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纳米机器人在靶向药物递送系统中的研究进展

发布时间:2022-03-15 10:42所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

  摘要纳米机器人技术在靶向药物递送领域的应用是纳米科学、生物医学、机械工程、力学、电子工程、信息与通信等多学科交叉融合的产物.由于体积小、可自主运动和精确操控,纳米机器人在精准治疗和纳米诊断等生物医学领域展示出巨大的发展潜力.本文从认识纳米机器人技术

  摘要纳米机器人技术在靶向药物递送领域的应用是纳米科学、生物医学、机械工程、力学、电子工程、信息与通信等多学科交叉融合的产物.由于体积小、可自主运动和精确操控,纳米机器人在精准治疗和纳米诊断等生物医学领域展示出巨大的发展潜力.本文从认识纳米机器人技术及靶向药物递送应用需求出发,简单回顾了靶向药物递送技术的发展历程,结合纳米机器人的类型、制造方式以及驱动方式,综述了国内外在靶向药物递送应用领域纳米机器人的研究进展.最后,梳理了纳米机器人在靶向药物递送应用研究中的重点方向,为我国未来的纳米机器人技术研究提供参考.

  关键词纳米机器人,靶向给药,肿瘤,生物医学

纳米机器人

  纳米机器人是指模拟生命活动中生物纳米机器构筑和生命过程中重要生物学事件而构建的人工智能体系,它是能够巧妙利用周围其他形式的能源在介质中自主移动,并可以与细胞或组织进行相互作用的纳米机器[1].纳米机器人尺寸级别在1~100nm范围内.

  由于其体积小、能够深入复杂而狭窄的人体组织内部的优点,特别适用于人体循环系统的靶向药物递送以及微创诊断与治疗,例如利用靶向给药纳米机器人技术有针对性和目标性地对病变组织进行药物递送,可避免或减少药物对其他健康组织和器官的副作用,显著提升治疗效率、大幅缩短患者的治疗时间和降低治疗成本,这些优势将有助于促进其在临床医学上的应用[2,3].此外,纳米机器人还被用于DNA探针、细胞成像材料和细胞特异性装运等研究.

  1靶向给药纳米机器人的发展历程

  靶向给药概念的提出,最早可追溯到1908年,德国免疫学家、诺贝尔生理学和医学奖获得者PaulEhrlich,提出了“魔法子弹”的设想,即靶向药物应能有效地攻击病原体细胞,而不影响健康细胞[4].靶向给药的主要目的是提高药物的选择性和使用效率,降低其副作用.

  1959年,在有关纳米技术的著名讲座“There’sPlentyofRoomattheBottom”中,诺贝尔物理学奖得主RichardFeynman首次提出将机器小型化至微纳米尺寸并应用于生物医学的想法,这是靶向给药纳米机器人概念的起源.这些设想激励了科学家在微观尺度下探索出多种靶向给药方法.如图1所示,从概念提出至纳米靶向给药的发展历程中,经历了3个关键性技术阶段:(1)利用聚乙二醇修饰剂作为有效药物载体,改变了药代动力学;(2)发现增强渗透滞留效应,实现了纳米药物的被动靶向递送;(3)采用靶向给药纳米机器人技术,自主将纳米药物精确递送至靶向组织[5].

  1.1聚乙二醇修饰剂

  聚乙二醇修饰剂(PEGylation)指的是通过连接一个或多个聚乙二醇(PEG)链来修饰药物粒子[6].常见的药物粒子有蛋白质和肽,但是它们容易被蛋白水解酶降解或被肾脏清除,在体内循环系统中滞留时间很短而难以应用.由于PEG具有无毒性、非免疫原性、非抗原性以及高溶于水的特点,它与药物粒子结合可以增加蛋白质和肽的分子量,改变药代动力学,延长药物粒子在循环系统中的滞留时间,并保护它们免受蛋白水解酶的影响,降低或消除蛋白质免疫原性,从而提升药效[7].

  该方法最早由罗格斯大学Davies教授和他的学生Abuchowsky在20世纪60年代提出,最初用于提升重组蛋白药物的循环时间和稳定性[8].20世纪80年代,Davies成立了Enzon公司;与此同时,来自阿拉巴马大学汉茨维尔分校的Harris成立了ShearwaterPolymer公司.这两家公司都致力于与大型制药公司合作,将聚乙二醇化重组蛋白产品引入临床.PEG修饰剂的成功也启发了其他科学家开发新型聚合物与药物粒子偶联.经过数十年的发展,目前已普遍应用于临床.

