华南理工大学Acc. Chem. Res.综述: 基于肿瘤酸度响应的马来酸酰胺用于癌症智能载药

【引言】

纳米药物因为可以在肿瘤区域选择性地富集，受到了广泛的关注。在过去的几十年中，科学家开发出了很多种纳米载药体系。这其中，不少载药体系已经取得了临床应用资格，还有很多在临床探索阶段。尽管如此，整体上来说，这些癌症纳米药物的治疗效果并不尽如人意。在早期的研究中，科学家过分注重提高纳米粒子在肿瘤部位的富集，而忽略了纳米药物的疗效很大程度上是由纳米药物从注射部位到作用部位所需要克服的传递障碍所决定的。这些传递过程可以简要概括为血液循环、肿瘤部位的血管渗出和富集、肿瘤组织的渗透、肿瘤细胞摄取以及胞内药物释放。因此，需要提高纳米粒子在每一个环节的传递效率。由于不同递送环节的微环境都是不一样的，因而对于纳米粒子而言，每一步的优化条件都是不同的，甚至是相互矛盾的。可以说每一步传递过程都会为纳米粒子的设计设置一个障碍。传统的药物传递体系虽然有一定的优点，却不能同时克服这些障碍。理想的药物传递体系需要满足传递过程每一步的要求，包括持续很久的循环过程，增强的血管外渗和肿瘤富集，高效的肿瘤渗透，良好的细胞摄取以及可控的细胞内药物释放。

刺激响应的纳米粒子由于可对局部微环境响应，可以克服在药物传递过程中的种种障碍。在这些刺激中，pH响应最常见，因为不同的组织和细胞器都具有不同的pH值。比如肿瘤微环境会比血液更酸性，而溶酶体这类细胞器会更酸性一些。通过利用这些pH变化，一系列基于pH响应的传递体系被开发出来，用于克服传递过程中的障碍。然而很多这类智能响应体系都是针对细胞内pH响应的，对肿瘤酸性环境响应的纳米药物依然较少。

【成果简介】

华南理工大学王均教授、杜金志特聘研究员在Acc. Chem. Res.上，发表了题为"Tumor-Acidity-Cleavable Maleic Acid Amide (TACMAA): A Powerful Tool for Designing Smart Nanoparticles to Overcome Delivery Barriers in Cancer Nanomedicine"的综述。在这篇综述中，作者系统地总结了他们团队在基于TACMAA的纳米载药体系设计思想，以及利用TACMAA帮助纳米载药体系克服传递过程中的种种障碍。这篇综述主要分为五个部分，TACMAA的化学，肿瘤酸度引发的电荷反转，肿瘤酸度引发的壳分离，肿瘤酸度引发的尺寸变化，肿瘤酸度引发的配体重活化。

【图文导读】

1.MAA化学基础

一般的酰胺键只会在极端的酸性条件下才会降解，然而，MAA衍生物的酰胺键在温和的酸性环境中就会被切断。这种增强的pH灵敏度主要归结于邻位的羧基可以轻易地进攻酰胺键的羰基，形成五元环。

2.肿瘤酸度诱导的电荷反转

表面电荷在调控纳米粒子的体内行为上有着非常重要的作用。通常情况下，显负电和电中性的纳米粒子可以表现出较长的血液循环和更好的肿瘤富集，但是不能有效地被癌细胞吞噬。相反，带正电的纳米粒子可以有效地被癌细胞吞噬，但很容易在血液循环中被免疫系统清除。因此血液循环和细胞吞噬对纳米粒子的设计要求是不一样的。理想的纳米粒子在血液循环中应该保持惰性，在富集在肿瘤细胞附近时，又可以立刻被癌细胞识别。

Figure 1.PAMA-DMMA纳米凝胶的表征

(a).酸性环境诱导PAMA-DMMA纳米凝胶的电荷变化

(b,c).化学结构和酸性触发机理

(d).PAMA-DMMA纳米凝胶在pH6.8时的Zeta点位随时间的变化

(e).FITC标记的PAMA-DMMA在pH7.4和pH6.8的胞吞效果对比

(f). FITC标记的PAMA-DMMA在肿瘤组织中的分布

Figure 2.负载阿霉素的两性离子纳米粒子的表征

(a).负载阿霉素的两性离子纳米粒子在肿瘤酸性环境中的表面电荷变化示意图

(b).血浆中阿霉素浓度的变化

(c).肿瘤组织中阿霉素浓度的定量分析

(d).动物实验

3.肿瘤酸度诱导的壳分离

除了诱导直接的电荷变化，TACMAA也可以触发纳米粒子的壳分离。纳米粒子的PEG化可以保护纳米粒子不至于迅速从体内清除，然而PEG化的纳米粒子却不能有效地被细胞吞噬。有效的方法就是在纳米粒子被运输的时候，用PEG将纳米粒子保护起来；而当纳米粒子到达肿瘤区域时，将PEG移除。

