摘要: 利用细胞及细胞成分构建纳米仿生递药系统是目前新型药物递送系统的研究热点。该纳米仿生递药系 统可整合纳米载体高载药量、可控释药和细胞仿生成分良好生物相容性、低免疫原性、天然靶向性及活细胞形态灵 活特征。其中, 巨噬细胞因其吞噬功能、固有趋向性、深层渗透能力及在细胞治疗中的潜力, 基于巨噬细胞的纳米仿 生递药系统在肿瘤治疗方面展现出良好临床应用前景。基于此, 本综述基于巨噬细胞的纳米仿生递药系统载药策 略及其在肿瘤治疗中的应用, 以期为新型递药系统的研发提供参考。
恶性肿瘤是影响人类健康的重大疾病, 发病率和 死亡率逐年攀升[ 1] 。为提高临床治疗效果, 设计与开 发具备良好生物相容性、高效载药、特异性靶向和时空 控制释药的药物递送系统已成为研究热点[2,3] 。巨噬细胞 (macrophage, MΦ) 具有自身形态灵活、表面受体 丰富、免疫原性低和循环时间长的特点, 不仅具备吞噬 肿瘤细胞、递呈抗原和分泌细胞因子等细胞治疗潜力[4] , 还具有吞噬载药、固有靶向和深层渗透的药物递送能 力, 有望成为细胞疗法及药物递送的双重工具, 在新型 纳米仿生递药系统研究中备受期待 。目前, 基于 MΦ 的纳米仿生递药系统主要处于临床前研究阶段, 常用 骨髓来源巨噬细胞 (bone marrow-derived macrophage, BMDM)[5]、腹腔来源巨噬细胞 (peritoneal macrophage,PM) [6]、外周血来源巨噬细胞[7]、诱导多能干细胞来源 巨噬细胞[8]及永生化单核/巨噬细胞株 (BALB/c小鼠来 源的巨噬细胞株 RAW264.7[9] 和 J774.A1[ 10]) 。本综述 基于MΦ 的纳米仿生递药系统设计策略及最新研究进 展, 以期为纳米仿生递药系统的研究与开发提供参考。
1 纳米-MΦ 递药系统
纳米-MΦ 递药系统是将纳米药物装载于活MΦ 内 部或表面而形成的递送体系。
1.1 纳米-MΦ 递药系统的载药策略
1.1.1 MΦ 胞内载药 MΦ 作为专职吞噬细胞具有强 大摄取能力, 其胞内空间为药物提供在细胞质储存的 机会。利用MΦ 固有摄取能力和药物被动扩散性质将 药物装载到细胞中是最简便易行的载药策略 (图 1A)。Evans 等[5] 将 缺 氧 激 活 前 药 替 拉 扎 明 (tirapazamine, TPZ) 疏水衍生物 的乳酸- 乙醇酸共 聚物纳米颗粒 (TPZ-C12) 与 MΦ 直接孵育制备 MΦ -TPZ-C12, 其中 TPZ-C12的疏水性足以保证药物在细胞内水性介质中 稳定存在, 防止药物过早释放而对MΦ 产生毒性, 亲水 性又足以提供药物扩散所需浓度梯度, 药物可向肿瘤 深层渗透, 最终利用 MΦ 肿瘤趋向作用及其在缺氧部 位扩散和浸润能力, 促使药物到达肿瘤深层, 较 TPZ- C12 产生更优抗肿瘤效果 。纳米粒的粒径、表面电荷 和形状质地能够影响 MΦ 摄取, 带正电的纳米粒可通 过吸附性胞饮作用入胞, 比中性或表面负电纳米粒内 化效率更高[ 11, 12] ; 硬质球形纳米粒能与细胞表面形成 更多附着位点, 较少依赖肌动蛋白重塑细胞形态, 比软 质圆柱形纳米粒更易吞噬[ 13, 14] ; 当粒径大于 100 nm时, 主要通过网格蛋白介导或巨胞饮途径入吞; 粒径小于100 nm 时, 主要通过小窝蛋白介导途径入吞[ 15, 16] 。此 外, 使用细胞穿透肽或配体修饰纳米药物可进一步增 强纳米药物被 MΦ 吞噬装载的能力。Qiu等[ 17] 发现与 R8dGR 修饰的脂质体和聚乙二醇化脂质体相比, MΦ 对八精氨酸修饰的聚乙二醇化两药共载脂质体 (R8- Lip) 具有更高摄取率, 脂质体粒径约 110 nm时摄取效 果最优, 总载药量达63 μg /106 细胞。
