2016年 第61卷 第19期：2113 ~ 2123
引用格式: 吕娟, 马如江, 史林启. 含苯硼酸材料在药物投递中的研究进展. 科学通报, 2016, 61: 2113–2123
Lü J, Ma R J, Shi L Q. Advances of phenylboronic acid-containing materials in drug delivery (in Chine). Chin Sci Bull, 2016, 61: 2113–2123, doi: 10.1360/N972016-00129 © 2016《中国科学》杂志社
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
专题:
进 展
含苯硼酸材料在药物投递中的研究进展
吕娟①, 马如江①, 史林启①②*
① 南开大学高分子化学研究所, 药物化学生物学国家重点实验室, 功能高分子材料教育部重点实验室, 天津300071; ② 天津化学化工协同创新中心, 天津300071 * 联系人, E-mail: shilinqi@nankai.edu
2016-01-28收稿, 2016-03-05修回, 2016-03-09接受, 2016-04-07网络版发表
国家自然科学基金(21274001, 51390483, 91527306)、天津市应用基础与前沿技术研究计划(15JCYBJC29700)和教育部创新团队支持计划(IRT1257)资助
摘要 苯硼酸(PBA)及其衍生物是一类非天然的人工合成的二醇类物质识别体, 在水溶液中可以与具有邻二醇或间二醇结构的多羟基化合物可逆反应形成共价复合物. 近年来, 基于PBA 与二醇类物质可逆结合, 人们对含有PBA 的材料在糖尿病和癌症治疗相关药物投递领域进行了广泛深入的研究, 取得了显著的成果. 本文综述了该领域最新的研究进展, 重点关注了含PBA 材料的癌细胞靶向性和刺激响应性, 包括葡萄糖响应性、pH 响应性、三磷酸腺苷(ATP)响应性和H 2O 2响应性, 并对今后的深入研究进行了展望. 关键词 苯硼酸, 药物投递, 刺激响应性, 糖尿病, 癌症
糖尿病是一种严重威胁人类健康的代谢性疾病, 胰岛素治疗是目前控制糖尿病患者血糖水平的重要手段之一. 近年来基于苯硼酸(PBA)的血糖响应性药物载体成为胰岛素投递领域的研究热点. 1959年, Lorand 和Edwards [1]研究了PBA 与多羟基化合物的结合作用. PBA 在水溶液中存在解离平衡, 以疏水性不带电荷的结构和亲水性带电荷的结构两种形式存在, 其中只有带电荷的结构可以与具有邻二醇或间二醇结构的多羟基化合物(包括葡萄糖)形成稳定的共价复合物. 当水溶液中的葡萄糖浓度增加时, 该离解平衡会朝向生成带电荷结构的方向移动, 体系的水溶性增强. 基于这种平衡关系及PBA 与二醇结构分子的可逆结合能力, 人们利用PBA 的糖响应性制备了胰岛素投递载体[2,3], 对载体的血糖响应性和胰岛素反复开关释放等都进行了逐步深入的研究.
化学疗法是抗癌治疗中的一种常规的临床疗法, 目前传统的化学疗法普遍存在着药物在肿瘤组织中
渗透性差、清除速度快、不可避免的细胞毒性和利用率低下等诸多问题. 理想的抗癌药物载体需要具备如下的功能: 在体内循环过程中能够靶向富集到肿瘤部位, 并且通过对癌细胞的靶向识别作用增加滞留时间; 进入细胞后能够响应释放负载的药物提高药物的利用率; 完成使命后能够同时解体, 降低载体的细胞毒性. 含有二醇结构的唾液酸(SA)分子在许多癌细胞表面都存在着过表达[4,5], PBA 分子可以与SA 分子在生理条件下结合形成稳定的复合物, 且结合常数要高于其他糖分子(葡萄糖和半乳糖)3~5倍[6], 这种独特的相互作用被大量应用于癌细胞的靶向识别[7], 能够促进载体在癌细胞表面的富集和延长在肿瘤部位的滞留时间. 同时, 由于PBA 可以与二醇结构分子可逆结合, 使得PBA-二醇结构在癌细胞内
具有多重刺激响应性: pH 响应性[8,9]、三磷酸腺苷(ATP)响应性[10]和H 2O 2响应性[11], 因此含有PBA 载体在运送抗癌药物的过程中可以有多种投递机制, 实现药物
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的高效利用.
