫杉醇（DTX）进行装载后可形成纳米药物DTX@IPOMs，而昆明鼠模型对该纳米药物的耐受剂量可达到360 mg DTX/kg。凭借这一高耐受特点，当注射剂量达到50 mg DTX/kg时，小鼠皮下瘤和原位瘤在展现出了衰退或者生长抑制现象的同时在正常器官还几乎观察不到毒副作用。相关工作以“Superstable and Large-Scalable Organosilica-Micellar Hybrid Nanosystem via a Confined Gelation Strategy for Ultrahigh-Dosage Chemotherapy”为题发表在Nano Letters。

【文章要点】

一、有限凝胶化过程

如图1所示，DTX@IPOMs的有限凝胶化过程主要涉及到三个阶段：第一个阶段是嵌段共聚物促使自组装诱导内核限制；二是内部的硅烷水解-缩聚反应造成的低聚物骨架；三是巯基氧化交联形成的内核凝胶化。为了研究这一机制，作者采用了分子动力学模拟的方法。在溶剂和溶质之间的自由基分布函数说明内核交联实质上是疏水相互作用。而在先前的报道中，酸性介质中的氢键可促使硅烷水解产生的硅羟基与PEO嵌段进行相互作用，在碱性介质中通过NMR手段则可知由于没有氢键相互作用，有限凝胶化作用只发生在PPO区域而非PEO嵌段。

图1有机凝胶化及其生物学效应的示意图

二、DTX@IPOMs的梯度毒性

得益于独特的杂化有机二氧化硅胶束结构，研究针对DTX@IPOMs提出了一种可实现安全高效肿瘤化疗的梯度毒性机制。具体的来说，静脉注射后的DTX@IPOMs在低谷胱甘肽浓度的血液循环中，杂化胶束的稳定有机二氧化硅框架可阻止毒性的DTX药物从IPOMs中泄漏出来；与此同时，暴露在外的亲水性PEO链可提高载体在血液中的长期循环能力。随后，DTX@IPOMs通过高通透性和滞留效应（EPR）进入肿瘤组织，并被内化至高谷胱甘肽浓度的肿瘤细胞中，而二硫物掺杂的有机二氧化硅框架则响应谷胱甘肽断裂并迅速降解、释放DTX药物，诱导高效的肿瘤细胞凋亡。而同时，一部分被正常细胞捕获的DTX@IPOMs则在肝脏等器官中经历清除过程，由于谷胱甘肽浓度较低，这些DTX@IPOMs不会迅速释放DTX从而引发正常细胞的毒副作用。

三、化疗效果提升

为了评估DTX@IPOMs的体内抗肿瘤活性，作者建立了SMMC-7221肝癌小鼠模型并对其进行治疗研究。与空白组相比，DTX@IPOMs（10 mg DTX/kg）治疗小鼠的肿瘤抑制率在治疗后18天达到了67.7%；当治疗剂量达到50 mg DTX/kg时，最终的肿瘤抑制率更是高达96.2%。除了纳米药物的治疗效率外，安全性也是决定DTX@IPOMs临床转换前景的重要问题。安全性实验表明，即使剂量高达360 mg/kg，利用DTX@IPOMs进行治疗的小组全部存活，比单纯DTX治疗的小组的存活率至少高出了6倍。而在比格犬模型中，注射了DTX@IPOMs（剂量为15 mg DTX/kg）的动物在体重、血压、血清生化参数等方面均无明显的变化。作者认为动物实验的结果说明IPOMs对肿瘤组织的被动靶向能力显著提升了活体对毒性化疗药物的耐受剂量（图2）。

图2DTX@IPOMs的活体治疗效果

结论:综上所述，作者应用一种简便的有机凝胶化策略研制实现了智能多功能有机硅胶束(IPOMs)。利用这一策略，作者实现了最高百克级材料的生产，单分散性得以维持的同时粒径还能小至20 nm以内。利用DTX@IPOMs作为治疗剂，研究成功在不同肿瘤模型上实现了谷胱甘肽触发的化疗效果。更有趣的是，DTX@IPOMs在健康动物模型中展现出了超高的耐受剂量（360 mg/kg）。依据研究所提出的针对PPO网络和二硫化物交联之间的有限凝胶化的机制解释， 这一纳米系统适用于疏水的小分子化疗药剂、荧光剂以及功能金属物质。因此，作者认为，这一有限凝胶化方法可为高效、生物安全性纳米药物的临床转化提供量产化合成策略。

文献链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c02342

来源：高分子科学前沿

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