1.1.2 MΦ 胞外载药 MΦ 膜表面富含脂质、多糖和 蛋白质等, 具有一系列功能基团 (伯胺残基、硫醇残基 等) 和表面特性 (负电荷、疏水性、配体结合位点等), 可 采用化学偶联或物理吸附的方式将纳米药物负载到 MΦ 表面 (图 1B) 。Zhou 等[ 18] 利用三 (2- 羧乙基) 膦选 择性还原 MΦ 表面巯基, 并进一步与载免疫佐剂多聚 肌苷酸多聚胞苷酸的纳米粒 (PLP) 的马来酰亚胺基团 偶联, 将PLP负载到MΦ 表面, 且保证了MΦ 的活性和 功能。Cao等[ 19] 利用脂质疏水长链锚定插入细胞膜的 性质, 将通过二硫键连接到聚乙二醇化二肉豆蔻酰磷脂酰乙醇胺的氧化还原敏感细胞毒性药物 DM4 前药 (DMPE-PEG-S-S-DM4) 和与 DMPE-PEG 偶联的豆类 特异性蜂毒素前肽 (DMPE-PEG-legM) 锚定在活 MΦ 表面制备胞外载 DM4 和legM 的 MΦ 递药系统 (LD- MDS), 将治疗药物优先递送至肺转移瘤中。但是由于 细胞表面空间有限, LD-MDS载药量仅为2.0 μg/106 细 胞。
1.1.3 MΦ 体内载药 将纳米制剂直接静脉注射, 进 而被单核-吞噬细胞系统摄取, 在体内形成装载纳米粒 的 MΦ 载药策略因简单易行, 无需考虑细胞分离和回 输过程潜在风险而受到关注 (图 1C) 。Franco 等[20] 证 实静脉注射介孔二氧化硅纳米粒或载介孔二氧化硅纳 米粒的脾细胞 (MΦ 同源细胞) 后, 24 h内均使硅纳米粒 被体内MΦ 大量摄取。Zheng等[21]制备装载了含有CpG 基序 的 寡 聚 脱 氧 核苷 酸 (CpG oligodeoxynucleotide, CpG ODN) 修饰金银纳米棒 (AuNR-CpG) 的肿瘤细胞 凋亡小体, 经静脉注射后约 83.0% 被血液循环中炎性 Ly-6C+ 单核细胞特异性吞噬, 在体内形成载药细胞 (相 当于全身 Ly-6C+ 单核细胞共装载 AuNR 156.4 μg), 然 后通过载药细胞固有肿瘤归巢倾向主动迁移到肿瘤部 位, 实现 AuNR-CpG 在肿瘤中深层渗透, 增强光热治 疗效果; 同时还可诱导肿瘤特异性免疫反应, 缓解免疫 抑制, 防止肿瘤转移和复发。但是, 血液循环中的单核 细胞 (MΦ 前体细胞), 需进一步迁移至组织, 经细胞体 积增大、细胞器数量增加等变化后才能分化成寿命更 长、更具吞噬功能和分泌细胞因子能力的 MΦ, 因此, 构建此类递药系统时应关注单核细胞血液循环和分化 过程对载体的影响。
1.2 纳米-MΦ 递药系统在肿瘤治疗中的应用
纳米-MΦ 递药系统可维持或增强吞噬肿瘤细胞 及抗原递呈能力, 并有效延长药物循环时间, 主动穿透间质液压增高的实体肿瘤组织, 特异性靶向肿瘤深部 区域[22] 。An等[23]以金纳米粒为模型诊断试剂, 制备载 阴离子金纳米粒的MΦ (AuNR@RAW), 利用多光谱成 像技术和肿瘤切片实验证实该递送系统的缺氧区趋 向, 并发现给药 1 h后AuNR@RAW开始蓄积于肿瘤部 位, 并于 8h达到峰值, 24 h时蓄积量略有下降。另有研 究表明载金纳米壳的MΦ (ANS-MA) 生物半衰期约为 12 h[24] 。