背景介绍

纳米药物载体是指粒径在10～1000nm的一类新型载体，通常由天然或合成高分子材料制成。 其粒径比毛细血管通路远远要小，且具有降低药物毒副作用、提高药物稳定性、缓释控释药物和药物靶向释放等优点。

应用实例

量子点

量子点是具有量子特性的无机半导体纳米晶体，其具有独特的优势: 发光波长范围窄、Stocks 位移大、量子产率高、荧光寿命长、光化学稳定性好、体内循环时间长, 对肿瘤具有很好的被动靶向效果。

1. 作为药物载体, 可以实时跟踪药物在生物体内代谢过程及代谢的具体路径。

2. 与药物共定位, 在药物起作用的位点通过活体成像的方式显示病变部位, 方便实时监测与实现影像引导的治疗。

金/银纳米颗粒

纳米金/银的SERS以及局部表面等离子共振效应性质使其能够高效地区分骨骼和其他组织, 再结合光热/光动力治疗, 易于实现纳米金/银的诊疗一体化。

1. 纳米金能很好地吸收近红外光，并将之转化为热能或者产生单线态氧，是一种优良的光热/光动力试剂。

2. 纳米银可以结合自身的细胞毒性应用于抗肿瘤治疗。

3. 可作为抗肿瘤药物的载体。

碳纳米管/石墨烯

碳纳米管为微管多孔结构，石墨烯为片层结构。这些结构使得碳纳米材料具有优异的电化学及表面化学特性、较高的灵敏度、更宽的温度适应范围及更短的响应时间。

1. 碳纳米管的中空结构能用来包载药物，石墨烯的片层表面有很强的电荷亲和力，也可以负载多种药物。

2. 能高效吸收近红外光，将之转化为热能或传递给周围的 O2 形成 ROS，从而将成像和光热/光动力治疗结合设计成诊疗一体化体系。

介孔纳米材料

介孔纳米材料是一类多孔中空的纳米颗粒，具有巨大的比表面积和三维孔道结构。多孔中空结构使介孔纳米材料具有较强的物质连通性，各种原子、离子和分子不仅能够与材料表面发生接触，更能深入到材料内部。

1. 介孔硅类纳米颗粒作为诊疗药物的载体具有优良的生物相容性和可降解性，同时也易于同其他功能材料复合。

2. 非硅类介孔纳米材料主要包括过渡金属及其氧化物、硫化物和磷酸盐材料等。部分非硅类材料除了可进行成像示踪功能，还具备良好的药物控释与治疗功能。

纳米脂质体

纳米脂质体具有无毒副作用、生物相容性好、制备工艺简单等优点，被广泛应用于基因转染、药物呈递和活体成像等领域。

1. 脂质体是磷脂或胆固醇双分子层所形成的封闭囊泡，具高选择性、低毒性、无免疫原性、易于在生物体内降解等优点。

2. 可在适当的靶点控释药物，有效保护药物稳定性，避免药物被快速降解，显著提高药物治疗指数并降低不良反应。

聚合物胶束

聚合物胶束由两亲性嵌段（疏水和亲水片段）共聚物组成，在水中形成具有内核-外壳的球形共聚物胶束。

1. 自组装形成的具有亲水核心和疏水外层的纳米球，保护亲水性药物递送物并改善其稳定性。

2. 聚合物胶束可以装载各种类型的治疗药物，例如小分子、蛋白质，并已经在临床试验中用于递送癌症治疗药物。

纳米凝胶

纳米凝胶具有体积小、易于细胞内穿透、血液循环稳定性高、在各种医疗应用中具有良好的生物相容性等优点。

1. 可以封装各种生物活性化合物，如亲水性和亲脂性药物、DNA序列、siRNA、多肽和蛋白质。

2. 根据纳米凝胶的结构和药物之间的相互作用，药物可以通过破坏化学键或降解纳米凝胶基质来释放。

树状大分子

树枝状大分子是一种具有复杂三维结构的超支化聚合物，其质量、尺寸、形状以及表面特性都可以在合成中进行控制。

1. 表面的活性官能团可以将生物分子或荧光基团连接到表面，而药物等有机小分子则可以在内部包裹负载。

2. 其内部空腔结构可以包裹并且稳定金属纳米颗粒及分子药物用于肿瘤成像和肿瘤治疗。

药物载体纳米材料是指粒径在10～1000nm的一类新型载体，通常由天然或合成高分子材料制成。由于其粒径比毛细血管通路远远要小，且具有降低药物毒副作用、提高药物稳定性、缓释控释药物和药物靶向释放等优点，纳米药物载体在生物医学领域的应用极为广泛（如肿瘤、帕金森、老年痴呆、心梗、动脉粥样硬化等）。

