pH敏感性硼酸酯鍵及其遞藥系統(tǒng)的研究進(jìn)展

齊培蘭

（河南科技職業(yè)大學(xué)，河南 周口 466000）

目前，威脅人類生命健康的三大主要疾病分別是癌癥、心、腦血管疾病，三大疾病的死亡率占總死亡率的64%左右[1-2]，常用的治療方法比如化療、放療和外科手術(shù)，但這只能為患者提供有限的存活率[3]。近年來，納米技術(shù)的迅速發(fā)展使其在癌癥治療上有良好的發(fā)展前景。臨床上常用的治療癌癥的藥物如阿霉素、紫杉醇、順鉑等，這些藥物常見的缺點是溶解性差、毒副作用強；納米藥物給藥系統(tǒng)與傳統(tǒng)常規(guī)治療方式相比，能顯著改善藥物的物理化學(xué)性質(zhì)，降低藥物的毒副作用，提高藥物的靶向性。根據(jù)腫瘤組織微環(huán)境與正常組織的差異，納米載藥系統(tǒng)可以實現(xiàn)觸發(fā)性釋放藥物，常見的如熱敏性、氧化還原敏感性、pH敏感性、ATP敏感性等[4-6]。由于腫瘤細(xì)胞的高代謝率導(dǎo)致供氧不足，出現(xiàn)腫瘤組織部位乳酸堆積，因此，腫瘤組織與周圍正常組織相比具有高酸性。pH敏感性納米載藥體系被設(shè)計為低pH觸發(fā)，將藥物釋放到酸性實體瘤細(xì)胞周圍空間，在這個過程中，包裹的藥物在血液循環(huán)過程中保持穩(wěn)定，直到納米粒子通過EPR效應(yīng)被動地積聚在腫瘤部位，腫瘤組織的酸性環(huán)境能夠使pH敏感納米載藥體系結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，促進(jìn)藥物釋放，從而起到靶向治療的目的，因此pH敏感性的納米載藥系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于癌癥治療中[7-9]。

pH敏感性納米載藥系統(tǒng)大致可以歸結(jié)為三類：①納米聚合物結(jié)構(gòu)中含有一些特殊的pH敏感性的化學(xué)鍵如腙鍵、縮醛、原酸酯、縮酮和順式烏頭酸衍生物等；②納米聚合物結(jié)構(gòu)中含有一些可質(zhì)子化的化學(xué)基團如弱堿基團（胺基、吡啶等），弱酸基團（-SO3H，-COOH等）；③藥物分子以酸敏感化學(xué)鍵直接與聚合物材料上的特殊基團如硼酸酯鍵相連，其中最后一種pH敏感性納米載藥系統(tǒng)，在形成pH敏感化學(xué)鍵的同時還可以用來包載藥物。這種方法比以往設(shè)計的前兩種結(jié)合藥物的方法更簡單易行，同時減少了繁瑣的合成步驟；并且這種通過化學(xué)鍵共價結(jié)合方式載藥的pH敏感性納米載藥系統(tǒng)，在藥物的傳遞系統(tǒng)中可以明顯降低藥物在血液循環(huán)過程中的突釋現(xiàn)象，顯著改善藥物在循環(huán)系統(tǒng)中的生物分布、靶向性、代謝動力學(xué)等方面的問題，實現(xiàn)靶向給藥的目的，為抗腫瘤藥物的傳遞提供了一種新型納米載體，從而引起了研究者的廣泛關(guān)注[10-11]。綜合以上特點，本文主要從pH敏感性硼酸酯鍵的研究進(jìn)展展開相關(guān)論述。

1 pH敏感性硼酸酯鍵的研究進(jìn)展

硼酸酯鍵是一種可逆性pH敏感性的化學(xué)鍵，和其他以分子間相互作用力作為驅(qū)動力的納米結(jié)構(gòu)相比，這種處于動態(tài)下的共價鍵不僅使體系具有自愈合、自組裝潛能，并且能極大程度上增強反應(yīng)體系的穩(wěn)定性[12]。苯硼酸及其衍生物和含有多羥基或雙羥基結(jié)構(gòu)的物質(zhì)通過化學(xué)反應(yīng)生成的五元環(huán)或六元環(huán)狀的“硼酸酯鍵”是一種比較典型的可逆性共價鍵，此鍵受反應(yīng)體系的pH以及一些含羥基物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、濃度等因素影響[13]。硼酸酯鍵的形成原理如圖1[14-15]所示。苯硼酸基團在中性水溶液中存在兩種游離狀態(tài)：解離態(tài)和非解離態(tài)，它們之間能互相轉(zhuǎn)換。如圖1所示：在堿性（pH＞pKa）介質(zhì)中，苯硼酸基團是以四面體構(gòu)型（SP3雜化）的解離狀態(tài)為主，此時苯硼酸基團可以與含多羥基或雙羥基結(jié)構(gòu)的聚合物共價結(jié)合，形成明顯具有pH或糖敏感性的硼酸酯鍵。在酸性（pH＜pKa）介質(zhì)中，苯硼酸基團主要以平面構(gòu)型的非解離狀態(tài)存在，此時解離態(tài)在反應(yīng)體系中濃度較低，這種情況下硼酸基團與含多羥基或雙羥基結(jié)構(gòu)的聚合物共價結(jié)合生成的硼酸酯鍵不穩(wěn)定，非常容易發(fā)生解離。因此可逆性的硼酸酯鍵在化學(xué)材料、生物醫(yī)學(xué)、分子識別領(lǐng)域、納米載藥體系等方面都取得了很好的發(fā)展[16]。