本文综述了近年来含PBA 的材料在糖尿病治疗和抗癌治疗等方面作为药物投递载体的最新研究进展, 主要关注了载体的刺激响应性和对癌细胞的靶向性, 并对相关发展趋势进行了展望.
1 糖尿病治疗
1.1 生理条件下提高材料的葡萄糖响应性
人体生理环境的pH 为7.4, 而PBA 及其衍生物一般都具有较高的p K a (约为8~9)[12,13], 在正常的生理
环境下, PBA 的聚合物具有较差的水溶性和较弱的葡萄糖响应性. 为了降低PBA 的p K a , 人们主要采取了两种解决方法: 一种是在PBA 的苯环上引入拉电子基团[14,15], 另一种方法是在含有PBA 的聚合物中或在PBA 苯环的邻位引入氨基[16], 通过氨基氮原子的孤对电子与硼原子空轨道发生配位作用, 降低含PBA 聚合物的p K a .曹刿论战笔记
近年来, 人们发现还有一些方法能够有效降低含PBA 载体的p K a , 以提高其在生理环境下的葡萄糖响应性[17]. Wang 等人[18]将PBA 修饰到聚乙二醇-b -聚丙烯酸(PEG-b -PAA)的侧基上, 得到含有PBA 基团的两亲性嵌段共聚物PEG-b -(PAA-co -PAAPBA), 这种嵌段共聚物在pH 6的水溶液中自组装形成核-壳型胶束. 通过硼的魔角旋转核磁(11B MAS NMR)研究发现(图1), PAA-co -PAAPBA 链段中, 羧酸根对硼酸根起到一定的稳定作用, 使PBA 基团的表观p K a 降低[19]. 当PAA 链段上PBA 的接枝率为63%时, 聚合物胶束在pH 7.4时具有很好的葡萄糖响应性.
将带有PBA 基团的聚合物与含糖聚合物复合, 形成p K a 较低的苯硼酸酯的结构, 同样可以提高聚合物载体的葡萄糖响应性. Yang 等人[20]合成了嵌段共聚物聚乙二醇-b -聚(天冬氨酸-co -天冬酰胺基苯硼酸)(PEG-b-P(Asp-co -AspPBA))和基于聚氨基酸的糖聚物聚(天冬氨酸-co -天冬酰胺基葡萄糖, P(Asp- co -AspAGA)), 依靠PBA 与AGA 的复合作用形成复合胶束. PBA 和多元醇形成的苯硼酸环酯与单纯的PBA 相比具有更低的p K a [21], 因而利用这种方法能够有效地降低含有
PBA
材料的表观
化学方程式怎么配平p K
a , 由此增强了材料在生理pH 下的葡萄糖响应性. 实验结果表明这种胶束具有较为理想的葡萄糖响应性(正常血糖浓度保持稳定, 高血糖浓度下迅速响应), 适合于构建胰岛素投
丹诏图1 (网络版彩色)PEG-b -(PAA-co -PAAPBA)胶束的11B MAS NMR 谱图
Figure 1 (Color online) Solid state 11B MAS NMR spectra of micelles lf-asmbled from PEG-b -(PAA-co -PAAPBA)
递体系.
此外, Dowlut 和Hall [22]报道了一种邻位羟烷基苯硼酸与单糖的复合物, 这种苯硼酸结构中具有较小的C-B-O 二面角, 有利于苯硼酸与二醇类物质形成四面体结构, 因此这种新型的PBA 衍生物具有较低的p K a 和生理环境下的葡萄糖响应性, 适合作为胰岛素的载体材料.
