近年来,癌症已成为世界上导致人类死亡的重要原因,严重威胁人类生命健康,制约社会经济的发展。但传统抗癌药物普遍存在体内半衰期短、毒副作用大、选择性差的缺点[1],因此,一个可以有效地将抗癌药物输送到癌细胞的输送系统,对于抗癌药物的临床效用至关重要。为了克服这些缺点,人们研究了多种方法提高肿瘤细胞对抗癌药物的摄取效率,其中利用聚合物作为纳米药物载体与抗癌药物结合是一种简单有效的给药体系[2,3],越来越多的聚合物类纳米药物被开发出来,但此类药物仍然要面对诸多挑战,例如它们不能同时实现血液中的长循环和高的细胞摄取量等,而引入多肽嵌段作为抗癌纳米药物中的作用片段也是赋予纳米材料多功能特性以达到更好治疗效果的一个重要的手段。
肽和肽的衍生物具有出色的生物相容性,多样化的生物活性,潜在的生物降解能力,特定的生物识别能力以及易于化学修饰的特性[4],与传统的纳米材料相比,多肽具有良好的生物相容性和可调控的降解性[5,6],同时多肽的单体氨基酸种类丰富,侧链可以修饰各种刺激响应的特殊功能的官能团使其具有多样化的功能,且可以很容易地整合到传统的肿瘤治疗体系中,在药物递送方面展现出很大应用潜力,因此使得多肽可以根据研究人员的需求而开发出多种体系,也可以与治疗剂或成像分子整合,用于肿瘤诊断和治疗[7,8]。引入多肽嵌段的纳米材料在生物医学领域,尤其在恶性肿瘤治疗领域有着巨大的应用前景。
本文将详细介绍基于肽的抗癌纳米药物体系中多肽的类型及作用。人们将多肽分子共价连接到聚合物上,发展得到聚合物—多肽连接体(PPC)。引入多肽嵌段的纳米材料通过自组装使其形成尺寸合适的胶束[9],可有效保护多肽不被降解、提高多肽的生物可利用度,从而能够在生物体内进行长循环,同时通过对多肽嵌段序列的设计以及对肽链的修饰可以实现对纳米材料响应特性的掌控,使纳米材料能够具有可控和特异性释放药物的功能,在新型抗癌药物的研究开发中具有重要意义。
1.多肽作为作用片段的优势
多肽是调节机体生理代谢和为机体提供营养的重要物质,是生命存在的基础物质,它涉及激素、神经、细胞生长和生殖等各个领域,生命活动中的细胞分化、神经激素递质调节、肿瘤病变、免疫调节等均与活性多肽密切相关[10]。
多肽由氨基酸按照一定的连接顺序通过肽键结合而成,而且相比蛋白质而言,多肽的活性更高,在微量和低浓度时也能发挥其独特的生理作用,易于与其他策略或技术组合;同时分子量小,易于进行化学修饰,且可通过传统Fmoc固相合成法或经典生物工程方法获得[11,12]。相比氨基酸而言,多肽可以不需消化就能直接以完整的形式参与血液循环,因此为其作为纳米材料中的作用片段提供了先天的优势。
2.多肽的分类
多肽作为抗癌纳米药物中作用片段时,不同序列具有不同功能,大致上可以分为穿膜肽、pH敏感肽、还原响应肽、酶响应肽、靶向配体、核定位信号肽等。
(1)细胞穿膜肽
细胞膜具有调节和选择物质进出细胞的屏障作用,但它的这种特性也使得具有治疗价值的生物大分子物质进入细胞的方式十分局限,因此此类药物的应用受到极大限制。细胞穿膜肽(cell-penetratingpeptides,CPPs)是一类小分子短肽,具有可穿透细胞膜并能够输送一系列大分子生物活性物质进入细胞的功能,具有转导效率高和不伤害细胞的优点。使用细胞穿膜肽进行药物递送可以增加肿瘤细胞对药物的吸收,从而增强难以进入细胞的大分子药物的治疗功效。
最经典的穿膜肽就是TAT蛋白上的第48～57位氨基酸形成的短肽。TAT肽属于阳离子短肽,富含精氨酸R和赖氨酸K。其中,精氨酸含有胍基,能和细胞膜上带负电荷的磷酸基团以氢键连接,在生理PH值条件下介导CPPs入膜,而对寡聚精氨酸(从3R到12R)的研究表明,精氨酸的数量最低为8时才具有穿膜能力,且随着精氨酸数量的增加,穿膜能力也逐渐增加[13]。
常见的细胞穿膜肽示例,请参见表1。
