一氧化氮緩釋載體在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的研究進(jìn)展

羅文峰，黃晨，郭惠莊，葉裕豐，李莉，陳漢威

(廣州市番禺區(qū)中心醫(yī)院，廣州511400)

一氧化氮(NO)參與了一系列生理功能的調(diào)控過(guò)程，具有促進(jìn)傷口愈合、預(yù)防血管再狹窄和抗菌等作用[1, 2]。多種疾病的發(fā)生發(fā)展都與NO密切相關(guān)，如心血管病變、腫瘤、神經(jīng)病變等。臨床上利用NO供體藥物調(diào)控機(jī)體內(nèi)NO水平，從而達(dá)到預(yù)防和治療疾病的目的[3]。但現(xiàn)有的NO供體存在半衰期短、生物利用度低、不良反應(yīng)大和靶向性差等不足。近年來(lái)，NO緩釋載體由于具有可靶向修飾、長(zhǎng)效緩釋、精準(zhǔn)控釋等優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越多的研究者關(guān)注，已經(jīng)成為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。NO緩釋載體可將外源性的NO導(dǎo)入有機(jī)體中，在機(jī)體內(nèi)發(fā)揮NO的生物學(xué)作用，在心血管疾病、腫瘤、創(chuàng)傷等疾病防治的研究方面取得了一系列成果，為NO緩釋載體進(jìn)入臨床奠定了基礎(chǔ)。本文對(duì)NO緩釋載體在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 NO的生物合成以及生理學(xué)作用

NO具有較強(qiáng)的極性，常溫下呈氣態(tài)，易溶于脂，容易通過(guò)細(xì)胞膜擴(kuò)散，易被氧化成NO2。體內(nèi)NO的來(lái)源主要有生物體內(nèi)合成、空氣中吸入和NO供體藥物。根據(jù)來(lái)源的不同，體內(nèi)的NO可以分為內(nèi)源性和外源性兩種。內(nèi)源性NO的合成途徑主要是鳥(niǎo)氨酸循環(huán)的一氧化氮合酶(NOS)支路，在鳥(niǎo)氨酸循環(huán)過(guò)程中，NOS將L-精氨酸直接氧化成瓜氨酸并產(chǎn)生NO，內(nèi)源性NO在生物體內(nèi)的半衰期極短，濃度很低，不易被檢測(cè)；外源性NO主要由具有存儲(chǔ)和釋放NO的供體提供，NO供體的理化性質(zhì)直接影響NO傳遞方式和傳遞效率[4]。

生物體內(nèi)游離狀態(tài)的NO極少且其半衰期極短。盡管如此，NO在生物體內(nèi)仍然參與很多生理活動(dòng)的調(diào)控，在生物體內(nèi)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在分子水平的研究揭示NO的調(diào)控作用與多條信號(hào)通路相關(guān)，其中促進(jìn)細(xì)胞存活的通路有PI3K/AKT、ERK、NF-κB和STAT3 等，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的通路包括BCL-2、BCL-xL和MCL-1等[5, 6]。不同生理功能對(duì)NO的需求量都有差異，在不同組織中，NO在特定濃度下才能發(fā)揮功能，過(guò)高或者過(guò)低濃度都會(huì)對(duì)組織造成損傷，導(dǎo)致疾病的發(fā)生[7]。所以如何合理利用NO預(yù)防與治療疾病，已成為近10年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

2 NO緩釋載體的構(gòu)建

近年研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)引進(jìn)外源性NO干預(yù)病變組織的生理功能，可達(dá)到預(yù)防或者治療疾病的目的，例如促進(jìn)傷口愈合、預(yù)防血管硬化和抗血管再狹窄、抗腫瘤、抗菌等[1,2]。但是單純的NO供體不良反應(yīng)大，NO生物利用度低，無(wú)法靶向控制釋放。三硝酸甘油是最常見(jiàn)的NO供體之一，已被作為心血管疾病治療藥物在臨床上廣泛應(yīng)用，但是它會(huì)引起頭痛、內(nèi)皮功能紊亂和藥物耐受等不良反應(yīng)[8]。為了克服NO供體的這些不足，改善NO的生物利用度，并且實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)靶向緩釋，研究者們構(gòu)建了多種功能的NO緩釋載體。選擇合適的NO供體，構(gòu)建NO緩釋體系，對(duì)克服NO在體內(nèi)半衰期短和快速失去生物活性的不足起到至關(guān)重要的作用。

目前多種載體材料都可以用于構(gòu)建NO緩釋載體，根據(jù)NO觸發(fā)釋放機(jī)制的不同，可以分為酶促/非酶促釋放型NO緩釋載體、光控釋放NO緩釋載體、多功能NO緩釋載體等[1]。還可以根據(jù)不同組織對(duì)NO的特殊需求，設(shè)計(jì)靶向性可控釋放的NO緩釋載體。隨著納米藥物載體的快速發(fā)展，納米NO緩釋載體具有穿透性強(qiáng)、可控釋放、易修飾靶向基團(tuán)、在靶組織區(qū)域釋放有效濃度NO等作用，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療的目的。

