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溶質包封納米粒作為支化兩親肽膠囊載體的研究進展

評論文章一篇關于溶質包裹納米顆粒作為遞送系統的綜述，重點放在分支兩親肽膠囊上希拉 · M · 巴羅斯 a，b，蘇珊 · K · 惠特克 a，皮納金 · 蘇克謝拉 a，1，L · 阿德里亞納 · 阿維拉 a，2，蘇珊 · 古德勒 a，3，馬特 · 華納 a，愛德華多 · I.C. 貝爾特拉奧 ~ b，約翰 · M · 托米奇 a，* a 生物化學和分子生物物理學系，堪薩斯州立大學，曼哈頓，KS 66506，美國伯南布哥大學生物化學系，累西腓，伯南布哥，50670-901，巴西

目前正在制定各種策略來改善藥物的傳遞和提高藥物的生物半衰期。為了解決這些問題，藥物傳遞技術依賴于不同的納米分子，包括: 脂質囊泡，病毒衣殼和納米粒子。肽是許多這些納米材料的組成部分，克服了與脂質或病毒傳遞系統相關的一些局限性，如可調性、穩定性、特異性、炎癥和抗原性。本文綜述了自組裝形成囊泡/膠囊的生物載藥納米材料的研究進展。而脂質囊泡是突出的結構，肽為基礎的構建正在出現，特別是肽雙層劃分的膠囊。新型生物材料支化兩親肽膠囊(BAPCs)具有許多優良的性能。這些納米球由兩個支化肽 dbis (FLIVI)-K-KKKK 和 bis (FLIVIGSII)-K-KKKK 組成，設計用于在分子結構中模擬二酰基磷酸甘油酯。它們經過超分子自組裝，形成溶劑填充的雙層膠囊，根據退火溫度和時間的不同，膠囊的尺寸從20nm 到2mm 不等。它們能夠包裹不同的熒光染料，治療藥物，放射性核素，甚至小的蛋白質。雖然與脂質囊泡具有許多共同特性，但是 BAPC 更加強大。對它們的穩定性、大小、細胞攝取和定位、細胞內滯留以及在培養和體內的生物分布進行了分析。1.藥物研究的目標是以安全和可重復的方式將適當劑量的藥物遞送到靶向細胞或組織中[1]。雖然在定義基本的生物過程和發現與這些分子相互作用的化合物方面已經取得了巨大的進展，但是將這些發現轉化為*的治療方法卻落在了后面。對于這種失誤，人們經常提到將治療部分輸送到具有最小脫靶損傷的選擇性組織的局限性[1,2]。新型分子藥理學試劑具有已證實的生物活性，但水溶性有限或體內循環半衰期短，將面臨實質性障礙。這些遞送障礙限制或減少治療活性，不利于潛在的藥物感興趣的化合物進入臨床藥物試驗[1]。傳統的藥物管理模式，如藥丸，靜脈注射液，軟膏，吸入器等，沒有達到這些期望。以口服途徑為例，由于其微創性質，是常用和選的給藥方式之一。然而，由重組生物技術的新進展推動的肽和蛋白質候選藥物的充分遞送[2] ，通過這種途徑是無效的[3,4]。克服許多障礙，包括人類胃的酸性環境，蛋白水解降解，有限的腸道攝取和肝臟的首過效應是不可少的。所有這些因素都會減少、改變和阻斷幾乎所有生物大分子藥物的吸收[5,6]。自組裝納米載體(圖1)有望作為載體，克服困擾某些類別藥物的許多不良吸收問題。疏水性和親水性小分子、蛋白質和核酸都可以結合在這些納米材料的隔室內并在體外或體內傳遞。自組裝載體可以分為若干類別，這取決于它們是實心的還是空心的以及由它們組成的材料。它們可以根據是否含有天然或合成聚合物進一步分類。聚合囊泡在穩定性、儲存性和可調性方面比天然脂質體更具優勢。