在胰岛素投递体系的研究中, 许多研究者将水凝胶作为胰岛素的载体, 将PBA 基团引入凝胶网络中作为葡萄糖响应部分. 为了缩短凝胶对葡萄糖浓度的响应时间, 研究者对含有PBA 的微凝胶结构材料进行了
积极探索[23,24], 微凝胶的粒径一般在100~ 1000 nm, 与宏观凝胶具有相同的化学结构, 但由于具有较小的尺寸, 含有PBA 的微凝胶具有更快的葡萄糖响应速度.
Zhao 等人[25]用开环聚合和叠氮点击化学制得了甲氧基聚乙二醇-b -聚(谷氨酸苄酯-co -(炔丙基谷氨酸-g -葡萄糖))(mPEG-b -P(BLG-co -(PLG-g -Glu)))微凝胶, 用AAPBA 将微凝胶的Glu 部分交联, 如图2所示. 这种微凝胶在pH 7.4的PBS 溶液中具有葡萄糖响应性, 随着环境中葡萄糖浓度的增加, 微凝胶的粒径逐
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图2 (网络版彩色)(a) PBA 修饰的聚氨基酸微凝胶对胰岛素的葡萄糖响应释放; (b) 不同葡萄糖浓度下负载胰岛素的微凝胶的胰岛素释放曲线(pH 7.4, 37℃)
电烙铁温度Figure 2 (Color online) (a) Gluco-responsive insulin relea from PBA-functionalized polypeptide nanogel. (b) Cumulative insulin relea from the insulin-loaded nanogel in PBS with various gluco concentrations at pH 7.4, 37℃
渐增大, 体外胰岛素释放实验表明, 葡萄糖浓度的增加会使胰岛素的释放速率增大, 这种微凝胶在胰岛素投递体系中有一定的应用前景.
1.2 胰岛素的缓释及“开-关”释放
近年来研究随血糖浓度响应的自调节释放胰岛素的智能系统, 成为胰岛素投递领域的热点. 这种胰岛素投递系统可以对人体的血糖变化做出响应, 在高的血糖水平下释放出胰岛素以降低血糖浓度, 而当人体血糖浓度降低到正常水平时, 系统又可以自动减少或终止胰岛素的释放, 就像是植入体内的人工胰脏. Kataoka 课题组[2,14,15,26]在PBA 葡萄糖响应水凝胶开关释放胰岛素领域中进行了许多开创性的研究工作. 为了实现胰岛素在生理条件(pH 7.4, 37℃)下的快速响应释放, Kataoka 课题组[14]制备了一种表层葡萄糖响应凝胶, 聚N -异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)的侧链上连接有p K a 值为7.2的4-(2-甲酰基氨基乙丙烯酰胺)-3-氟代苯硼酸(AmECFPBA), 如图3所示, 该
凝胶可以在生理条件下(pH 7.4, 150 mmol/L NaCl, 37℃)迅速响应周围环境中葡萄糖浓度的改变. 当葡萄糖浓度高于1 g/L 时, 凝胶溶胀胰岛素释放; 当葡萄糖浓度降低到1 g/L 时, 凝胶迅速脱水收缩, 在表面形成一层疏水层, 阻止了胰岛素的进一步释放, 这种“开-关”释放可以反复进行.
Yang 等人[27]用嵌段共聚物PNIPAM-b -P(Asp-co - AspPBA)和含糖聚合物PEG-b -P(Asp-co -AspAGA)自组装制备得到了具有葡萄糖响应性的聚合物囊泡, 如图4所示, 该囊泡具有糖响应的PBA/AGA 壳层, 当环境中葡萄糖浓度增加时, 囊泡的壳层发生溶胀, 粒径显著增大, 负载在囊泡内部的FITC-胰岛素(FITC- insulin)被释放出来, 而当葡萄糖浓度降低时, 收缩的PBA/AGA 壳层对包覆在囊泡空腔内部的药物起到保留作用, FITC-insulin 的释放非常缓慢, 这种“开-关”释放实验进行的前8 h 能够观察到4次非常明显的“开-关”循环
,
说明该囊泡能够针对葡萄糖的存在响
应性的自调节释放负载的FITC-insulin.