Xu 等[25] 利用流式细胞术和荧光显微技术证 实: 未处理组 MΦ 与载聚乳酸-羟基乙酸共聚物 [poly (lactic-co-glycolic acid), PLGA] 纳米粒组 MΦ对肿瘤 细胞的吞噬百分率无显著性差异 (32. 1% vs 33.9%), 载 硫化铜纳米粒的MΦ (CuS-MΦ) 因下调程序性死亡受 体- 1 (programmed death- 1, PD- 1) 表达并上调溶酶体中消化酶活性, 使吞噬肿瘤细胞百分率增长 1倍以上, 达到 77.15%; 同时, 以卵清蛋白为模型抗原进行研究, 发 现 CuS-MΦ 比未处理组 MΦ 的抗原递呈能力更强, 经瘤内注射后, 可靶向肿瘤引流淋巴结, 提高效应性T细 胞和树突状细胞比例, 产生抗肿瘤免疫效应。此外, 活 MΦ在实现药物递送的同时, 还可实现过继免疫细胞 疗法, 提升治疗效果。本课题组[26] 提出“细胞-药物一 体化”理念, 以具有免疫治疗功能的M1型MΦ作为化 疗药物递送载体, 构建载索拉非尼脂质纳米粒的 M1 型 MΦ 递送体系 。该体系利用 MΦ 靶向肿瘤微环境 后, 可持续释放化疗药物及治疗性细胞因子, 显著提高 肿瘤组织 M1 型 MΦ、CD3+CD4+T 细胞和 CD3+CD8+T 细胞比例, 降低肿瘤组织调节性 T 细胞数量, 实现化 学-细胞联合治疗。
纳米-MΦ 递药系统主要通过细胞死亡或跨细胞膜的缓慢释放、基于外泌体的被动释放及借助隧道纳 米管作为MΦ 载体与肿瘤细胞间药物转运通道的方式 实现装载药物释放[20,27,28] 。静脉注射后, MΦ 需 6~12 h 的体内递送过程才会迁移到肿瘤组织[29] 。Zhang 等[9] 设计了一种具有两相药物释放曲线的纳米胶囊, 由药 物-二氧化硅纳米复合物核心和固体二氧化硅外壳组 成。该体系药物-二氧化硅纳米复合物比壳层更易降 解, 因为药物分子在二氧化硅基质中打破稳定晶态结 构, 导致两相释放。通过微调外壳厚度, 实现药物在体内递送的 6~12h内较少释放或几乎不释放。通过内 源性或外源性刺激, 可实现纳米-MΦ 递药系统在肿瘤 部位可控释药 。例如, Cao 等[ 19] 利用肿瘤微环境中高 表达豆荚蛋白酶的特性, 制备 LD-MDS, 在肿瘤部位 LD-MDS 可被豆荚蛋白酶激活并转化为装载 DM4 的 外泌体样纳米囊泡, 促进转移性 4T1乳腺癌细胞有效 内化和大量细胞死亡。与内源性触发机制相比, 外源 性触发具有时间、位置和强度可控的优势[30] 。Xu等[31] 将多柔比星 (doxorubicin, DOX) 和相变温度 29 ℃的 全氟戊烷 (perfluoropentane, PFP) 装载到中空介孔有 机二氧化硅纳米颗粒 (hollow mesoporous organosilica nanoparticle, HMON) 中 得 载 DOX 和 PFP 的 HMON (DPH), 再与 MΦ 共孵育得载 DPH 的 MΦ (DPH-MΦ), 在体内递送过程中, DPH中的PFP部分蒸发成气泡可 实时超声成像, 待蓄积后, 剩余液体 PFP, 通过短脉冲 高强度聚焦超声进一步汽化成许多更大气泡, 诱导轻 度高温 (< 45 ℃), 破裂MΦ, 促使DOX从细胞中释放。
2 纳米-MΦ 膜递药系统
纳米-MΦ 膜递药系统主要由MΦ 膜包裹纳米粒组成, 具备明显的“核-壳”结构。
