DDS | 生物大分子药物递送系统研究现状

近年来，得益于生物技术与分子生物学的飞速发展，生物大分子药物不断涌现，成为新药开发非常具有前景的热点领域之一。生物大分子药物是利用现代生物技术方法生产的源自生物体内或体外合成用于疾病的诊断、预防或治疗的生物大分子，包括重组蛋白、多肽、疫苗、抗体和基因药物等，具有作用位点专一、药理活性高、使用剂量小等特点。

相较于小分子药物，生物大分子药物药理活性的发挥更加依赖于安全高效的递药系统。如何在体内递送过程中保持生物大分子药物的药理活性，使其在体内有效穿透多重生理屏障并精准靶向至病灶部位的细胞内，是目前生物大分子药物递送中亟待解决的科学问题。大量研究表明，生物大分子在体内的递送是一个系统性级联过程，主要难点在于：(1) 生物大分子药物对空间构型要求高，制备过程及体内传递过程中需要保证其活性和稳定性；(2) 发挥局部作用的生物大分子药物需要靶向传递至作用部位(如肿瘤等) 以发挥作用；(3) 生物大分子药物难以穿越人体内存在的各个生理屏障，如胃肠道屏障、血脑屏障、肺气血屏障、血胰屏障，以及细胞膜甚至核膜屏障等；(4) 绝大多数生物大分子药物进入细胞后需要经过胞内转运和胞内释放才能发挥作用。

药物制剂中的常规手段，诸如药物结构修饰、添加稳定剂和吸收促进剂等，无法同时解决生物大分子药物体内递送过程中渗透性、稳定性、免疫原性以及靶向性的问题。要实现生物大分子的体内高效传递，必须同时克服以上4个相互关联过程中的生物屏障。

1、生物大分子药物的生物活性保持

蛋白质药物具有高级结构，包括二级、三级和四级结构。一方面，这些结构特性决定了蛋白质药物的空间构型以及功能和活性；另一方面，药物分子形态学的同质多晶行为比较突出，不同的晶型对于蛋白质药物的生物利用度、治疗效果及药物递送系统的选择有着重要影响。目前在使用载体传递药物的过程中，由于复杂的空间结构，生物大分子很可能受环境或载体材料的影响而丧失其活性，或者难以完全从载体中释放出来。因此，为维持最佳的结晶形态和最好的生物活性，提高生物大分子药物高效化的过程，既要注重递送系统的构建与功能化，又必须充分考虑到蛋白质药物本身的结构稳定性，以及在分离纯化时蛋白质活性的保留和恢复。有国内研究者通过改进优化制备工艺或合成特殊的载体材料(如PEG-PCL和DEX-PCL) ，已在保护生物大分子药物天然构象与活性方面取得了一定成果。比如，为避免蛋白质药物在制备时因与水油界面或水气界面等直接接触而失活，利用冷冻共析出法制备了由葡聚糖包裹的蛋白质微球，该微球在经过涡旋、离心及高温处理后仍能保持很好的天然活性。除维持蛋白质药物生物活性外，当蛋白质药物进入体内后，还面临着另一个挑战-酶对蛋白质药物的破坏，这将影响蛋白质药物在体内的分布和生物活性。研究表明，运用制剂的方法可以增强蛋白质药物在运输中和体内的稳定性。如将蛋白质包载于 PLGA 微球中可以提高蛋白质的稳定性，而且显示出了一定的缓释效果。

除蛋白质药物外，另一类生物大分子药物，反义核酸和小干扰RNA( siRNA) 已经成为两种调控基因表达的重要工具。然而，天然的核苷酸在体内外极易受到核酸酶的降解。目前， 已有科研团队将siRNA包载于白蛋白纳米粒中，有效防止了siRNA 的降解，增强了其体内稳定性。

2、生物大分子药物的靶向递送

生物大分子药物除了需要克服体内存在的各种蛋白酶、核酸酶的降解作用，还需要克服各种屏障，才能到达作用部位，如针对中枢神经系统疾病的药物必须穿过血脑屏障才能起效。药物递送系统可以改变药物原有的体内分布和药动学性质，实现药物的靶向传递。比如，脂质体、纳米粒等一些常用的药物递送系统，通过化学修饰接上配体，与靶标部位高表达的某些受体结合，从而实现药物在靶标部位的富集。有学者合成了一系列具有双季胺结构的胆碱衍生物，实验表明该系列化合物均与血脑屏障胆碱受体有很好的亲和力。将这些胆碱衍生物修饰聚赖氨酸树突状载体用于基因传递，可显著提高该外源基因透过血脑屏障的能力，增加在脑组织的摄取和表达。另外，用转铁蛋白、乳铁蛋白等作为配体修饰载体，也能使生物大分子药物实现脑靶向的目的。

由聚氰基丙烯酸丁酯制得的聚合物纳米粒已被证明可以传递肽类药物穿过血脑屏障， 提高作用部位的药物浓度。另一方面，针对某些病灶部位的特殊微环境，国内学者也设计出许多精巧的靶向系统。利用肿瘤组织微环境的基质金属蛋白酶( MPP) 过度表达的特点，有学者设计出经MMP 酶促发释放式的载体系统。经酶促式断裂的长链 PEG 修饰后的载体， 能显著增强载体的肿瘤靶向性。类似的研究还有利用 pH 敏感的腙键连接载体和屏蔽性材料。当该载体到达肿瘤部位时，由于肿瘤部位微环境 pH值下降，使得腙键断裂，屏蔽性材料脱离载体暴露出靶向配体，从而促进药物载体进入肿瘤细胞。