圖1 苯基硼酸與硼酸酯鍵之間的酯化平衡[12]Fig.1 The Esterification equilibrium between phenylboronic acid and its diol ester

1.1 pH敏感性硼酸酯鍵在生物醫(yī)學(xué)方面的研究進(jìn)展

苯硼酸及其衍生物常用于標(biāo)記病毒和細(xì)胞衣殼[17]，硼酸基團與細(xì)胞表面的糖蛋白、多糖類物質(zhì)共價結(jié)合形成可逆的硼酸酯鍵，在生物學(xué)領(lǐng)域比如細(xì)胞成像、細(xì)胞捕獲及細(xì)胞培養(yǎng)等方面都有比較廣泛的應(yīng)用[18-19]。由于很多種類的細(xì)胞在培養(yǎng)基懸浮液中不能獨立生長，只能依附在硬界面（培養(yǎng)皿、培養(yǎng)瓶）上，當(dāng)分離細(xì)胞時，通常需要借助蛋白酶將貼壁的細(xì)胞進(jìn)行消化處理，這樣就會導(dǎo)致細(xì)胞在不同程度上出現(xiàn)損傷，然而硼酸酯鍵的可逆性質(zhì)就為細(xì)胞生長提供了一定的細(xì)胞附著途徑?？赡嫘耘鹚狨ユI通過糖酯交換可以使細(xì)胞發(fā)生脫離，從而實現(xiàn)細(xì)胞的捕獲與分離[20]，避免出現(xiàn)細(xì)胞損傷的現(xiàn)象，因此可逆性硼酸酯鍵在生物學(xué)領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。

研究者[21]通過化學(xué)方法合成了同時具有葡萄糖和pH雙重敏感性的含可逆性硼酸酯鍵的納米聚合物，通過精確控制葡萄糖濃度和pH值可以實現(xiàn)靶向細(xì)胞的可逆性捕獲和釋放。同時研究也證實，通過改變葡萄糖濃度和pH值，使納米聚合物材料表面具有雙重敏感性，可以實現(xiàn)細(xì)胞捕獲和釋放之間的相互轉(zhuǎn)換。實驗結(jié)果顯示：這種雙重響應(yīng)性的細(xì)胞捕獲和釋放過程基本上是無創(chuàng)的，細(xì)胞的存活率高達(dá)94%，在細(xì)胞的診斷以及體內(nèi)藥物傳遞等生物學(xué)領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用。

1.2 pH敏感性硼酸酯鍵在治療代謝性疾病方面的研究進(jìn)展

生命體內(nèi)含很多1，2與1，3-二羥基或多羥基結(jié)構(gòu)和物質(zhì)，例如細(xì)胞膜上的多糖類、糖蛋白、糖脂；在堿性條件下，血液中的糖基化血紅蛋白及核苷酸類物質(zhì)，和苯硼酸及其衍生物通過共價結(jié)合形成可逆的硼酸酯鍵，因此硼酸酯鍵常被廣泛應(yīng)用于某些生命活動的調(diào)節(jié)和自律式給藥系統(tǒng)中[22-23]。糖尿病是一種多種因素導(dǎo)致的代謝性疾病，到目前為止，尤其對于I型糖尿病病人來說，臨床上還沒有確切的根治方法，這就需要長期持續(xù)注射胰島素，患者的順應(yīng)性就會非常差。研究者[24-25]在此基礎(chǔ)上，根據(jù)苯硼酸及其衍生物結(jié)構(gòu)特征將其與葡萄糖形成可逆性配位絡(luò)合物，從而制備成具有血糖響應(yīng)型的自律式胰島素給藥系統(tǒng)，實現(xiàn)對胰島素的釋藥量進(jìn)行自律式可控調(diào)節(jié)，在用于治療糖尿病的藥物遞送系統(tǒng)方面具有重大意義。

Yang等[21]基于苯硼酸及其衍生物和葡萄糖基團之間的共價絡(luò)合，通過含有硼酸基團的嵌段聚合物PEGb-P（AA-co-APBA）和糖聚合物P（AA-co-AGA），在堿性水溶液自組裝制備出具有葡萄糖響應(yīng)性（可逆性硼酸酯鍵）的復(fù)合物膠束。研究結(jié)果顯示：復(fù)合膠束顯示出較強的葡萄糖響應(yīng)性，細(xì)胞實驗也證實復(fù)合膠束的細(xì)胞毒性較小，具有較好的生物相容性。這種復(fù)合膠束可能是一種很好的胰島素載體，并可能在糖尿病治療中得到較好的應(yīng)用。