近年来,很多研究者将细胞穿膜肽运用到抗癌药物中。WanG等人[19]基于近红外荧光染料和细胞穿膜肽TAT,开发了一种核靶向的新型纳米药物系统。IR780是一种近红外(NIR)荧光染料,具有光热疗法(PTT)和光动力疗法(PDT)的抗癌活性,通过氯原子与巯基的取代反应与TAT肽偶联,得到了一种水溶性和光学稳定性显著提高的共轭TAT-IR780。然后将化疗药物阿霉素(DOX)和TAT-IR780在水介质中自组装,形成粒径约100nm的TID纳米颗粒。与游离IR780相比,TID纳米颗粒显著提高了PTT/PDT的效率。通过TAT肽的介导,有助于TID纳米颗粒载药颗粒进入肿瘤细胞,显著促进了IR780在癌细胞中的细胞内化,并将其主要传递到核周区。在785nm激光照射下将光能转化为热能,协同负载的化疗药物DOX,迅速破坏遗传物质,诱导肿瘤细胞快速凋亡。
CPPs作为一种新型传递工具,开辟了外源物质进入细胞的新途径,而随着研究的深入,也将有越来越多的CPPs被发现与构建,它的应用为大分子药物在进入细胞方面提供了广阔的思路。
(2)肿瘤微环境响应肽
对于癌症的诊断与治疗而言,肿瘤微环境(tumormicr-oenvironment,TME)和正常组织环境的差异也可以进行有效利用,如乏氧、pH值偏酸性、还原性物质浓度高、特定酶的过度表达等。针对这些特点,研究者们设计和开发了一系列能够响应肿瘤微环境刺激信号的智能纳米给药系统,而其中,引入相应的多肽是研究者们常用的方法。某些多肽能够在与正常组织不同的生理条件下特异性地发生所需变化,利用这种特性可以实现药物的精准靶向释放和各种诊断信号的释放。这种靶向递送可以显著增强药物的抗肿瘤作用,并减少对邻近正常组织的副作用。表2总结了常见的肿瘤微环境响应多肽。
①pH响应
由于肿瘤细胞的糖酵解失调生产大量乳酸,肿瘤组织处pH值低于周围正常组织和血液,大约为6.5-6.8,而根据这一特性,某些特定的肽序列可以在肿瘤部位实现pH介导的结构转化。吉垒等人[20]设计合成了一种pH响应型的多肽聚合物,该聚合物包括两种肽,一种为pH敏感单元顺乌头酸酐(CAA)修饰的毒性肽(序列为CGGGKFxAKFxAKKFxAKFxAK),另一种为TAT细胞穿膜肽,两种多肽通过偶联得到PS-KFx-CAA缀合物。CAA修饰的羧基可以使PS-KFx-CAA的亲水性增加,并使缀合物在中性条件下以单链状态存在,由于其相当小的尺寸,能渗透到实体瘤深处。一旦到达肿瘤部位,弱酸环境的刺激将CAA响应性断裂并引起PS-KFx-CAA的自组装形成纳米颗粒,聚集后的纳米颗粒可以通过穿膜肽的作用进入到肿瘤细胞,而CAA的完全水解使KFxAK的治疗活性恢复,从而实现对癌细胞的有效杀伤。
②酶响应
与正常组织相比,多种酶会在肿瘤微环境中特异性过度表达,同时具有极高的活性[21,22],常见的有基质金属蛋白酶(matrixmetalloprotease,MMPs)、凋亡酶(Caspase)、组织蛋白酶(Cathepsin)等。由于这些高表达的酶通常属于肿瘤标志物,因此可作为肿瘤治疗的合适靶标,用于改善化学治疗药物的生物利用度。酶响应肽具有许多优势,例如与pH响应肽相比,不需要多肽在较窄的pH变化范围内作出精准的响应,有着出色的选择性。
MMPs响应肽是酶响应肽中应用最广泛的一类。MMPs在肿瘤发展过程中起重要作用,包括肿瘤生长,增殖,侵袭和转移[23],MMPs降解细胞外基质从而使得肿瘤新生血管形成以及肿瘤的扩大或直接蔓延[24],是抗癌领域的热点之一。GuoF等人[25]制备了基于MMPs敏感的功能化共聚物(mPEG-GPLGIAGQ-PCL)的酶促响应纳米颗粒,PEG化可以改善载体的稳定性,延长体内保留时间,纳米颗粒暴露于肿瘤组织的高MMPs环境后,肽序列GPLGIAGQ能够被切断并脱掉PEG外壳,纳米颗粒的尺寸变小更易渗透,同时PCL被更快地释放到肿瘤组织处,表现出显著的肿瘤靶向作用,同时减少对生物体正常组织的毒副作用。