图3 (网络版彩色)(a) 基于PBA 衍生物的表层葡萄糖响应凝胶; (b) 37℃时凝胶体积随葡萄糖浓度变化趋势
Figure 3 (Color online) (a) A “skin layer” hydrogel containing phenylboronate responding to gluco. (b) Volume change of the gel as a function of the gluco concentration at 37℃
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兴高采烈的反义词
历史人物简介
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图4 (网络版彩色)(a) 由嵌段共聚物PNIPAM-b -P(Asp-co -AspPBA)和PEG-b -P(Asp-co -AspAGA)制备囊泡; (b) 胰岛素的“开-关”释放
Figure 4 (Color online) (a) The preparation of PNIPAM-b -P(Asp-co -AspPBA)/PEG-b -P(Asp-co -AspAGA) polymer vesicles. (b) Gluco-triggered on-off relea of insulin
1.3 键合负载胰岛素
Gois 课题组[28]提出了一种将赖氨酸的ε-氨基或蛋白质的N 端基连接到2-羰基苯硼酸的新方法(图5), 利用氨基与PBA 邻位的羰基相互作用形成N–B 配位键, 室温下在水溶液中形成稳定的亚胺硼酸盐, 然而这种N–B 键在果糖、多巴胺、谷胱甘肽等存在的环 境中会变得不稳定, 很快发生解离, 具有很好的糖响应性.
随后Gois 课题组[29]又利用胰岛素上的氨基与2-羰基苯硼酸能可逆形成亚胺硼酸盐的特性, 将胰岛素修饰到了短链PEG 上(图S1), 通过对果糖的响应, 亚胺硼酸盐的N–B 断裂, 从而释放出胰岛素. 这种能可逆结合-释放胰岛素的结构为糖尿病治疗中胰岛素的糖响应投递方式提供了一种全新的研究方向.
2 抗癌治疗
2.1 PBA 作为配体靶向识别癌细胞
SA 是一种单糖, 位于细胞膜糖蛋白侧链末端, 在许多恶性和转移肿瘤癌细胞表面都存在着过表
达[30], 是癌细胞表面重要的靶向受体. PBA 可以与SA 可逆结合形成稳定的硼酸酯结构, 因此, 将PBA 修饰到抗癌药物载体上, 可以赋予载体靶向癌细胞的功能, 有利于载体在肿瘤部位的富集并促进载体的细胞摄取.
Deshayes 等人[31]将PBA 修饰到嵌段共聚物聚乙二醇-b-聚(L-谷氨酸)(PEG-b -PLGA)上, 该嵌段共聚物在水溶液中自组装形成核-壳型胶束, 随后他们对PBA 与一系列单糖的结合作用进行了比较, 发现PBA 对单糖的结合作用力由大到小依次为SA ≫半乳糖≥甘露糖≅葡萄糖, 在pH 6.5的环境中PBA 对SA 仍有较高的结合能力. 抗癌药物二氯(1,2-二氨基环己烷)铂(DACHPt)被负载进PBA-PEG-b -PLGA 胶束中(图6), PBA 对SA 的靶向作用促进了胶束的细胞摄取, 在抗B16F10小鼠黑色素瘤细胞的活体外实验中, PBA 修饰的负载DACHPt 胶束在肿瘤部位的滞留时间明显增加
,
提高了抗癌药物的作用效果.