通過聚合囊泡的藥物輸送增加了藥物的穩定性，延長了血液循環的時間，可以被設計為控制釋放。大多數聚合體和肽兩親分子具有較低的“臨界組裝濃度”(CAC) ，其值與臨界膠束相似 濃度(CMC) ，用于描述形成脂質囊泡所需的低濃度。他們的 CAC 下降在106e107M 范圍內，比大多數表面活性劑(103e104M)低1000倍[7,8]。這使得有效載荷的保留時間更長，并改善了向身體遠端區域的輸送。文獻綜述揭示了過多的化合物包封和成功地提供了體外和體內使用聚合囊泡。這些包括各種抗癌藥物，蛋白質如肌紅蛋白，血紅蛋白和白蛋白，熒光分子，質粒和 siRNA。Levine 等人(2008)的綜述[9]總結了與癌癥診斷和治療有關的聚合體研究的文獻，更詳細地說明了已經開發的聚合體和貨物的類型。聚合物囊泡在包裹熒光劑時也可用作診斷工具和光學成像。一個例子是封裝基于卟啉的近紅外(NIR)熒光團，即使通過1厘米的實體瘤也能產生信號[10]。當這種納米囊泡被注射到動物體內時，它們的生物分布可以通過非侵入性的近紅外光學方法來監測，這樣就不需要犧牲動物了。這些納米囊泡的表面可以與各種配體分子功能特異性上調表面受體病細胞。這種針對具體地點的遞送減少了使用傳統遞送路線觀察到的潛在全身副作用。一些配體分子試圖包括各種抗體，轉錄反式激活因子(TAT)肽和抗 HER2/neu 肽模擬肽(AHNP)肽。納米載體已被證明可以改善這些藥物的藥理特性。納米技術用于藥物遞送已被證明可以增強難溶性藥物的遞送，促進以細胞/組織特異性方式的藥物靶向，并且能夠共同遞送兩種或更多藥物以及更大的大分子藥物的細胞內遞送。通過提高這些藥物的療效，新的候選藥物在臨床試驗中取得了進展，安全性和有效性得到了改善[11]。納米技術在藥物輸送方面的應用預計將在可預見的未來改變制藥和生物技術產業的格局[11e14]。截至2013年，已有近250種基于納米技術的藥物獲得批準或正處于不同的臨床研究階段[15e17]。納米顆粒是10-200nm 的膠體大分子納米載體系統，被認為具有潛力有吸引力的候選人的包封和包封的疏水性藥物。固體納米顆粒可以定義為納米膠囊-活性藥物分子被包裹在載體內; 或基于基質的納米球-其中藥物分子被吸附并分散在整個納米材料中[18]。納米顆粒可以通過“自上而下”或“自下而上”的方法進行設計[19]。在前者中，較大的材料被分解成較小的顆粒，而自下而上的方法涉及在受控反應中熱力學調節的納米材料的多步合成[20]。合格的納米載體在適當的時間框架內安全、選擇性地、可靠地將所需劑量的治療劑遞送到目標部位[3,13,20,21]。理想的納米載體具有幾個理想的特性: 它們應該減少所需的活性化合物的濃度，因為藥物不再系統地分布[22] ，并且由于改善了組織和器官靶向而增強了生物分布的藥代動力學[12,23 e25]。這種優先遞送以及粒子以持續或刺激觸發方式釋放藥物的能力將減少脫靶效應并降低細胞毒性。利用納米載體的另一個優點是改善了疏水性藥物在水中的傳遞，從而通過腸外給藥提高了它們的傳遞。基于納米載體的遞送系統也被證明可以改善各種疏水部分和肽類藥物的半衰期[26 e28]。此外，基于納米技術的由生物相容性分子組成的運載工具[29e32]被認為是現有已知會導致周圍經病變和過敏的更安全的替代品[33,34]。對納米傳輸系統的研究涉及到許多設計元素。