2.1 纳米-MΦ 膜递药系统的载药策略
MΦ 膜载药主要分为 3个步骤: 外壳MΦ膜的分离纯化、内核纳米载体的制备及“核-壳”结构融合过程[32](图 2) 。为最大限度减少对膜相关成分 (蛋白质等) 的 破坏, 制备步骤应尽可能在温和条件下进行, 确保得到 的 MΦ 膜包衣纳米粒既有纳米载体本身物化特性, 又 具有细胞生物学性质。首先, MΦ 增殖到足够数量后, 经低渗裂解、机械破膜和差速离心相结合的方法去除 细胞核和细胞质, 分离纯化细胞膜; 然后根据装载药物 特性及载体设计需求制备内核纳米载体; 最后, 采用薄 膜挤压法、超声处理法或微流控电穿孔法将两者融 合[33,34] 。其中, 微流控电穿孔法是近年来应用广泛的 制备技术, Rao 等[35] 报道了一种用于膜包衣纳米颗粒 制备的系统, 该系统将纳米粒与细胞膜囊泡注入后, 经 Y 形和 S 形通道充分混合, 在电穿孔区域使纳米粒进 入细胞膜囊泡, 进而通过出口获得膜包衣的纳米粒。该过程通过调节流速、持续时间和脉冲电压, 可确保纳米粒与细胞膜完全覆盖, 具有高通量、低成本和可控性好等优点, 极具产业化前景。
2.2 纳米-MΦ 膜递药系统在肿瘤治疗中的应用
MΦ 膜富含多种膜蛋白, 可模拟 MΦ 体内药动学 特征, 逃避单核吞噬细胞系统的清除, 从而延长血液循 环时间 (生物半衰期超过 12h)、提高肿瘤积聚、靶向转 移肿瘤及跨越血脑屏障等[36] 。Xuan 等[37] 研究发现静 脉注射巨噬细胞膜包裹的金纳米壳 (MPCM-AuNS)
48 h 后仍在血液滞留 30% 以上, 而静脉注射 AuNS 可 在 24 h 内几乎全部从血液循环中清除 。Zhao 等[38] 制 备包裹MΦ 膜的载槲皮素空心硒化铋纳米粒 (M@BS- QE NP) 用于乳腺癌治疗, M@BS-QE NP 因包裹 MΦ 膜具有免疫逃避功能、CCL2 介导的募集特性及主动 靶向性, 与BS-QE NP组相比, 可更快实现肿瘤部位蓄 积 (4 h vs 6 h), 且给药 36 h后仍显著蓄积于瘤内。Lai 等[39] 制备包裹MΦ 膜的载IR-792聚乙二醇化脂质纳米 粒 (MDINP), 载药量高达 27.85%, 该系统显著提升了 IR-792的光稳定性, 具有穿透血脑屏障和特异性靶向 恶性胶质瘤的能力。
为提高治疗效果, 基于多模态联合治疗理念的仿 生载体逐渐成为未来发展新趋势。Liu等[40]报道了一种 MΦ 膜包裹的激光响应可变形纳米药物 I-P@NP@M, 其中二氢卟吩e6可将 650nm激光转化为活性氧, 触发 球形胶束转变为纳米纤维, 使其在肿瘤区域有很强滞 留作用, 从而使线性纳米纤维能够长时间定位并持续 释放药物。同时, 活性氧不仅通过光动力疗法直接杀 死肿瘤细胞, 还刺激紫杉醇前药裂解产生游离药物, 联 合化疗-光动力疗法显著抑制肿瘤生长并诱导免疫原 性细胞死亡, 再与吲哚胺-(2,3)-双加氧酶抑制剂indox- imod协同作用, 激活免疫应答, 集化疗、光动力治疗和 免疫治疗三者于一体, 在小鼠4T1原位乳腺癌模型中, 抑瘤率达 85.27%, 远高于 I-P@NP 组 72.30% 的抑瘤 率。随着制备技术快速发展, 杂交不同来源细胞膜获 得融合膜, 可整合并保持与单来源细胞非常相似的生 物学性能已成为一种简单有效的纳米粒修饰策略。Gong等[41] 开发了一种RAW264.7与4T1乳腺癌细胞融 合膜包裹载 DOX 的聚乳酸-羟基乙酸共聚物纳米粒 (DPLGA@[RAW-4T1]NP)用于治疗乳腺癌肺转移。该 递送系统拥有MΦ 免疫逃逸功能及肿瘤细胞同源靶向 性, 能特异性蓄积肿瘤部位, 与 DPLGA 组相比, 肺转 移结节数减少66.7%。