Wang 等人[32]制备了一系列牛血清白蛋白(BSA)- PAPBA 复合而成的纳米粒(图7), 并在纳米粒表面修饰了聚乙烯亚胺-聚乙二醇(PEI-PEG)和促进细胞黏
图5 (网络版彩色)通过和2-甲酰基苯硼酸形成亚胺修饰赖氨酸的ε-氨基 Figure 5 (Color online) Lysine ε-amino group modification bad on the formation of stable imines with 2-formylbenzeneboronic acid
张爱玲散文悲惨世界经典语录2117
图6 (网络版彩色)(a) PBA 修饰的负载DACHPt 的胶束; (b) 活体外肺部组织的B16F10-Luc 细胞在注射了荧光标记的DACHPt/micelles 或PBA-DACHPt/micelles 24 h 后的荧光强度图像及定量分析
Figure 6 (Color online) (a) PBA-installed DACHPt-loaded micelles. (b) Ex vivo
fluorescent microscopies of lung tissues bearing B16F10-Luc me-tastasis 24 h after the injection of fluorescent-labeled DACHPt/micelles or PBA-DACHPt/micelles and quantification of fluorescent intensity in meta-
static regions
图7 (网络版彩色)(a) BSA-PAPBA 纳米粒; (b) HepG2和H22细胞对纳米粒的摄取率
Figure 7 (Color online) (a) Schematic illustration of the formation of BSA-PAPBA nanoparticles. (b) Cellular uptake percent in HepG2 and H22 cells following 4 h incubation with nanoparticles
附的多肽cRGD, 研究表明PBA 能显著促进纳米粒所负载的抗癌药物阿霉素(DOX)在肿瘤部位的富集, 并延长滞留时间. BSA-PAPBA 纳米粒被癌细胞的摄取量是没有修饰PBA 的BSA 纳米粒的4倍, 所以这种纳米粒能有效抑制肿瘤部位的生长, 甚至还能使肿瘤有所缩小, 为抗癌药物在肿瘤部位的富集提供了新的方法.
除了传统抗癌药物的负载, 许多研究者还将PBA 的靶向作用引入基因递送领域, 用于癌症的治疗研究. Peng 等人[33]将PBA 修饰到PEI 1800 Da 上, 修饰后的PEI-PB 基因载体能高效压缩质粒DNA(pDNA), 并携带其对癌细胞HepG2进行转染. 由于癌细胞HepG2表面SA 分子存在过表达, PEI-PB/pDNA 复合物通过PBA 与SA 的结合作用靶向聚集到HepG2细胞上, 促进了HepG2细胞对PEI-PB/pDNA 的细胞摄取, 转染效率显著提高. PBA 在癌症的基因治疗方面也有着很大的应用前景.
2.2 抗癌过程中药物的刺激响应释放
PBA 与糖类分子可逆结合的特性, 赋予了PBA 分子在抗癌药物投递过程中表现出来的一些独特的刺激响应性[9,34,35]. 首先, PBA 与糖类分子的结合具有pH 依赖性, 这种结合力在生理pH 和碱性环境下较为稳定, 但是在溶酶体这样的酸性环境下结合力变弱容易发生解离, 因此, PBA 的pH 响应性可以用来调节PBA 与糖分子的结合作用力[8]; 其次, 一种糖分子与PBA 分子通过二醇结构结合后, 容易被另一种与PBA 结合能力更强的糖分子替换下来, 倾向于形成较之前更为稳定的苯硼酸酯结构[36], 细胞内大量存
在的ATP 的分子具有顺式二醇的结构, 可以和PBA-糖分子结构中的糖竞争与PBA 的结合位点, 形成更稳定的PBA-ATP 结构[37], 从而使PBA 材料表现出ATP 响应性; 再次, 癌症是一种与氧化应激有关的疾病[38], 癌细胞中的H 2O 2浓度要明显高于正常细胞[39], 苯硼酸酯可以与H 2O 2反应生成相应的频哪醇硼酸酯