  1.2增强渗透滞留效应

  增强渗透滞留效应(enhancedpermeationandretentioneffect,EPR)通常用来描述注射的药物粒子(例如,经修饰的脂质体、纳米药物粒子和大分子药物)通过肿瘤、感染、炎症等有漏洞的脉管系统经血液循环到达疾病组织的过程.该现象最早于1985年由熊本大学Maeda等人[9]发现.当将苯乙烯-马来酸酐(SMA)偶联到抗癌蛋白(neocarzinostatin,NCS)上并进行动物实验时,他们注意到经染料标记的偶联物在肿瘤组织中持续积累.

  这是因为肿瘤中快速形成的血管是有缺陷的,药物在这些缺陷处(通常为纳米级)发生渗漏,最终导致纳米药物在肿瘤组织中的积累.由于纳米药物粒子是被动地依靠血液循环系统递送至肿瘤组织中的,因此基于EPR的药物传送方式又被称为被动靶向递送.被动靶向的弊端在于被注射的药物粒子随循环系统并不只是聚集到病变区域,而很有可能在其他器官处也有富集和积累,给健康组织带来副作用.此外,即使有部分药物粒子最终到达了病变区域,也有可能因为漫长的循环过程而面临分解和代谢的问题.据统计,在循环12h后,体内仅剩5%的纳米载体,最终导致只有总给药剂量的2%沉积在肿瘤中[10].

  因此,基于EPR的被动药物递送方式靶向率低,仍然无法实现药物在体内的精准递送.最近,针对纳米药物在肿瘤中的低效渗透问题,浙江大学申有青团队[11]通过癌细胞胞吞作用使纳米药物在肿瘤组织快速外渗及主动渗透,从而增强了纳米药物的抗癌效果,显著延长了原位胰腺肿瘤小鼠的生存期.多伦多大学Chan课题组[12]更深入地探讨了纳米颗粒的肿瘤渗透现象,基于多种小鼠模型、人类肿瘤类型、数学建模以及成像技术的分析,他们发现97%的纳米颗粒是通过内皮细胞进入肿瘤,而非内皮细胞间隙.这说明基于肿瘤内皮细胞的转胞吞作用可能是纳米颗粒在肿瘤部位富集的主要输运机制.

  1.3靶向给药纳米机器人

  靶向给药纳米机器人与普通纳米药物粒子区别在于:普通纳米药物粒子被动依赖于循环系统,靶向给药纳米机器人经人工设计可以运用周边环境进行自我驱动或由外部环境驱动.目前靶向给药纳米机器人按制备材料的不同,可分为以下3种类型:(1)基于天然生物材料;(2)基于人工合成材料;(3)基于生物细胞/微生物与人工合成材料复合的纳米机器人.为了让靶向给药纳米机器人可以自发并且精确地到达靶向组织,目前开发的驱动方式主要包括化学/生化驱动、外部场驱动和生物驱动3种.外部场驱动又细分为磁场驱动、电场驱动、光驱动和超声波驱动.下面从靶向给药纳米机器人的分类与制造和驱动方式两个方面详细介绍.

  2靶向给药纳米机器人的分类与制造

  2.1基于天然生物材料的纳米机器人

  基于天然生物材料的纳米机器人由天然的生物分子组成,该类型纳米机器人具有很好的生物相容性,它们的靶向能力主要依赖于蛋白对于特异性配体的识别.DNA折纸是基于天然生物材料纳米机器人的典型代表.DNA折纸机器人是由数百条低聚核苷酸构成主链,再引入多个短链适配体,这些短链适配体对目标蛋白具有很高的结合亲和力,操纵长链以高度有序的方式进行组装、折叠和传递有效载荷(例如金纳米颗粒或荧光标记的抗体片段)[13].Castro研究组[14]报道了通过宏观机械机器的设计原则来构造复杂的DNA机器人.该DNA折纸机器人由铰链和曲柄滑块组成。

  能够在链位移驱动下进行复杂的三维结构转换,从而实现打开DNA容器、控制分子结合等功能.目前的DNA纳米器件主要依赖于几何设计,Huang等人[15]设计了一种用于DNA装配的迭代设计方法,集成了基于粗粒度分子动力学的计算机辅助工程和通用的计算机辅助设计方法.该方法结合了自上而下的自动化和自下而上的几何控制.这种直观的框架允许从三维模型快速构建大型、多单元结构组件,并以自动化的方式对DNA结构的几何、力学和动力学特性进行更精细的控制.