除了正在開發的納米載體之外，大量可用的納米載體呈現出具有各種結構、功能和物理化學特征的納米系統，這些特征轉化為特定情況下的優勢和/或局限性。其中包括(i)組成材料的生物相容性; (ii)簡單而穩健的組裝過程; (iii)功能化/預功能化能力; (iv)細胞內穩定性和生物降解性; (v)長循環半衰期; (vi)與易吸收的細胞相容的尺寸，電荷密度，表面親水性和靈活性; 以及(vii)可忽略的免疫原性。有人指出，納米粒子制造和功能化所涉及的復雜性導致批量間的變化，從而導致質量和純度問題[3]。通過預先功能化生物材料的自組裝介導的單步合成來開發靶向納米載體將通過簡化這些系統的優化和可擴展制造來緩解這些擔憂[35e38]。盡管納米醫學最近取得了進展，但仍然存在一些挑戰1)克服物理化學和生物學障礙，如低穩定性，低滲透性，半衰期短，酶易感性，靶向性和2)免疫原性[5]。盡管這些納米治療產品中的大多數已經提高了臨床批準的藥物的藥效，但是納米技術作為一個整體還沒有產生*新的治療方法[11]。2.自組裝納米粒子的結構生物分子的自組裝現象是一種常見的自然現象。組裝的多蛋白復合物是許多細胞功能所必需的。甘油二酯-磷脂組裝負責各種細胞膜的結構。在脂質和肽的情況下，自組裝分子是兩親性的，并且由疏水和親水結構域組成。這些結構域可以沿著分子的長度或者沿著折疊分子的確定面在空間上分開[39]。親水部分可以不帶電(極性)或帶電(陽離子，陰離子或兩性離子)[40]。雖然這些片段在脂質中空間分離，但在兩親肽中，一級序列包含疏水和親水殘基的交替或隨機片段。反折疊成螺旋或 b 片，最終的功能結構具有連續的疏水或親水殘基面，允許它們與溶劑、膜、配體或相鄰分子相互作用。生物大分子中的自組裝通常由弱的非共價相互作用促進，這種相互作用可以是氫鍵、范德華力、離子和靜電相互作用的任意一種或混合物。當這種兩親性分子被引入到水環境中時，疏水性片段退火至排除水，從而提供了分子間和分子內聯合輔助裝配的驅動力。分子的親水部分仍然暴露在水溶劑中。我們對兩親分子自我組裝的大部分理解來自于對脂質的研究。模擬脂質兩親分子的嘗試已經涉及到許多不同類型的分子的設計和開發，其保留具有相對短的酰基鏈的兩親性質[41,42]。脂質和肽兩親分子聚集成許多納米和微型結構，如膠束，囊泡或分子凝膠[43] ，由桿和小管[44] ，原纖維和纖維[45]組成，具有有序的結構。膠束采用球形、蠕蟲狀或圓盤狀結構[46e51]。*由脂質組成的囊泡稱為脂質體，但存在其他非脂質囊泡類型: 囊泡體，原核體，多面體囊泡體，聚合體和由肽兩親自組裝形成的囊泡[52]。最后，不屬于這些常見類別的結構可以多樣化，如雙錐體，層狀，六角相，立方相，二十面體，籠狀，高軸向比例微結構(HARM)[53e55]和髓鞘原纖維[40]。單個分子內部和相互作用力的能量學、幾何約束和強度決定了組裝的最終結構。影響最終組裝的其他因素有 pH 值、溫度、溶劑的離子強度以及單體的濃度。使用單體的包裝參數可以預測組裝的有利結構[56]。填充參數取決于頭基 a0的面積，烴鏈或鏈的摩爾體積 n，以及單體的擴鏈長度 l0: 雖然兩親分子的頭基團在預測組件的總體形狀和大小中起關鍵作用，但尾部區域指導球形膠束，棒狀膠束和球形雙層囊泡的形成[43]。雖然已有大量的文章對自組裝分子采用的不同形態進行了綜述，但這篇綜述涉及球形聚集體，即膠束和囊泡的研究。