3 纳米-MΦ 囊泡递药系统
细 胞 间 通 讯 能够通过化学信 使 , 以 胞 外 囊 泡 (extracellular vesicle, EV) 的形式进行传递。根据来源 和大小不 同, EV 可分为 3 类 : 外泌体 (直径约30~ 150 nm)、微囊 (直径约200~500 nm) 和凋亡小体 (直径约 1~10 µm)[42,43] 。纳米-MΦ 囊泡递药系统主要由 MΦ 外泌体、微囊、凋亡小体或胞外囊泡样结构装载纳 米药物构成。
3.1 纳米-MΦ 囊泡递药系统的载药策略
3.1.1 内源性载药 内源性载药即先将药物载入到细 胞中, 当药物分选进入EV并从供体细胞中释放后, 通 过分离纯化而获得载药 EV (图 3A)[44] 。MΦ 能主动吞 噬内化多种外源物质, 是获得内源性载药 EV 的理想 细胞 。Silva 等[45] 将磁性氧化铁纳米粒和治疗性光敏 剂 m-THPC 与人 THP- 1 细胞来源的 MΦ 共同孵育, 并 在无血清培养基中培养 2 天, 诱导饥饿环境, 促使 EV 释放, 经离心和磁分选制得具有磁性和光热转换效应 的载药 EV, 每 108 个 EV 装载 93.3 ng 氧化铁纳米粒和5.6 ng光敏剂。由于药物分选至EV机制复杂, 很难通过 外界手段进行调控, 致使内源性载药策略普适性不高。
3.1.2 外源性载药 外源性载药是指将 EV从细胞中 分离纯化, 然后将药物通过孵育、挤出、超声、电穿孔、 冻融循环和脂质体介导的膜融合等方式导入EV内实 现载药 (图 3B)[46] 。Xiong等[47] 采用循环超声和快速超 速离心方式制备包裹月桂酸功能化铂 (IV) 前药和人 血清白蛋白纳米复合物的 MΦ 外泌体递送体系 (NPs/ Rex), 结果表明超声处理后外泌体的结构和功能依旧 完整。
3.2 纳米-MΦ 囊泡递药系统在肿瘤治疗中的应用
在纳米-MΦ 囊泡递药系统中, 外泌体载药应用最 多, 其起源于多囊泡体, 经细胞膜融合后由细胞自然分 泌, 膜结构富含胆固醇、神经酰胺和磷脂酰丝氨酸等, 可包裹RNA、蛋白质和脂质等[48,49] 。MΦ 来源外泌体 表现出与 MΦ 相似的表面膜特性, 易与膜融合被细胞 吸收, 在药物递送中具有良好潜力 。Xiong 等[47] 评估 NPs/Rex 的药代动力学性质, 使用非房室模型分析平 均驻留时间为47.3 h, 远超过顺铂游离药组的平均驻留时间 10.5 h 。对 M1型 MΦ 外泌体的进一步修饰可 增强其靶向递送和抗肿瘤作用。Kim等[50] 利用外源性 载药方式开发一种以肺癌细胞过度表达的 σ 受体为靶 点的氨乙基苯甲酰胺-聚乙二醇修饰的紫杉醇载药外泌体制剂, 载药量高达33.0%, 在小鼠肺转移瘤治疗 中, 与未修饰组相比,小鼠生存期可延长近1倍 (55天vs 28天) 。此外, M1型MΦ 外泌体本身具有促炎作用, 释放辅助性T淋巴细胞1分泌的细胞因子, 增强抗肿瘤作用 。Cheng 等[51] 发现M1型MΦ外泌体能增强脂质磷酸钙纳米粒包裹酪氨酸激酶相关蛋白-2 (tyrosi- nase related protein-2, Trp2) 疫苗的活性, 且免疫增强 效果超过对照CpG ODN组, 可作为癌症疫苗佐剂。