  目前,如何使医用纳米机器人在复杂的活体环境内可控和有效地工作是科学家需要解决的难题.针对上述难题,国家纳米科学中心赵宇亮课题组[16]在研发药物输运纳米机器领域率先取得了突破,将DNA折纸技术应用到肿瘤血管栓塞治疗中.利用DNA链成功合成纳米机器人,它一旦识别肿瘤特异标志物便可以引发自身结构发生变化(犹如打开药箱),从而释放出内部装载的凝血酶,作为促凝药物靶向递送到肿瘤血管中,高效阻断肿瘤血供。

  实现广谱性定点治疗肿瘤的强大功能.该纳米机器人不仅在小鼠和猪体内实现了活体内疾病部位的定点药物递送,而且做到了时间/空间的精确控制,为智能化纳米机器人用于恶性肿瘤等人类重大疾病的诊疗,提供了全新的变革性治疗方法.近期,国家纳米科学中心丁宝全课题组[17]进一步将DNA纳米器件应用于癌症疫苗治疗并取得突破.癌症疫苗治疗的难点在于如何有效传递抗原和佐剂并激发T细胞介导的抗肿瘤反应.该DNA纳米疫苗通过将两种分子佐剂和抗原肽精确组装在管状DNA纳米结构腔内部.

  该结构既能保护抗原/佐剂的有效载荷,又能介导它们有效转运至引流淋巴结.当纳米机器人运行至引流淋巴结的抗原呈递细胞内时,以pH响应方式在亚细胞功能位点暴露出抗原与佐剂,激活Toll样受体通路和抗原呈递.该DNA纳米疫苗的接种使小鼠体内产生了长期的T细胞反应,实现了可控的免疫原性以及对肿瘤的高效抑制和消退.

  2.2基于人工合成材料的纳米机器人

  基于人工合成材料的纳米机器人是目前研究最普遍的载药纳米机器人,主要通过能量供应策略来实现靶向递送.基于人工合成材料的纳米机器人依靠自上而下或者自下而上的策略进行构建.自上而下策略指的是从整体结构开始,逐步增加细节层次.主要方法有物理气相沉积(physicalvapordeposition)、自卷曲技术(roll-uptechnique)和3D打印技术.自下而上策略则是在细节结构基元的基础上逐渐构建出完整的载药纳米机器人,主要方法包含电化学沉积、湿法化学合成(wetchemicalsynthesis)和自组装.

  基于人工合成材料的纳米机器人可以进一步细分为刚性纳米机器人和柔性纳米机器人.其中,刚性纳米机器人主要由一些过渡金属元素组成,如铁、镍、金、银、钛等.它们大多具有催化活性,可以诱导产生气泡推进纳米机器人运动.关于这种基于化学/生化反应的驱动方式将在下一节作详细讨论.而柔性纳米机器人则主要依靠聚合物材料和有机组分,这使它们的刚度可以与真正的生物细胞和组织相媲美;此外,一些柔性纳米机器人可以在运动中改变形状,使它们具有更高的运动自由度.Tang等人[18]设计了一种由亲和素涂层磁性纳米粒子头和单一生物素尖端再聚合鞭毛组成的纳米机器人,由外加磁场驱动,利用定量散焦实现三维导航和跟踪,显著提高鞭毛型柔性纳米机器人的效率、功能和应用.

  2.3基于生物细胞/微生物与人工合成材料复合的纳米机器人

  基于生物细胞/微生物与人工合成材料复合的纳米机器人,由通用的生物组分和人工合成材料两部分组成.该类型机器人兼具了天然生物材料和人工合成材料的优势,在体型、适应性和效率方面都有无可比拟的优势,可以极大地模拟真实机体的微观结构、行为和功能.基于生物细胞/微生物与人工合成材料复合的纳米机器人的通用生物部件包括心肌细胞、骨骼肌细胞、巨噬细胞、T细胞、红细胞、精子细胞、微生物(大肠杆菌、单细胞藻类)等.以应用广泛的心肌细胞为例,心肌细胞可以分为原代心肌细胞和干细胞来源的心肌细胞,其中原代心肌细胞通常取自新生大鼠心脏,然后植入软质人工材料。

  而干细胞源的心肌细胞是由干细胞通过化学、物理刺激诱导分化形成[19].Xu等人[19]利用心肌细胞,巧妙地构建了一种纳米机器人.他们通过3D打印技术构建纳米机器人骨架结构,将硅树脂薄膜的一端固定于骨架上,另一端悬空.然后,通过纤维连接蛋白在硅树脂薄膜上构建出特定的图案,并将心肌细胞按照图案接种在硅树脂膜上.最终,排列在硅树脂膜上的心肌细胞通过收缩作用带动整个纳米机器人工作.此外,微生物由于其速度快、体积小、质量可忽略、生存能力强等特点,也引起了广泛的关注,是复合型纳米机器人中的理想生物部件之一.