3 NO緩釋載體在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用

3.1 NO緩釋載體在心血管疾病研究中的應(yīng)用 NO是維持心血管系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的重要信使分子，具有擴(kuò)張血管平滑肌、舒張血管、使血壓下降的作用。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷或者功能紊亂時(shí)，NO釋放減少，極易造成心血管功能紊亂，從而引發(fā)一系列心腦血管疾病，如高血壓、動(dòng)脈粥樣硬化、心肌梗死、腦梗死等嚴(yán)重疾病[9]。所以臨床上采用NO供體藥物將心血管系統(tǒng)的NO濃度維持在適當(dāng)?shù)乃?，以達(dá)到預(yù)防和治療心血管病變的作用。

三硝酸甘油、硝普鈉等NO供體藥物已經(jīng)成為臨床上常用的心血管疾病治療手段，但是單純NO供體存在藥效短、生物利用度低、濃度不可控的缺點(diǎn)。NO緩釋材料能很好地克服這些不足，實(shí)現(xiàn)可控釋放NO，為心血管疾病的防治提供新的方案。Katsumi等[10]設(shè)計(jì)出一種能夠緩釋NO的亞硝基硫醇-BSA聚合物，該聚合物能夠?qū)喯趸虼嫉腘O釋放時(shí)間提升2～4倍，在小鼠模型中證實(shí)了其降血壓的效果遠(yuǎn)比亞硝基硫醇理想。Chen等[11]將NO供體與姜黃素分子共混，制備出超分子水凝膠，這種水凝膠能夠持續(xù)釋放一定濃度的NO，具有良好的生物相容性，并且能夠上調(diào)細(xì)胞表達(dá)基質(zhì)金屬蛋白酶、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子和沉默信息調(diào)節(jié)因子，將這種水凝膠用于心肌梗死小鼠的治療，結(jié)果表明NO的緩釋能夠顯著減少膠原沉積，提升壞死心肌層的重構(gòu)，抑制心肌細(xì)胞凋亡和心肌肥大，改善心血管功能，表明NO緩釋有望成為心血管疾病治療的新方法。

3.2 NO緩釋載體在抗腫瘤研究中的應(yīng)用 大量研究表明，NO與大多數(shù)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移等過(guò)程均有密切的關(guān)系，研究也發(fā)現(xiàn)NO具有抗腫瘤的作用，這兩種決然不同的效應(yīng)主要取決于腫瘤的類型、腫瘤部位、腫瘤發(fā)展時(shí)間和NO局部水平等因素[12]?，F(xiàn)有研究表明，NO主要通過(guò)影響細(xì)胞凋亡、細(xì)胞周期、細(xì)胞遷移和侵襲、組織代謝和組織血管生成等與腫瘤相關(guān)的因素，來(lái)發(fā)揮其致癌/抑癌作用。

基于NO與腫瘤的密切關(guān)聯(lián)，研究者們希望通過(guò)干預(yù)組織內(nèi)NO的水平與代謝過(guò)程來(lái)預(yù)防和治療腫瘤疾病，尤其是引入NO緩釋材料對(duì)腫瘤進(jìn)行防治方面，開(kāi)展了大量的基礎(chǔ)與臨床研究。張瀟等[13]設(shè)計(jì)制備了一種近紅外光可控釋放NO緩釋材料，將其應(yīng)用于腫瘤治療中，發(fā)現(xiàn)控制NO水平可以與多種腫瘤治療策略發(fā)生協(xié)同效應(yīng)，甚至可以直接誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡壞死，該納米材料在近紅外激光的驅(qū)動(dòng)下，能夠?qū)崿F(xiàn)在生物體內(nèi)較深部位可控釋放NO分子，具有反應(yīng)靈敏、NO產(chǎn)率高、可控性好等特點(diǎn)，非常適合運(yùn)用于腫瘤治療領(lǐng)域。Guo等[14]合成了一種新型的線粒體靶向NO緩釋熒光分子，該分子可以在808 nm的光照下釋放一定水平的NO，體外和體內(nèi)試驗(yàn)證明了當(dāng)NO緩釋分子到達(dá)腫瘤細(xì)胞線粒體部位后，在光驅(qū)動(dòng)下可釋放一定水平的NO，引起線粒體自噬，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，達(dá)到殺傷腫瘤細(xì)胞的效果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的靶向精準(zhǔn)治療，克服以往腫瘤放療、化療對(duì)患者帶來(lái)的不良反應(yīng)。

