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浙江大学申有青教授团队:聚合物胶束的体内清除机制
2018-06-21 来源:中国流变网    点击次数:202次    

  由双亲性聚合物自组装形成的聚合物胶束是研究最为广泛的一类纳米载体,其疏水性内核能够包载水难溶性药物,而其亲水性壳层可赋予其隐蔽性能(stealthy),并通过表面功能化制备了众多类型的靶向输送胶束,例如BIND Therapeutics公司的前列腺癌PSA靶向功能化PEG-PLA胶束—Accurins。目前,PEG-PLA等聚合物胶束已进入临床应用而更多的体系正在进行临床试验。然而,聚合物胶束输送体系的递药效率和治疗效果与预期结果相差甚远,特别是最近Accurins临床试验失败更是一大打击。造成这一现状的重要原因是对聚合物胶束的体内清除机制、在血液循环中的解离过程、解离动力学及其影响因素还不非常清楚,特别是三个关键问题还有待于解答:

  • ①注射入血液后,聚合物胶束解离速率有多快?解离到什么程度?

  • ②聚合物胶束在血液循环中的清除机制是什么?肝捕捉的是整个胶束还是聚合物单链(unimers)?也就是胶束解离与被清除的因果关系是什么?是因胶束解离为聚合物单链而被清除?还是因胶束被清除而导致血液中聚合物浓度降低而导致解离(类似于稀释作用)?

  • ③聚合物胶束能够完整地到达肿瘤组织吗?

  只有弄清楚这三个问题才能进一步设计高效胶束型载药系统。例如,若胶束进入血液后快速解离为单链并被清除,探索PEG密度或结构来提高胶束的Stealthy能力、表面功能化提高肿瘤靶向能力的努力将是徒劳的。

  最近,浙江大学化工系申有青教授团队回答了临床应用的嵌段聚合物聚乙二醇-聚己内酯(PEG-PCL)和聚乙二醇-聚乳酸(PEG-PDLLA)胶束的上述问题。通过将聚合物疏水末端偶联一对荧光共振能量转移(FRET)荧光分子Cy5和Cy5.5,制备了FRET胶束。这种胶束的特点是荧光基团不会释放、只有胶束解离才能导致FRET消失,因此可以实时追踪聚合物胶束的解离,并通过测定胶束中荧光分子FRET效率来计算聚合物链在溶液中的胶束度,即聚合物链以胶束形式存在的百分数,由此评价胶束的解离速率和清除机制。研究发现,在体外静止条件下,PEG-PCL-FRET胶束随着稀释逐渐解离,但在其CMC以下仍有60%以上的胶束度,与蛋白或血清共孵育仅能够引起胶束少量解离;但当溶液通过微流体通道、在剪切力作用下可引起胶束大量解离至20%以下。

图1. FRET胶束的原理及其在体内的解离过程和清除途径。(a) 疏水链段分别联有Cy5和Cy5.5的PEG-PCL(或PLA)自组装形成FRET胶束,而一旦解离则FRET荧光消失,其FRET效率与胶束度成正比。(b)胶束作为药物输送体系的三个基本问题:①注射入血液后,聚合物胶束的解离速率和解离程度?②聚合物胶束在血液循环中的清除机制?清除的是整个胶束还是聚合物单链?③到达肿瘤组织的是完整的聚合物胶束吗?(c) 发现的PEG-PLC(PLA)胶束清除机制:在血管中剪切力作用下这类软胶束变形,促使血液蛋白与胶束疏水内核相互作用而形成PEG-PCL(PLA)/蛋白复合物,因而胶束快速解离为聚合物单链而被Kupffer细胞清除。

  PEG-PCL(或PLA)-FRET胶束尾静脉注射入小鼠体内后,胶束迅速发生解离,1小时后仅有20%的胶束能够保持完整性,这种解离速度和程度与剂量(或血液中聚合物浓度)的关系不大:预注射空白PEG-PCL胶束、增加PEG-PCL-FRET注射剂量、或用GdCl3抑制小鼠肝脏巨噬细胞的摄取来降低聚合物的清除速率,都可以提高血液中的聚合物浓度,但对血液中的胶束度没有影响、仍然很低,这表明PEG-PCL(或PLA)-FRET胶束进入血液后会快速解离为聚合物单链unimers。肝脏切片荧光广谱表明,肝脏中的PEG-PCL主要以单链形式存在。血管实时成像显示,PEG-PCL-Cy5.5胶束与Cy5标记的鼠白蛋白(MSA-Cy5)进入血液后, 很快形成MSA-Cy5/PEG-PCL-Cy5.5单链FRET复合物,且这些复合物蓄积在肝脏中,这表明在毛细血管中流体剪切力的作用下,PEG-PCL胶束容易变形而使白蛋白能够与疏水的PCL核作用,使疏水PCL段有可能进入白蛋白的疏水腔而形成白蛋白/PEG-PCL单链复合物,促使胶束解离并形成白蛋白/PEG-PCL单链复合物。肿瘤切片荧光广谱发现,肿瘤中的聚合物主要以胶束形式存在,表明血液中的胶束的确能够到达肿瘤组织。同时,PEG-PCL-FRET胶束与HepG2细胞共孵育后,细胞膜上的胶束能够保持完整性,而进入细胞后PEG-PCL-FRET胶束逐渐发生解离。

  该研究回答了上述关于PEG-PCL(PLA)胶束的基本问题:PEG-PCL和PEG-PLA类软核胶束注射进入血液循环系统后,在血液剪切力和血浆蛋白的作用下胶束快速解离为聚合物单链而被Kupffer细胞清除,而整个胶束则较难被Kupffer细胞捕获;血液中的胶束的确可以到达肿瘤并在肿瘤细胞膜上稳定。该工作为设计高效聚合物胶束递药系统提供切实的参考依据。尤其重要的是,高稳定性胶束是设计表面功能化胶束的基础。该成果于近期发表在ACS Nano,由博士生孙璇嶸王国伟共同完成,并得到国家重大科学研究计划项目和国家自然科学基金委重大项目资助。

  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b02830

 
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