但是, 目前外泌体存在产量较低、分离纯化困难的 生产局限性, 一些研究表明可将其他衍生的纳米囊泡 作为外泌体替代品[52] 。Xu等[53]制备包裹DOX和硫化银 量子点的MΦ 微囊纳米平台MVs@QDs&DOX, 其中微 囊本身具有肿瘤靶向性且无免疫原性, 使MVS@QDs& DOX的生物半衰期延长至 14.2 h, 约为QDs&DOX (生 物半衰期 3.6 h) 的 4 倍; 硫化银量子点的近红外荧光 成像特性和光热效应, 可监测纳米平台在体内生物分 布及蓄积肿瘤后药物的控制释放 。Rayamajhi等[ 10] 选 用粒径较小的M1型MΦ 来源胞外囊泡作为外泌体类 似物与合成脂质体融合制备外泌体样杂化囊泡, 在保 留M1型MΦ 外泌体功能特性的同时, 具有更高产量、 载药量、胶体稳定性和pH敏感特性。表 1汇总了近年 来基于 MΦ 的纳米仿生递药 系 统在肿瘤 治疗 中 的 研究[6,9, 10, 17, 19,26,38-41,50-52,54,55]。
4 总结与展望
MΦ 凭借肿瘤吞噬、抗原递呈和上调炎性细胞因 子表达等细胞治疗潜力, 结合吞噬载药、固有靶向和深 层渗透的药物载体功能, 已逐渐成为细胞疗法及药物 递送的双重工具, 极具发展前景 。本文阐述的 3 类基 于MΦ 的药物递送系统各具特点[56] : 在制备工艺上, 纳 米-MΦ膜药物递送系统工艺最简单, 技术最成熟, 而纳米-MΦ 囊泡药物递送系统因外泌体产量较低、分离 纯化困难而难度较大, 纳米-MΦ 药物递送系统因需考 虑载药、体内递送和释药过程中药物对细胞活性的影 响而尤为困难; 对于膜蛋白组成, MΦ 及其胞外囊泡相似, 而纳米-MΦ 膜药物递送系统因体外细胞膜提取操 作或许会破坏部分蛋白; 关于载药量, 纳米-MΦ 药物 递送系统的载药量相对有限且药物应对MΦ 活性无明 显影响, 而另外两种递药系统载药量较高, 可适用于绝 大多数药物。就靶向递送效果而言, 受 MΦ 优先募集 至转移瘤部位[57,58] 及肿瘤切除创面产生大量炎性因子 而诱导 MΦ 炎症趋向性[ 17] 等影响, 纳米-MΦ 药物递送 系统对肿瘤转移和术后复发的抑制效果较优。在原发 瘤中, 纳米-MΦ 药物递送系统在肿瘤部位仍被观察到 具有深层渗透能力, 这是由于肿瘤微环境对 MΦ 具有 良好招募能力[26] 。然而, 值得注意的是, MΦ 在原发瘤 复杂免疫抑制微环境中可能被重极化为 M2 表型, 影 响MΦ 本身的抗肿瘤效果[54] ; 而在转移瘤中, 对MΦ 表 型影响较小, 因此, 有研究表明纳米-MΦ 药物递送系 统对转移的抑制较好[ 19]。
然而, 大多数基于 MΦ 的纳米仿生递药系统仍处 于临床前研究阶段, 临床转化与产业化发展仍存在众 多挑战: ① 因获取方便, 目前研究中常选用同种异体 细胞, 但其免疫原性、个体排斥反应及体内安全性还有 待确证; ② 静脉注射 MΦ 会从体内循环中较快消失, 并蓄积于肺部, 然后重新分布到脾脏和肝脏等器官。未来应继续研究延长循环半衰期, 体内维持特定表型, 提高靶向能力, 改善非特异性分布的策略; ③ 在实现 临床转化之前, 必须对体内药动学性质、给药方式、安 全性和产业化进行全面评估。尽管面临上述挑战, 随 着细胞递药系统不断发展, 基于 MΦ 的纳米仿生递药 系统临床转化具有良好前景。
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