纳米载体的类型有很多种，例如：脂质体纳米粒子、聚合物纳米粒子、配合物纳米粒子、金属纳米粒子、碳纳米管、囊泡、树枝状聚合物等。

目前研究所用的药物载体分为以下几类：

1.纳米脂质体

脂质体是磷脂或胆固醇双分子层所形成的封闭囊泡，具高选择性、低毒性、无免疫原性、易于在生物体内降解等优点，是研究最多，技术相对成熟的纳米药物载体之一。脂质体载体可在适当的靶点控释药物，有效保护药物稳定性，避免药物被快速降解，显著提高药物治疗指数并降低不良反应。举一个具体的例子：一种γ-谷氨酰转肽酶（GGT）触发的电荷转换方法，该方法可以在肿瘤微环境中触发脂质体的快速内吞和胞吞，以克服肿瘤组织中严酷的生物屏障。采用谷胱甘肽(GSH)修饰表面，并用多柔比星（DOX）包封，制备了一种活性脂质体纳米载体（GCSDL）。当GCSDL与肿瘤血管内皮细胞接触时，细胞膜上过表达的GGT酶催化GSH水解生成阳离子伯胺。阳离子GCSDL触发小泡介导的快速胞吞作用和囊泡介导的胞吞作用，导致序贯胞吞作用增加其肿瘤的积累和渗透。随着细胞间运输的不断进行，GCSDL可以在整个肿瘤中释放DOX，诱导癌细胞凋亡，从而彻底根除肝细胞癌，停止胰腺导管腺癌的进展，显著改善了老鼠的生存率（图1），相关论文发表在Small杂志上。

图1. GCSDL的制备和递药机制示意图

胶束

聚合物胶束由两亲性嵌段（疏水和亲水片段）共聚物组成，在水中形成具有内核-外壳的球形共聚物胶束。内核可以很好的包裹疏水脂溶性药物，将药物增溶在内部微环境，降低其对外界产生的不良反应。亲水区则形成亲水的外壳，对药物起保护作用。开发一种聚合物胶束纳米载体，将雷公藤甲素（TPL）和SN38（伊立替康的活性代谢产物）包封其中形成PSN38@TPL-nsa纳米药物。成纤维细胞活化蛋白（FAP）在胃癌组织中高表达，提示预后较差。TPL显著降低了CAFs活性，抑制了CAFs诱导的胃癌细胞增殖、迁移和化疗耐药。此外，TPL通过减弱cas和GC细胞中NF-κB的激活，使GC细胞对SN38敏感。PSN38@TPL-nsa治疗降低了肿瘤组织中胶原蛋白、FAP和α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）的表达。对富含cafs的腹膜播散性肿瘤和患者来源的异种移植（PDX）胃癌模型全身给予PSN38@TPL-nsa后，观察到原发性肿瘤生长的有效抑制和强大的抗转移作用。相关论文发表在J Nanobiotechnology杂志上。

图2.（a）PSN38@TPL-nsa纳米药物合成示意图

      （b）PSN38@TPL-nsa通过失活肿瘤相关成纤维细胞（CAFs）和使胃癌细胞对SN38曾敏来协同治疗胃癌

纳米凝胶药物载体

纳米凝胶已被证明具有体积小、易于细胞内穿透、血液循环稳定性高、在各种医疗应用中具有良好的生物相容性等优点。纳米凝胶可以封装各种生物活性化合物，如亲水性和亲脂性药物、DNA序列、siRNA、多肽和蛋白质。根据纳米凝胶的结构和药物之间的相互作用，药物可以通过破坏化学键或降解纳米凝胶基质来释放。报道了一种GSH/ROS反应纳米凝胶系统（简称IMs）作为焦解诱导剂来提高肿瘤免疫原性，实现肿瘤靶向和抗肿瘤免疫原性。由于甘露糖（MAN）的保护和肿瘤靶向作用，IMs具有高度的生物友好性，可以有效靶向肿瘤，降低全身毒性。得益于交联剂（PSe-Se）与MAN之间的交联反应，ICG的ACQ效应得到缓解，光热性能得到提高。Se-Se键的破坏打破了肿瘤细胞的氧化还原平衡，光触发的IMs导致Ca2+的渗入和caspase-3的激活，这可以增强caspase-3的裂解，协同导致细胞焦亡。IMs联合抗pd -1增强了乳腺癌肿瘤免疫治疗的效果，抑制了原发肿瘤和远端肿瘤的生长，延长了小鼠的生存期。相关论文发表在Journal of Controlled Release杂志。

