理解纳米材料与生物系统的相互作用以改善基于纳米载体的药物输送
摘要
在注射到静脉中后，癌症靶向纳米粒子到达他们的反应点并且引起期望的生物反应的能力。这种能力在活体上获得临床效益来说非常重要。在纳米粒子在人体的旅途中，他们必须成功穿过生物环境例如血液循环，肿瘤微环境。发生在纳米粒子与生物组分之间的界面上的相互作用是复杂的，因此，我们需要深入了解这种相互作用，设计出具有多量程指数的纳米粒子。这篇文章综述了纳米粒子由于多量程的重要的生物舱导致的一些挑战。描述了出现在每个阶段的重要的生物纳米体系相互作用，并讨论了克服以上挑战的潜在策略。本文建议为了获得能够最佳的调整本身的物理化学性能的纳米粒子，从而获得预期的生物反应设计一些注意事项。这些注意事项预计会对化学家、工程师和临床科学家针对癌症在设计高效输送平台方面提供帮助。 介绍
通过影响癌症的临床诊断，预防和方法，纳米技术在改善癌症方面展现出巨大的潜
能。特别是，使用纳米规格的载体的靶向药物输送能够保证合并的药物分子的指数（药物的毒性剂量和剂量的比值）得到真正的提高；实际上，当前应用于临床试验上的很多纳米技术已经不属于前沿技术了，或者说他们已经应用于临床装置中了。尽管人们在这个领域已经取得了很大的进展，但仍然存在一些问题使得纳米技术不能快速的应用于临床癌症当中，例如，多变的药物代谢动力学，纳米粒子的弱稳定性，选择性肿瘤积累不足，药物的过早释放等。在多变的生理和病理环境中纳米粒子系统可以根据以上问题进行调整从而克服他们的主要缺点，即便不能克服所有缺点，以维持他们的期望的生物作用。因此，为了设计一个有效的纳米粒子系统，需要对出现在纳米材料和物系统（例如，纳米-生物体系的相互作用）之间的药物输送过程的每一阶段有一个全面的了解。
图一：纳米粒子向肿瘤细胞输送药物时的生物障碍。为了获得有效的结果纳米粒子必须（a）在血液循环系统中存活，（b）穿过肿瘤血管并通过溢出物累积在肿瘤点，（c）通过细胞外基质扩散到肿瘤细胞表面，（d）通过特异性配体受体对结合与靶向细胞表面相互作用，并且（e）通过内吞作用内化并通过降解路径到达亚细胞靶点。 图一 描述了纳米粒子从注射到人体内到到达目标点这段距离遇到的重要的体内障碍物。为了得到一个成功的结果。纳米粒子必须要在血液循环中保持完整的结构，聚集在肿瘤点，通过细胞外基质扩散，与细胞膜相互作用,内化到目标细胞骨刺消痛膏,并达到亚细胞的目标。
在每个阶段,周围的微环境都扮演了一个重要的,但不同的角决定NP的命运。每一阶段发生的重要的相互作用的巨大的差异需要纳米粒子发展为在多变的生理环境下能够发挥最佳的作用。
本文总结了最近的对发生在这些阶段的nano-bio的相互作用的理解的进展。将这些阶段分成多个节点来描述NPs与肿瘤微环境,膜和受体以及与细胞内的隔间的相互作用。在每一节中,我们将讨论每个生物环境的化学和结构组成,与NP输送相关的环境的挑战,以及实施各种方法来克服形成期望的nanobio相互作用所遇到的的挑战。我们的目的是对 这些重要的相
互作用做一种简洁的概述 ，并建议关键的设计原理，这是由于NPs被认为能够帮助设计更好的最终用来抗癌的纳米材料。
纳米粒子与肿瘤微环境的相互作用
肿瘤微环境
实体肿瘤的微环境是高度复杂和紊乱的，常会有血管异常和独特的病理。与健康的组织不同，肿瘤管脉系统的分布是不对称的，血管结构会发生扩张，还会出现高水平的混乱现象（图2a）这些血管的异常加上血管被快速增殖的肿瘤压缩,就会影响血液流动和削弱肿瘤灌注。为了保持肿瘤的快速增殖,肿瘤细胞通过血管生成的过程不断产生新血管。肿瘤的血管生成是失调的,或者是生理受损的,由于过多的血管再生催化剂,包括血管内皮生长因子(VEGF),基本成纤维细胞生长因子(bFGF)和肿瘤坏死因子-α(TNF -α),导致有缺陷的内皮缝隙连接（一般为200-800nm）生成。这导致实体肿瘤出现血管泄露以及新陈代谢生理变异现象。
由于反常的生理和新陈代谢，肿瘤与正常组织相比在PH值，营养物，氧含量以及氧化还原