Figure 3.PEG修饰的纳米粒子在载药中的应用

(a).PEG在肿瘤微环境中从带正电的纳米粒子上移除

(b).Cy5-siRNA在肿瘤组织中的富集

(c).动物实验

4.肿瘤酸度诱导的尺寸变化

在所有纳米药物传递的障碍中，肿瘤穿透是长期的研究瓶颈，也大大限制了纳米药物的治疗效果。前期的研究证明，尺寸较小的纳米粒子比尺寸较大的纳米粒子更容易穿透组织，但是尺寸较小的纳米粒子在体内很容易被清除。因此需要纳米粒子在传递过程中具有较大的尺寸，当在肿瘤区域富集时，可立即转变为较小的尺寸。

Figure 4. 尺寸变化的纳米粒子在载药中的应用

(a).PEG在肿瘤微环境中从纳米粒子上移除

(b).负载siRNA的纳米粒子的药代动力学

(c).Cy5-siRNA在表达GFP的细胞上的荧光强度

5.肿瘤酸度诱导的配体激活

表面修饰了生物活性的配体或穿膜肽的纳米粒子，与细胞的接触机会会大大增加。然而这些修饰会触发细胞内的免疫识别。因此对纳米粒子的设计要求是，在传递过程中将配体隐藏起来，而在肿瘤位点再将配体激活。

Figure 5.配体激活的纳米粒子在载药中的应用

(a).PCL-CDM-PAMAM/Pt的结构，及其在肿瘤微环境中的自组装

(b).iCluster的免疫荧光图像

(c).肿瘤生长曲线

(d).小鼠存活率

【结论与展望】

在这篇综述中，作者总结了课题组在过去八年的时间中在开发肿瘤酸度响应纳米药物载体的工作与研究进展，尤其是基于TACMAA的传输体系在癌症治疗中的应用。四种纳米粒子设计策略被用于载药纳米粒子的发展，肿瘤酸性引发的电荷变化，肿瘤酸性引发的壳分离，肿瘤酸性引发的尺寸变化以及肿瘤酸性引发的配体活化。

在以后的发展中，也存在一些问题和挑战。首先，目前所有基于TACMAA的体系都被用于原发性肿瘤的治疗，而转移肿瘤的治疗至今未知。其次，之前的工作主要为构建肿瘤酸性环境响应的载药体系的药物传递效率，而对于肿瘤成像、诊断未有涉及。第三，虽然TACMAA可以在肿瘤酸性环境中迅速降解，但是要实现彻底反应依然需要较长的时间。最后，后期的研究应该集中在开发具有TACMAA结构的聚合物，使其具有结构简单、生物相容性好等优点，从而推动相关转化研究。

Tumor-Acidity-Cleavable Maleic Acid Amide (TACMAA): A Powerful Tool for Designing Smart Nanoparticles to Overcome Delivery Barriers in Cancer Nanomedicine

 (Acc. Chem. Res., 2018, DOI: 10. 1021/acs.accounts.8b00195)

本文由材料人学术组gaxy供稿，材料牛整理编辑。  

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu，我们会邀请各位老师加入专家群。  

王均教授简介：

王均，教授，博士生导师，英国皇家化学学会会士，国家杰出青年基金获得者和中国科学院“百人计划”入选者，“万人计划”科技创新领军人才和科技部“中青年科技创新领军人才”入选者。2015年获国家自然科学奖二等奖。2016年6月起任华南理工大学医学院教授、生命科学研究院及国家人体组织功能重建工程技术研究中心研究员。2018年1月起任华南理工大学生物医学科学与工程学院院长。

王均教授主要从事生物材料和纳米医学研究，发展了肿瘤微环境响应的纳米载体构建新技术，研发了核酸药物递送的“均教授主要平台。在Sci Transl Med、Nat Commun、Acc Chem Res、PNAS、J Am Chem Soc、Angew Chem Int Ed、ACS Nano、Nano Lett、Adv Mater、Biomaterials等杂志发表研究论文170余篇，被引用9000余次，担任Biomaterials Science杂志副主编和多个学术刊物的编委，主持国家重点研发计划、“志副主”计划、国家自然科学基金委重点项目等。
杜金志特聘研究员简介：