图3. GSH/ROS反应和超稳定吲哚菁光疗纳米凝胶引发焦亡和促进癌症免疫治疗的示意图工程

树枝状大分子

树枝状大分子是结构更为复杂的嵌段聚合物，由重复增长反应合成而来，每重复循环反应会增加一个支化层（“代”：G），通常由内核、聚合物主链和树枝单元的侧链组成。与其他聚合物的区别，在于其高度支化的树状结构，以及低黏度、高溶解度、可混合性和高反应活性，在合成过程中还可以控制其体积和形状。树枝状大分子还含有广阔的空腔结构，这样的结构既可以内部载药，也可以表面载药。内部载药为空腔包载或同时将药物当做枝化单元通过共价偶联到树枝状结构上。在这里报道了一种基于自组装树突纳米胶束的DDS，它可以通过肿瘤分泌的细胞外囊泡（ev），一种随肿瘤微环境进化的内源性运输系统，有效地深入肿瘤。到达肿瘤后，这些树状分子纳米束的有效载荷被细胞重新包装成电动汽车，由其他细胞进一步运输和内化以“接力”递送。利用胰腺和结直肠癌衍生的2D、3D和异种移植模型，我们证明了原位生成的ev介导细胞间传递，在细胞间传播货物，并深入肿瘤内部。我们的研究提供了一个新的视角，利用肿瘤的内在特征和树突超分子化学来开发智能和有效的dds，以克服肿瘤的异质性和它们的进化性质，从而改善癌症治疗（图4）。相关论文发表在PNAS杂志。

图4. 两亲性树状分子纳米胶束（ADNMs）包裹抗癌药物，并通过细胞外囊泡（EV）介导的细胞间运输诱导肿瘤辅助药物递送

白蛋白纳米粒

这些载体由天然蛋白质或人工合成的蛋白质构成，可以用于封装药物并提高稳定性和靶向性。以Cy7光敏剂与蛋白水解靶向嵌合体（PROTAC）子合成了PROTAC-Cy7探针，并采用牛血清白蛋白负载增加其水溶性，成功设计合成了一种近红外荧光成像、降解MCL-1蛋白与联合光疗的三位一体PROTAC-Cy7@BSA NPs探针，并应用于肿瘤的血管成像和近红外二区成像引导的肿瘤切除，以及通过光动力治疗、光热治疗及化疗协同作用肿瘤消融。其中，在光热治疗领域，Cy7可以被用作光敏剂，可被近红外光激活，产生热效应；在荧光成像领域，Cy7可用于肿瘤成像方面。体外光热表征，证明纳米材料具有优异的光热转换能力；细胞实验证明纳米材料够很好的被细胞摄取，并显著一直结肠癌细胞的增殖；动物实验证明纳米材料能够显著抑制肿瘤的生长，清楚地识别血管，肿瘤和邻近边界。预计这种生物相容性治疗诊断剂将实现成像引导的手术肿瘤切除和协同癌症化学光疗。相关论文发表在Chemical Engineering Journal杂志。

图5. PROTAC-Cy7@BSA NPs的制备过程示意图，及其用于肿瘤光热治疗

无机纳米载体

金纳米颗粒

研究提出了一个独特的概念，即利用小型金纳米粒子（AuNPs）作为粘性纳米带，将一长串与适配体相连的四面体DNA珍珠（Apt-Nano-Tetra）折叠成一个球形的多中心DNA纳米结构，可以作为细胞核靶向药物递送载体（Apt-ADMC），具有75～85倍Dox装载能力。Dox-Apt-ADMC在特异性地进入目标淋巴瘤细胞后，被分解成由短的Apt-Nano-Tetra包围的单个AuNPs，最后到达细胞核并导致细胞凋亡。即使将Dox-Apt-ADMC用胎牛血清处理12小时，其药物输送能力也不会受到影响，这有助于在循环系统中实现高功能稳定性。因此，全身给药的Dox-Apt-ADMC显示出7倍的肿瘤积累，几乎100%地抑制了肿瘤的生长而没有检测到全身毒性。相关论文发表在Nano today杂志。

图6.Apt-ADMC的分步组装和体内给药示意图

介孔硅纳米颗粒

传统的化疗方法只针对肿瘤细胞，且化疗药物靶向性差，容易引发机体产生耐药性。与之相反，肿瘤免疫疗法能增强宿主的免疫调节能力。近年来，基于纳米颗粒的肿瘤免疫治疗受到了广泛的关注和研究。本研究中，设计了一种以周期性介孔有机硅纳米颗粒(PMOs)为载体，表面修饰肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体(TRAIL)，内部装载阿霉素(DOX)的靶向给药系统(DOX@PMO-hT)。TRAIL增强了纳米颗粒靶向能力，并在体内和体外与DOX协同作用对抗乳腺癌细胞。此外，我们首次揭示了PMOs在体外激活树突状细胞(dc)和提高DOX ICD水平的能力，TRAIL进一步增强了PMOs的免疫调节功能。在携带4t1的免疫能力小鼠模型中，系统暴露于DOX@PMO-hT诱导免疫应答，激活DCs和CD4+和CD8+ T细胞，并显著抑制肿瘤生长。相关论文发表在Acta Biomaterialia杂志。