梯度等方面存在明显的差异（图2b）。肿瘤的中心的PH值低于其边缘的PH值，这是因为对快速增殖的肿瘤细胞的氧气和营养物的供应不足。代谢失调，包括在养分不足或者含氧量较低的情况下出现高于常规的糖酵解（厌氧分解葡萄糖），乳酸产量增高，三磷酸腺苷（ATP）发生水解现象。这些现象会导致肿瘤微环境酸化。特别基于膜的离子交换的主要激活作用导致PH的改变。例如Na + /H +交换，H+/乳酸转运蛋白交换。细胞在缺氧的情况下产生的CO2在细胞表面的碳酸酐酶的作用下与H+和HCO3-发生水和作用，这也会导致肿瘤微环境酸化。肿瘤内发生氧化还原的过程是各种各样的，这是由于肿瘤细胞在生长阶段及其细胞组成的含氧量与正常细胞相比存在差异。通过氧化还原缓冲网络的裂解改变细胞搬运自由原子团和活性氧的能力。肿瘤微环境内关于活性氧片段的不平衡加上活性氧生理平衡失调， 会导致细胞信号网络异常。影响从细胞增殖和激活到生长抑制和细胞死亡等细胞内的过程 ,这将导致基因组不稳定，可能导致肿瘤的形成。
除了由于脉管系统和各种化学和代谢异常梯度导致肿瘤部位生理失调外,主要由ECM提供的肿瘤的物理结构也非常混乱。ECM的组成成分如蛋白质、糖蛋白、蛋白聚糖,多糖等的生产过剩也与肿瘤的形成有关。富集的胶原蛋白和与肿瘤相关的纤维化的ECM可以提高生长因
子信号,加强与恶性肿瘤相关的表型的发展葡萄架势,最终导致异常密集的蛋白质网络的形成。虽然肿瘤微环境的不同生理对高效的NP药物输送产生了有效的阻碍,这仍然有助于发展用来提高NPs的沉积成肿瘤效率特殊的设计策略。
防爆软启动柜图2： (a) 血管肿瘤环境的光学频域图像颜编码深度:黄(表面)红(深)(比例尺:500μm）
(b)发生在肿瘤微环境各种相互作用:(1)通过血管扩散和对流;(2)与窗孔(穿孔)和发生泄露的内皮连接的相互作用;(3)孔隙压力高,不宜大规模生产运输远离肿瘤;(4)纤维母细胞和分泌的细胞外基质(ECM)蛋白质网络;(5)核心细胞外pH值低,从里向边缘PH增加。(c)HN12肿瘤ECM的扫描电子显微镜图像显示了致密的胶原网络(比例尺:10μm)徐山泉。
纳米粒子向肿瘤微环境输送药物的挑战
如之前所述，肿瘤微环境对纳米粒子的有效输送药物存在三个主要的挑战：（1）有限的可接近性和灌注；（2）与肿瘤相关的化学和新陈代谢梯度异常；（3）富含蛋白质的ECM密集。
实体肿瘤的血液流动和灌注的降低明显阻碍了纳米粒子从血液循环中到达肿瘤细胞。与正常的生理系统相比，肿瘤缺少有序的血管分支和断开，因此，想要纳米粒子在穿过肿瘤并且均匀分布是很困难的。此外,这些结构性变化改变局部血流量,增加血管粘性和几何阻力,这进一步限制了NPs在肿瘤部位的积累。当与由于快速增生的肿瘤细胞的血管压缩结合时,这些力量可以有效阻碍NP接近并在肿瘤中分布。高孔隙流体压力(IFP)通常与实体肿瘤的核心有关,阿比丹 艾山还能削弱NPs渗透到肿瘤中。此外,血管渗透性的增加和淋巴管阻塞淋巴引流的压
缩,有助于提高肿瘤的孔隙流体压力。这些生理变化也促使肿瘤相对于正常的生理机能存在代谢和化学梯度的差异。独特的化学梯度与肿瘤微环境有关,除了在正常的生理条件下,还需要确保NPs的大分子结构在各种条件下是稳定的。尤其是在NPs聚合的情况下，酸性条件由于酸催化水解机制可能促进点歌设备NP结构的退化。
在氧化还原状态下敏感元件的改变也可以诱导由于肿瘤微环境导致纳米颗粒降解。对于这些纳米颗粒过早降解路径可导致次优的药物释放，从而降低其效果。这些纳米粒子的过早降解路径可能导致药物释放达不到最优,从而减少其效果。此外在肿瘤微环境中高浓度的蛋白质可能导致自组装的纳米粒子被改变亲水-亲油平衡的蛋白质的表面吸附破坏。
与肿瘤相关的ECM还对NPs通过实体肿瘤的运输和渗透存在一个明显的障碍。基质细胞和成纤维细胞分泌胶原蛋白和高密度蛋白质网络 阻碍纳米粒子在肿瘤中的有效扩散和均匀分布。
克服这些挑战的方法