膠束組件2.1.1。單體膠束膠束是簡單的兩親性組裝。它們可用于將疏水分子包裹在其疏水核內(圖2)。由硫酸化酰基鏈(即十二烷基硫酸鈉、十二烷基硫酸鈉)組成的洗滌劑膠束采用這種結構。在低于 CMC 的濃度下，兩親分子作為單體存在，但當單體濃度超過 CMC 時，它們開始組裝形成穩定的球形結構。這些結構與溶液中的單體處于動力學平衡。CMC 受到兩親體濃度的進一步增加的影響，這可能導致整體形狀(盤狀、棒狀或液晶相)的變化，從而允許人們調整最終組件的整體形狀和大小。脂質膠束的直徑范圍從10到100nm，并表現出核殼結構，其中內部是疏水的，包裹親脂性藥物[57]。膠束表現出的 CMC 和結構特征是其親水性和疏水性塊狀組分的性質的函數。 Yu 和 Eisenberg [58]根據溶劑條件和疏水性和親水性片段的相對大小產生了各種膠束構象，如球體，棒，囊泡，小管和片層。這些不同的結構時，他們的藥物傳遞能力測試顯示不同的藥代動力學特性。[59e63] 2.1.2.共聚膠束共聚膠束是一種相對較新的構建體，它包含了由嵌段共聚物制備的可生物降解的聚合物。嵌段共聚物是疏水性和親水性殘基的線性重復單元，共價連接使分子具有兩親性。K60L20是二嵌段共聚物的一個例子，其中由60個賴氨酸殘基組成的多肽與由20個殘基組成的多肽共價連接。殘基嵌段形成嵌段共聚物的疏水段，而帶正電荷的賴氨酸殘基形成更親水的段[64]。三嵌段共聚物與二嵌段共聚物相似，但在具有額外的疏水性或親水性片段方面有所不同，這些片段可以與現有的任何一個片段融合。一般來說，聚合物膠束由兩部分組成: 由不溶性疏水鏈段組成的核心殼和由可溶性親水鏈段組成的外電暈(圖3)。雖然具有核心顆粒和電暈的簡單球形膠束是常見的，但最近報道了更復雜的多層結構，類似于洋蔥樣膠束[65] ，殼交聯膠束[66] ，星形 Janus 膠束，允許在同一分子中進行兩種不同類型的化學相互作用[67e69]精神分裂癥雙嵌段共聚物膠束[70] ，多室漢堡膠束[71]。2.1.聚乙二醇化膠束。許多共聚物被用來制造膠束，但是生物相容性和生物降解性問題限制了它們在治療應用中的應用。通常，親水嵌段的選聚乙二醇是聚乙二醇(PEG)。在大多數膠束組裝中，PEG 的分子量往往超過疏水共轉化塊[73]。這個親水性的外部電暈區域傾向于圖。2.膠束的插圖。圖3。聚合物膠束。嵌段共聚物的自組裝和聚合-交聯的交聯的膝蓋型聚合物組裝，其中交聯的外殼可以用生物相關的配體修飾。[轉載自 Adv DrugDeliv。Rev，56(11) ，Tu 和 Tirll，仿生組件的自下而上設計，1537 e1563(2004)[42]經 Elsevier 許可]。變得水化導致外觀張開，產生各種結構，如聚合物刷子[74]。這些構象使膠束具有新的特性，抑制血清蛋白的結合和血液中的吞噬攻擊，從而降低網狀內皮系統(RES)的清除率[75]。聚乙二醇化共聚物膠束也比傳統的表面活性劑具有更低的 CAC，從而降低細胞毒性[76]。高度水化的電暈和疏水核心產生介電梯度，有助于增溶一系列不同疏水性的非極化化合物[77]。膠束遞送系統，像許多其他系統一樣，通過增加循環半衰期和增加腫瘤積聚來積極影響藥物的生物分布和藥代動力學[78]。

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