③还原性响应
肿瘤细胞内较高浓度的还原物质谷胱甘肽(GSH),而二硫键具有还原环境下响应性断裂的特性,因此细胞外和细胞内环境之间GSH水平的独特差异为含二硫键的药物传递系统提供了固有优势,该系统在循环过程中和细胞外环境中均稳定,但进入肿瘤细胞后可以快速分解并释放药物。荆体涛等人[26]以含有二硫键的胱氨酸为基础,设计了一种还原环境响应的聚肽纳米凝胶mPEG-LLy-LCys用于近红外光动力治疗。其中mPEG的作用是改善纳米凝胶的水溶性,疏水端通过疏水相互作用将能够用于生物成像的花菁(cyanine)染料有效地负载在其疏水内核中。纳米凝胶通过EPR效应在肿瘤组织处有效积累,而到达肿瘤细胞并被摄取后,随后疏水内核携带的花菁染料在肿瘤GSH的还原作用下被直接释放到肿瘤细胞中,进而实现细胞成像和光照下的光动力治疗。
(3)肿瘤细胞靶向肽
肿瘤细胞与正常细胞相比有很多区别,大量实验表明,肿瘤细胞表面会过多表达某些受体蛋白,而相应的正常组织和细胞表面几乎测不到该受体,因此肿瘤细胞表面这些存在过度表达的蛋白为抗癌药物提供了丰富的特异性结合位点[37],而研究者们基于这些受体蛋白的过度表达,发现与合成了多种多肽作为其配体,以使其能通过配体-受体相互作用靶向肿瘤细胞,从而进行精确的肿瘤成像和有效治疗,常见的肿瘤细胞靶向配体示例,请参见表3。
整合素属于跨膜受体家族,其介导细胞与细胞外基质成分之间的相互作用[38]。整合素通常在正常细胞中以极低的水平表达,但在许多类型的癌细胞中会出现高表达[39]。RGD肽是一类含有精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)的短肽,是靶向整合素最广泛研究的配体之一,可以特异性靶向肿瘤细胞或者新生血管系统表达的αvβ3、αvβ5等整合素[40],从而能够将药物精确地导入肿瘤细胞中。由于出色的靶向能力和易于修饰的特性,RGD肽可应用于各种靶向肿瘤的纳米系统,并能够与多种用于肿瘤靶向的肿瘤治疗策略结合使用。此外,RGD序列还可以与靶向肿瘤细胞NRP-1的肽整合,进一步开发为环状iRGD肽,从而进一步提高血管和组织的通透性,并增强肿瘤靶向作用[41]。ShiJ等人[42]通过使用RGD序列作为靶向单元修饰聚合物,合成了含有二硫键的RGD-PEG-SS-PTX并自组装成胶束,用于胃癌的诊断和治疗。该胶束能够通过RGD肽促进富含αvβ3整联蛋白的肿瘤细胞主动摄取纳米颗粒进入细胞,在细胞内高GSH的还原环境下发生二硫键断裂,从而精准快速地释放PTX并改善药物的生物利用度。
3.结论及展望
虽然引入的多肽嵌段在整个抗癌药物体系中十分微小,但却能够改善常规药物的诸多缺点,实现载体在体内的长循环、精确的靶向传递及智能可控释放药物等多重功能。本文简要介绍了多种用于抗癌体系的功能多肽和以其为基础而构建的药物载体的最新研究进展,其中主要包括细胞穿膜肽、肿瘤微环境响应肽和肿瘤细胞靶向肽等。这些基于多肽的多功能纳米载体为抗癌药物的发展提供了新的策略,将极大地促进抗肿瘤药物研究的发展,同时具有巨大的临床应用价值。
摘要：近年来,由于多肽的体内降解能力强、代谢终产物无毒等优势,以及多肽类纳米药物的结构多样性,基于肽的抗肿瘤纳米材料逐渐成为生物医学、材料学等领域的研究热点,在抗癌领域中有着良好的应用前景。为了更好地对抗肿瘤纳米材料中多肽的功能进行概述,对常见的多肽嵌段进行了分类介绍,总结了目前国内外基于肽的抗癌纳米载体的研究进展及发展现状,同时也就多肽的作用机制和影响因素进行了分析和探讨。
关键词：多肽,药物传递,抗肿瘤,纳米材料
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