3、生物大分子药物的入胞行为

生物大分子药物被靶部位的细胞摄取，是这类药物发挥药效的前提。一般说来，微粒类载体是通过胞吞作用被摄取入胞内的，因此传递系统的形状、粒径以及表面电荷将直接影响生物大分子药物的入胞行为。通过对载体进行修饰，可以大大提高蛋白、多肽类药物进入细胞的效率。比如，有学者通过连接键交联低分子量阳离子材料聚乙烯亚胺(PEI) 包载DNA 药物，结果表明，该材料既能降低原高分子量PEI 的毒性，同时也能提高 DNA 被大鼠原代滑膜细胞的摄取效率。激光共聚焦实验显示，细胞对该材料制备的载体的摄取十分迅速。此外，为了提高蛋白、多肽类大分子物质进入细胞的能力，还可将细胞穿膜肽( CPP) 如 TAT、R8 等与载体连接，以促进生物大分子进入细胞的能力。另一种提高生物大分子药物细胞摄取的策略是利用配体和细胞上的受体特异性结合而提高载体进入细胞的能力。有国内学者将皮啡肽作为配体修饰 PEG 化的多聚赖氨酸树突状载体用于小发夹RNA( shRNA) 的输送， 结果表明，皮啡肽修饰后的载体在脑毛细血管内皮细胞中的摄取显著提高。通过对摄取机制的考察，发现网格蛋白介导的内吞作用是摄取的主要方式，而且在加入皮啡肽的竞争性抑制剂后，可显著降低其摄取，说明该种摄取机制依赖于皮啡肽与细胞上受体间的相互作用。还有研究者用小肠杯状细胞的靶向肽CSKSSDYQC对三甲基壳聚糖进行修饰，制备成包载胰岛素的纳米粒，靶向肽修饰的纳米粒显著增加了胰岛素在上皮细胞的跨膜吸收。另一方面，对于siRNA 和反义寡核苷酸等核酸药物，由于细胞摄取效率极低，严重限制了其应用。针对这一问题，已有脂质微粒或 PEG 化的环糊精衍生物包裹的 siRNA 制剂进入临床研究，以期能够提高细胞传递效率。

4、生物大分子药物的胞内释放

蛋白质类药物进入细胞后，需要及时从溶酶体中释放出来以发挥药效。对于 DNA 等核酸类药物，更是需要进入细胞核才能起作用。因此，除了载体的穿膜性质外，其溶酶体逃逸能力对于药物的胞内释放更为重要。借助溶酶体中 pH 偏低这一性质制得的 pH 敏感材料能够增强核酸类药物的溶酶体逃逸能力，如通过二硫键交联得到的高分子材料能够在细胞内通过氧化还原反应发生断裂，从而释放出生物大分子药物。有研究小组设计了一种特殊的材料，将双甲醛咪唑与精胺缩合生成聚合物用于基因传递。该材料在中性条件下稳定，被细胞摄取后在内含体的酸性环境下能降解成可生物代谢的单体，一方面降低了毒 性，另一方面在新生成的多个伯氨作用下，通过质子海绵效应使得内涵体破裂，而使siRNA 随聚合物降解从载体中释放到胞浆内。尽管这类传递系统能够增强生物大分子药物进入细胞和胞内释放的能力，但是由于细胞内复杂的环境，一些材料仍难以完全释放药物。

为了实现生物大分子药物高效递送，医药学界的研究工作者进行了大量相关的研究， 以期能研发出稳定性好，生物利用度高、靶向性强、疗效确切和副作用小的生物大分子药物递送系统。脂质体、聚合物胶束、树状大分子、磁性纳米粒等纳米载药系统被广泛用于生物大分子药物的递送，运用纳米载药系统对生物大分子药物进行包载，可以增强药物在体内的稳定性最大限度地保留其活性，还能改善生物利用度。其次，通过化学修饰在脂质体、聚合物等递送系统接上配体，与靶部位高表达的某些受体结合，从而实现药物在靶部位的富集。最后， 载药系统的表面电荷、粒径以及形状等物理性质直接影响生物大分子药物的入胞行为。通过对载体进行修饰，可以大大提高生物大分子药物进入细胞的效率。

此外，寻求生物大分子药物的非注射给药方式一直是药剂学、生物化学等领域的研究热点，涉及的给药途径包括口服、肺部、鼻腔、直肠、阴道、眼内和透皮等。以上这些新剂型的研制，对于延长生物大分子(主要是蛋白、多肽类及核酸类药物) 的半衰期，增加其稳定性，提高对细胞膜的穿透能力，降低免疫原性等方面取得了巨大的进步。然而，尽管临床前研究取得了一定成果，但进入临床试验后，这些新型载体的效果仍不尽如人意，能够上市的生物大分子药物种类偏少。

参考资料       

[1]张志荣,董尔丹,吴镭,张强,陆伟跃,姜威,孟庆峰,孙逊,何勤,李曼.生物大分子药物递送系统研究现状与前沿方向[J].中国基础科学,2014,16(05):3-8.  

[2]黄园.生物大分子药物递释系统的研究进展与开发前景[J].药学进展,2022,46(04):241-243.       

[3]刘揭,缪明星,郝琨.包载生物大分子的纳米药物递送系统研究进展[J].中南药学,2019,17(03):441-446.      

作者简介：小泥沙，食品科技工作者，食品科学硕士，现就职于国内某大型药物研发公司，从事营养食品的开发与研究。       

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