杜金志，华南理工大学特聘研究员，博士生导师，广东省杰出青年基金获得者，广东省“珠江人才计划”创新团队核心成员。2006年和2011年分别获中国科学技术大学学士和博士学位（导师：王均教授）。2012年至2016年在美国埃默里大学（Emory University）医学院开展博士后研究（导师：聂书明教授）。2016年10月以“高层次人才引进计划”加入华南理工大学生命科学研究院、医学院，主要从事纳米医学、肿瘤免疫治疗、药物载体与递送相关领域的研究。迄今，申请人共发表SCI论文40余篇，包括PNAS、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Nano Lett.、Biomaterials、J Controlled Release等国际重要杂志。论文SCI引用3000余次，多篇论文他引超100次，单篇他引最高600余次，6篇论文入围ESI高被引，2篇入选研究前沿。主持或参与基金委面上项目、广东省杰出青年基金、国家重点研发计划等。授权2项中国发明专利。

Related references on this topic:

1. Jin-Zhi Du, Tian-Meng Sun, Wen-Jing Song, Juan Wu, Jun Wang*,A Tumor-Acidity-Activated Charge-Conversional Nanogel as an Intelligent Vehicle for Promoted Tumoral-Cell Uptake and Drug Delivery  Chem. Int. Ed. 2010, 49, 3621–3626.
2. Jin-Zhi Du, Xiao-Jiao Du, Cheng-Qiong Mao, Jun Wang*, Tailor-Made Dual pH-Sensitive Polymer-Doxorubicin Nanoparticles for Efficient Anti-Cancer Drug Delivery Am. Chem. Soc. 2011, 133, 17560–17563. 
3. Hong-Jun Li^#, Jin-Zhi Du^#, Xiao-Jiao Du^#, Cong-Fei Xu, Chun-Yang Sun, Hong-Xia Wang, Zhi-Ting Cao, Xian-Zhu Yang, Yan-Hua Zhu, ShumingNie*, Jun Wang*, Stimuli-Responsive Clustered Nanoparticles for Improved Tumor Penetration and Therapeutic Efficacy  Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2016, 113, 4164–4169.
4. Hong-Jun Li^#, Jin-Zhi Du*^,#, Jing Liu, Xiao-Jiao Du, Song Shen, Yan-Hua Zhu, Xiaoyan Wang, Xiaodong Ye, Shuming Nie*,Jun Wang*, Smart Superstructures with Ultrahigh pH-Sensitivity for Targeting Acidic Tumor Microenvironment: Instantaneous Size Switching and Improved Tumor Penetration, ACS Nano 2016, 10, 6753–6761.
5. Song Shen#, Hong-Jun Li#, Kai-Ge Chen, Yu-Cai Wang, Xian-Zhu Yang, Zhe-Xiong Lian, Jin-Zhi Du*, Jun Wang*, Spatial Targeting of Tumor-Associated Macrophages and Tumor Cells with a pH-Sensitive Cluster Nanocarrier for Cancer Chemoimmunotherapy, Nano Lett., 2017, 17, 3822–3829.
6. Xian-Zhu Yang, Jin-Zhi Du, Cheng-Qiong Mao. Shuang Dou, Hong-Yan Long, Jun Wang*, Sheddable Nanoparticles for Tumor-Acidity Targeting Small Interfering RNA DeliveryACS Nano 2012, 6, 771–781. 
7. You-Yong Yuan, Chen-Qiong Mao, Xiao-Jiao Du,Jin-Zhi Du, Feng Wang, Jun Wang*, Surface Charge Switchable Nanoparticles Based on Zwitterionic Polymer for Enhanced Drug Delivery to Tumor  Mater. 2012, 24, 5476–5480. 
8. Chun-Yang Sun^#, Yang Liu^#, Jin-Zhi Du^#, Zhi-Ting Cao, Cong-Fei Xu, Jun Wang*Facile Generation of Tumor pH-Labile Linkage-Bridged Block Copolymers for Chemotherapeutic Delivery  Chem. Int. Ed. 2016, 128, 1010-1014.
9. Chun-Yang Sun^#, Song Shen^#, Cong-Fei Xu, Hong-Jun Li, Yang Liu, Zhi-Ting Cao, Xian-Zhu Yang, Jin-Xing Xia, Jun Wang* Tumor Acidity-Sensitive Polymeric Vector for Active Targeted siRNA Delivery Am. Chem. Soc. 2015, 137, 15217–15224.  
10. Xian-Zhu Yang^#, Xiao-Jiao Du^#, Yang Liu, Yan-Hua Zhu, Yang-Zhong Liu, Ya-Ping Li,Jun Wang* Rational Design of Polyion Complex Nanoparticles to Overcome Cisplatin Resistance in Cancer Therapy  Mater. 2014, 26, 931-936. 
11. Dongdong Li, Yinchu Ma, Jinzhi Du, Wei Tao, Xiaojiao Du, Xianzhu Yang*, Jun Wang*, Tumor Acidity/NIR Controlled Interaction of Transformable Nanoparticle with Biological Systems for Cancer Therapy, Nano Lett.2017, 17, 2871–2878.