  3靶向给药纳米机器人的驱动方式

  3.1化学/生化驱动

  化学/生化驱动纳米机器人一般包含两个组成部分:活性金属部分和惰性材料部分,使得纳米机器人整体产生一个不对称的结构,如双金属纳米棒、多层纳米管以及Janus粒子等.活性金属部分的表面发生化学反应,消耗燃料并产生气泡或者浓度梯度以实现纳米机器人的运动.目前,最普遍使用的燃料是H2O2.活泼金属构建的纳米机器人催化H2O2产生O2,释放出的气泡驱动纳米机器人运动,但是H2O2并不是理想的燃料,因为它会给机体带来氧化损伤等一系列问题.尿素、葡萄糖是生物体内环境中普遍存在的两种参与新陈代谢的物质,利用相应的酶催化进行生化反应驱动纳米机器人具有很好的应用前景.

  最近,Tang等人[22]通过将脲酶不对称地固定在天然血小板细胞的表面,使尿素在生物体液中不均匀分解,从而产生化学运动.尿素燃料的高效驱动极大地提高了与生物靶点的结合效率,并在装载抗癌或抗生素药物时提高了它们的治疗效果.不过,目前这些酶驱动的机器人也存在驱动力弱、不能在高离子强度环境中运行等问题,阻碍了它们在生物医学领域的进一步应用.

  4展望

  本文回顾了纳米机器人的发展历程,也讨论了近年来纳米机器人在靶向药物递送方面的研究进展.然而,为了满足生物医学应用的实际需求,纳米机器人在生物安全性、驱动、体内导航、体内安全性和其他方面仍然存在诸多挑战.大量的研究建立在体外实验和动物体内实验的基础上,受限于现有生物成像技术和运动跟踪技术,纳米机器人深入人体器官和组织内部的精确操控与定位难以实现.为了解决上述问题,建议未来的研究重点关注以下几个方面.

  (1)纳米机器人的生物安全性是纳米机器人走向实际应用的基础.纳米机器人进入体内对生物体造成的可能影响以及完成任务后如何从体内消除是值得关注的问题.选择具有良好生物相容性、生物降解性以及可靠安全的材料是关键.对于利用燃料驱动型纳米机器人,应确保燃料对生物体无毒;对于外场驱动型纳米机器人,需避免外场对生物组织造成不必要的损伤;对于生物驱动型机器人,应确保引入的细胞或微生物不会带来新的安全威胁.

  (2)确保活体生物环境中持久的驱动力是纳米机器人发展的核心.纳米机器人需要在血液、尿液、间质液等生物介质中持续推进以完成医疗任务.然而,生物体内体液环境复杂,生物介质通常是非均质的,这给纳米机器人在生物体内的持续推进带来了不确定性.

  (3)在深部组织中的自主导航和精确操控是设计纳米机器人的关键.目前的研究趋势已经逐渐摒弃单一外场控制,而选择多元化外场协同以达到精准操控纳米机器人的目的.利用纳米机器人感知生物体内化学物质浓度梯度、穿越生物屏障、叠加外场作用驱动和导航以完成主动靶向药物递送也是一种有效策略.此外,结合分子通信技术,解决单一个体或集群纳米机器人的精确控制问题也是需要继续探索的方向.

  (4)生物成像和追踪对纳米机器人实现生物医学应用非常重要.目前生物成像技术包括光学显微镜、荧光显微镜、超声显微镜、辐射成像、磁共振成像等,它们在穿透度、精度、灵敏度和跟踪速度方面各有优劣,因此,为了提高成像效率,结合多种成像技术以实现多维度成像已成为一种趋势.

  (5)提升治疗效率、降低副作用是采用纳米机器人技术的最终目的.根据病变器官、药物种类和递送需求的不同,应有针对性地设计纳米机器人的载药能力、驱动方式以及药物释放方式,实现药物精确递送至病变部位,避免或减少药物在其他健康组织和器官中的积累以及由此带来的副作用.“魔法子弹”——纳米机器人正在朝着多功能系统、生物安全、持久驱动、精准操控、可视化、智能化的方向发展.在科技工作者不断改进完善的进程中,纳米机器人在主动靶向药物递送、纳米诊断以及精准治疗等生物医学领域应具有广阔的应用前景.

  参考文献:

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  3GaoC,WangY,YeZ,etal.Biomedicalmicro-/nanomotors:Fromovercomingbiologicalbarrierstoinvivoimaging.AdvMater,2021,33:2000512

  4StrebhardtK,UllrichA.PaulEhrlich’smagicbulletconcept:100yearsofprogress.NatRevCancer,2008,8:473–480

  5HoffmanAS.Theoriginsandevolutionof“controlled”drugdeliverysystems.JControlRelease,2008,132:153–163

  6VeroneseFM,PasutG.PEGylation,successfulapproachtodrugdelivery.DrugDiscovToday,2005,10:1451–1458

  作者:张莹1,周辰1,2,白春礼1,2*

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