为了克服前面所提到的NPS输送到肿瘤微环境的挑战,已经有很多人在研究改善NP与肿瘤
微环境的相互作用的方法。许多这样的设计策略已经用于一些纳米载体并且已达到高级阶段的临床翻译,包括阿霉素脂质体，凯莱,SGT-53,SGT - 94,BIND- 014,和CALAA-01等。
通过纳米粒子的大小来达到被动定位
而肿瘤的血管环境改变，对NP有效的进入肿瘤提出了挑战，增加通透性已作为一种常用的肿瘤定位策略得到应用。如前文所述，肿瘤部位通常表现出血管渗漏和淋巴引流受损现象，这种现象称为渗透增强和滞留（EPR）效应。EPR效应形成被动定位的基础，允许适当大小的纳米粒子选择性的积聚在肿瘤部位。人们普遍认为，大小在20–200 nm的纳米颗粒可以利用这一现象。然而，值得注意的是关于纳米粒子可以通过相关机制达到被动定位仍存在争议。这主要是由于扩散和对流力作为主要的供力，导致纳米粒子在肿瘤部位的的被动积累；然而，最近的研究表明，相比血管中集流传输和肿瘤内压力增高，这些力量却是最小的。
纳米粒子的刺激反应
肿瘤微环境内代谢和化学差异为NPs设计成具有刺激反应属性提供了独特的机会,包括pH
值、氧化还原电位,和温度,促进药物释放或NP退化等属性。一些综述已经广泛的叙述了使用刺激反应材料来达到增强有效载荷的输送。具体来说,使用刺激反应连接器如腙在NPs表面结合药物分子(如、阿霉素)可以增加药物在酸性肿瘤微环境和选择性对目标细胞的稳定性。同时,由于氧化还原状态或温度存在差异导致纳米粒子的分子构象发生改变，NPs可以利用二硫化粘合剂或者聚合物如聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)来调节。
高效的纳米粒子的肿瘤渗透方法
ECM的组成成分如胶原蛋白和其他的结构蛋白对纳米粒子的扩散来说是普遍存在的物理障碍（图2c）。纳米粒子对ECM和肿瘤的有效渗透取决于纳米粒子的大小，形状和表面电荷。一般来说更小的，灵活的和电中性的纳米粒子比大一些的形状锋利的和带电荷的纳米粒子渗透效果更好。
人们认为调整纳米粒子的大小可以控制其对肿瘤的渗透率。黄等人 展示了纳米粒子对肿瘤渗透率是与其大小相关的，他们发现2纳米和6纳米的金纳米粒子可以深入渗透到多细胞肿瘤球体（MCTS）中，而15纳米的金纳米粒子则不能。
使用混合聚合物胶束(30、50、70和100 nm直径),包括1、2-二氨基环己烷铂(DACHPt)压缩的PEG-b聚(谷氨酸)和聚(谷氨酸)对活的动物(活体的)成像研究进一步证明了纳米粒子在肿瘤上的渗透率是跟其大小相关的。结果表明,30和70纳米胶束在超血管化的肿瘤中表现出类似的渗透深度，测量值多达100μm。这种肿瘤与异常大量的血管连接。相反,在低血管化的肿瘤中,只有30纳米胶束能够深入渗透到肿瘤(~80μm),而70纳米胶束24小时后才渗透到血管周围区域。此外,Sunoqrot等人也报告说,相比于∼100nm聚(丙交酯- co-乙交酯)- b聚(乙二醇)(PLGA-PEG NPs，大小~5nm的聚酰胺(PAMAM)树枝状分子(球形形貌的树状聚合物)能够更有效地渗透穿过MCTS
纳米粒子的形状，构象的灵活性和表面电荷都是影响其在肿瘤部位渗透率的传统参数。例如，基于荧光量子点的纳米粒子比球型纳米粒子更容易渗透到肿瘤细胞中，这是因为前者穿过肿瘤毛孔的能力得到了提高。Pluen等人比较水力半径相同的右旋糖酐,蛋白质相比,聚合物珠,DNA在琼脂糖凝胶中扩散的能力。这发现柔性大分子的扩散系数大于刚性或球形的大分子。这项研究表明,高分子的构象灵活性允许表层塌滑通过ECM网络对于纳米粒子渗透到肿瘤的核心是非常重要的。除了形状和灵活性外,NP的表面电荷也可以确定其渗透效率。据报道,在一般情况下,电荷中性粒子比带电粒子能更有效的渗透到肿瘤中,导致更均匀
的肿瘤分布。而阳离子分子也许能够有效的初步积累,带电粒子可以非特异性的与肿瘤环境的组分相互作用,如带正电荷的胶原蛋白或带负电荷的透明质酸,这阻碍了他们有效的渗透。