图7. DOX@PMO-hT设计和抗肿瘤机制

介孔多巴胺

在前期工作基础上设计了一种包载奥拉帕尼（Olaparib，一种被FDA批准的PARPi）和阿霉素（Doxorubicin，一种典型的DNA损伤化疗药物）的聚乙二醇修饰的介孔聚多巴胺纳米粒，以治疗非同源重组缺陷的三阴性乳腺癌（图8）。在该纳米药物递送系统中，负载药物的介孔聚多巴胺同时作为光热发生器，通过对肿瘤局部进行温和光热处理（M-PTT，约43℃）显著下调了HR相关蛋白MRE11、RAD51和BRCA2的表达，进而损伤乳腺癌细胞修复DNA断裂的能力。同时，体内实验结果表明M-PTT可通过缓解肿瘤区域乏氧，有效抑制癌症相关成纤维细胞(CAFs)的产生，减少乳腺癌致密细胞外基质(ECM)并促进肿瘤血管的正常化，提高药物递送效率和深部穿透能力。相关论文发表在Nano today杂志。

氧化石墨烯

氧化石墨烯是由含氧官能团的sp2键碳原子组成的二维层，已广泛应用于纳米医学等领域（图9）。氧化石墨烯具有高的近红外吸光度，可作为高效PTT的光热剂，具有令人满意的治疗效果。石墨烯和氧化石墨烯具有极大的比表面积，可以与不同的生物分子相互作用，在生物传感、基因转染、药物传递和癌症治疗方面具有巨大的潜力。通过将靶向配体偶联到功能化氧化石墨烯上，可以实现靶向给药到特定类型的癌细胞。利用光热效应，氧化石墨烯及其衍生物也被用作PTT联合化疗的纳米载体。例如，表面装载有聚乙二醇化纳米氧化石墨烯和DOX的聚乙二醇纳米氧化石墨烯已被证明可以实现联合癌症治疗。氧化石墨烯及其衍生物可用于生物医学成像。Dai和同事发现氧化石墨烯在可见光到近红外范围内显示荧光，并使用氧化石墨烯进行细胞成像。相关论文发表在Adv Mater杂志。

图9.纳米石墨烯在癌症治疗领域的研究进展

量子点

合成了超小尺寸的Nd3+离子协调BP QD（BPNd）。材料的特点是增强NIR-II FL成像能力和新兴x-射线诱导光动力性能，并旨在目标胶质瘤细胞发射NIR-II FL信号监测GBM颅内扩散和协同X射线光诱导光动力化疗阻碍GBM的进展。稀土中的Nd3+离子可以与BP QD中的P原子配位，从而出现了文中所强调的可恢复效应。光敏剂BP QD的光子能量较低，从而提高了活性氧（ROS）的生成效率。此外，化疗药物阿霉素（Dox）和ROS敏感聚合物接枝环RGD肽同时锚定在BPNd（BPNdDTK-cRGD）表面，主要目的是提高BPNd对GBM的靶向能力和光热效果。由于其超小的体积和高效的载货能力，BPNd可以很容易地穿过血脑屏障，通过颅内NIR-II荧光成像精确监测胶质母细胞瘤的生长，并通过特异性x射线诱导的协同光动力化疗阻止其进展。相关论文发表在Small杂志。

图10.BPNdDTK-cRGD的结构、光电特性和生物效应示意图。

a) Nd3+离子可与BP QD配合，BP QD基底物可增强其NIR-II FL性能。此外，高z元素Nd可以将低x射线光子能量传递给BP量子点以产生ROS。经聚乙二醇(PEG)基聚合物修饰后，得到的BPNdDTK-cRGD具有良好的血脑屏障穿透能力。聚乙二醇(PEG)基聚合物在其末端位置分别含有ROS敏感的硫酮键和环状RGD肽段。

b)对于GBM的光疗学研究，BPNdDTK-cRGD经静脉注射后容易穿过血脑屏障，在GBM颅内区域蓄积，通过NIR-II FL显像和x线诱导的特异性协同光动力化疗，监测并抑制胶质母细胞瘤的生长