3.3 NO緩釋載體在創(chuàng)傷愈合研究中的應(yīng)用 創(chuàng)傷經(jīng)久不愈或者愈合后形成病理性瘢痕是一直困擾外科臨床的難題。研究發(fā)現(xiàn)，NO在創(chuàng)傷愈合過(guò)程中不僅能起到抗菌的作用，而且影響著創(chuàng)傷愈合過(guò)程的每一個(gè)生理過(guò)程，能有效縮短創(chuàng)傷愈合的時(shí)間和有效抑制瘢痕的形成[15, 16]。因此，NO作為促進(jìn)創(chuàng)傷愈合的信使分子引起了研究熱潮。

NO緩釋材料能夠提供長(zhǎng)效、濃度可控的游離NO，可以滿足創(chuàng)傷愈合對(duì)NO的長(zhǎng)期需求，保證創(chuàng)傷愈合過(guò)程在NO的作用下進(jìn)行。Lee等[17]采用3D打印技術(shù)制造出一種具有NO緩釋功能的硅橡膠墊片，利用電化學(xué)還原的方式可以將儲(chǔ)存在硅橡膠中的NO釋放出來(lái)，NO緩釋時(shí)效超過(guò)4 d，該墊片釋放的NO不僅具有很好的殺菌性能，還能夠促進(jìn)創(chuàng)傷愈合，能夠滿足創(chuàng)傷愈合對(duì)NO的長(zhǎng)期需求，為褥瘡、糖尿病足等難愈性創(chuàng)口提供經(jīng)濟(jì)、長(zhǎng)效、安全的治療方法。Zhou等[18]采用靜電紡絲技術(shù)制備了聚己內(nèi)酯/殼聚糖-NO緩釋貼片，該貼片在傷口愈合過(guò)程中可持續(xù)穩(wěn)定釋放NO，通過(guò)調(diào)控炎癥反應(yīng)、血管新生、表皮重構(gòu)等生理過(guò)程，促進(jìn)創(chuàng)口愈合以及減少瘢痕增生，能很好地保護(hù)創(chuàng)口并改善創(chuàng)口愈合情況，有望成為新型的創(chuàng)口輔料，用于難愈性創(chuàng)口的治療。

3.4 NO緩釋載體在干細(xì)胞治療研究中的應(yīng)用 近年來(lái)，大量研究表明，干細(xì)胞治療能夠改善或者治愈多種臨床上難以治愈的疾病，例如心血管疾病、糖尿病、神經(jīng)系統(tǒng)損傷、惡性腫瘤等[19～22]。研究表明，NO對(duì)干細(xì)胞的活性、遷移、增殖、分化和凋亡等生理功能都起著重要的調(diào)控作用，能夠強(qiáng)化干細(xì)胞治療的效果。

Nie等[23]制備了殼聚糖-NO緩釋水凝膠，將胚胎干細(xì)胞放在含有殼聚糖-NO緩釋水凝膠的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，表現(xiàn)出良好的生物相容性。在半乳糖苷酶的催化下可釋放出適量水平的NO，在NO環(huán)境下，胚胎干細(xì)胞選擇性地上調(diào)Flk-1和VE-鈣黏素，并增強(qiáng)向內(nèi)皮細(xì)胞分化的能力，表明NO緩釋材料能夠影響干細(xì)胞的生理功能，增強(qiáng)干細(xì)胞治療心血管疾病的效果。Du等[24]設(shè)計(jì)了梳形殼聚糖-NO緩釋聚合物，并將其與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞共培養(yǎng)，通過(guò)分析骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體中生長(zhǎng)因子和microRNA的表達(dá)差異，表明NO緩釋聚合物釋放的NO可通過(guò)刺激干細(xì)胞分泌VEGF和miR-126到外泌體中，進(jìn)而促進(jìn)內(nèi)皮祖細(xì)胞增殖產(chǎn)生內(nèi)皮細(xì)胞，增強(qiáng)血管修復(fù)和新生能力。這就意味這NO不僅能夠影響干細(xì)胞本身的功能，還能通過(guò)干細(xì)胞的旁分泌作用對(duì)自體細(xì)胞產(chǎn)生影響，重新激活其功能，達(dá)到治療疾病的目的。

綜上所述，大量研究已經(jīng)尋找到了一些NO緩釋載體用于疾病的防治，例如水凝膠、聚合物、微球、蛋白質(zhì)等載體，并在心血管疾病、腫瘤、創(chuàng)傷愈合等疾病的應(yīng)用研究方面取得了積極的研究成果。但生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)δ軌虼罅績(jī)?chǔ)存且長(zhǎng)效穩(wěn)定釋放NO載體的需求越來(lái)越迫切，今后的研究方向?qū)⒓杏谌绾窝娱L(zhǎng)NO緩釋時(shí)間和控制NO緩釋濃度，進(jìn)而揭示NO濃度與持續(xù)時(shí)間對(duì)疾病預(yù)防和治療的影響機(jī)制，從而能更好地促進(jìn)NO緩釋治療疾病的成果向臨床轉(zhuǎn)化，對(duì)疾病防治提供有益的手段。