1.3 pH敏感性硼酸酯鍵在納米載藥系統(tǒng)方面的研究進(jìn)展

對于實體腫瘤來說，腫瘤細(xì)胞處在快速增長的狀態(tài)，其無氧呼吸產(chǎn)生的乳酸使腫瘤組織具有弱酸性環(huán)境，因此pH敏感性納米載藥系統(tǒng)在癌癥的治療中占有重要地位[26-27]，其中硼酸酯鍵是一種較為典型的具有pH敏感性的可逆性共價鍵。與其他pH敏感性化學(xué)鍵相比，這種處于動態(tài)下的共價鍵使反應(yīng)體系可控，并能極大程度地提高反應(yīng)體系的穩(wěn)定性，降低藥物的突釋現(xiàn)象。苯硼酸類物質(zhì)可以與葡萄糖類及兒茶酚類結(jié)構(gòu)上的酚羥基團共價結(jié)合[28-31]，形成具有葡萄糖響應(yīng)及pH響應(yīng)的可逆性硼酸酯鍵。在腫瘤組織弱酸性環(huán)境下，硼酸酯鍵可以斷裂，根據(jù)這一特性，研究者設(shè)計了一系列具有pH敏感性的納米載藥體系，在癌癥的治療方面取得了較大的進(jìn)展[32]。

在已有的文獻(xiàn)報道中[33]，研究者通過化學(xué)合成的方法制備了兩親性嵌段聚合物CNPBA-DEX-B-PLA，該聚合物自組裝制備成納米膠束系統(tǒng)，將其用于抗腫瘤藥物阿霉素的傳遞載體。由于聚合物中含有苯硼酸基團，可以與二元醇結(jié)合形成pH敏感性的可逆性硼酸酯鍵，因此該嵌段聚合物具有優(yōu)異的pH敏感性。體外釋放實驗表明，在酸性環(huán)境中聚合物載藥膠束具有較好的釋放藥物行為；在中性或堿性環(huán)境中，聚合物載藥膠束的釋放量明顯減少，從而減少正常組織藥物突釋的現(xiàn)象，降低藥物的毒副作用。細(xì)胞毒性實驗顯示細(xì)胞存活率在90%以上，表明該嵌段聚合物膠束作為一種藥物傳遞系統(tǒng)載體具有較好的生物相容性，進(jìn)一步證實了具有pH敏感性的可生物降解的納米聚合物CNPBA-DEX-BPLA能有效地將DOX負(fù)載并傳遞到腫瘤組織中，實現(xiàn)靶向治療癌癥的目的。

Qi等[34]通過自由基聚合法（RAFT）成功地合成了含有兒茶酚基團的三嵌段聚合物mPEG-PCL-PDMA。在堿性條件下，PDMA片段側(cè)鏈上的鄰苯二酚基團能夠與抗癌藥物蛋白酶體抑制劑—硼替佐米（BTZ）共價結(jié)合形成殼交聯(lián)的具有pH敏感性的硼酸酯鍵，以實現(xiàn)藥物BTZ的負(fù)載；而在酸性條件下，硼酸酯鍵水解，載藥膠束去交聯(lián)釋放藥物，從而構(gòu)建了具有pH敏感性的納米載藥膠束體系。體外釋放實驗表明，聚合物膠束具有pH敏感性控制釋放藥物特性；細(xì)胞實驗結(jié)果證實，納米載藥膠束對肝癌、乳腺癌等細(xì)胞具有明顯的抑制作用；藥效學(xué)實驗顯示，具有pH敏感性硼酸酯鍵的聚合物膠束具有明顯的抑制腫瘤效果，為癌癥治療的藥物遞送系統(tǒng)提供了有利的支撐。

2 結(jié)束語

到目前為止，癌癥仍舊是亟待解決的難題，而納米藥物傳遞系統(tǒng)作為一種新型治療技術(shù)，因其特有的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能受到了廣泛關(guān)注。納米藥物傳遞系統(tǒng)具有獨特嵌段結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)藥物的負(fù)載，用來傳遞抗腫瘤藥，以克服藥物在臨床應(yīng)用中的不足。試驗顯示，與其他載體對比，環(huán)境敏感型的納米載體可以靶向作用于病灶部位，并對病灶微環(huán)境具有較強的敏感性，可以在細(xì)胞內(nèi)或者病灶部位定點定時地釋放藥物，從而減少正常細(xì)胞組織對藥物的攝取，具有增效減毒的典型優(yōu)勢。硼酸酯鍵是一種可逆的pH敏感性共價鍵，有較好的穩(wěn)定性，并且具有超分子結(jié)構(gòu)的環(huán)境響應(yīng)性。該鍵在弱酸環(huán)境中斷裂，利用腫瘤組織與正常組織微環(huán)境的差異，在納米載藥體系中具有較好的應(yīng)用前景，并為納米載體系統(tǒng)的設(shè)計提供了新思路。