多肽药物因其适应症广、安全性高且疗效显著,已广泛应用于肿瘤、肝炎、糖尿病、艾滋病等疾病的预防、诊断和治疗。但是,天然多肽进入后易被迅速降解并通过血液循环被迅速清除,安全递送是其发挥功效的基础。通过物理包埋、化学键合等手段合成基于多肽的纳米药物系统已解决这一问题的重要手段,具有生物安全性高,生物相容性好,易于修饰等特点,相关的开发研究正逐渐成为热点。综述多肽纳米给药系统的设计进展,总结抗菌肽、抗肿瘤肽、抗炎肽和肽疫苗等用于纳米药物递送的应用成果,展望未来生物活性多肽的临床应用前景,为当前构建负载多肽的纳米药物递送系统的研发提供有益建议。
近年来,纳米技术极大地推动了药物递送领域的发展。为克服传统剂型重复给药、半衰期短、患者依从性低等缺点,一种新剂型纳米药物递送系统应运而生[1-3]。
通过纳米技术合成可用于负载药物的NDDS,是改善药物理化性质的重要方法之一,利用其在粒径、表面电荷和形状方面的独特特性,设计并合成多种生物学功能的纳米粒。例如,组装成可用于癌症治疗的聚合物基纳米粒[4-6],对尿路病原体具有抗菌活性的绿色合成氧化铜纳米粒[7],以及具有抗革兰氏菌活性的万古霉素负载的 MnFe2O4纳米颗粒[8]等。最典型的纳米药物的组装方式是亲水性纳米载体,即直接将疏水性药物包裹起来或通过化学键合的方式相连接,即可使药物精准地输送到体内的病灶部位,又能降低对正常组织或细胞的毒性[9]。纳米药物递送系统的优越性在于可提高生物相容性,成为多功能封装活性剂,减少血液循环过程中药物的降解,实现被动或主动的靶向递送,并可有效递送从而减少副作用发生[10],这些优点可以赋予大部分药物更好的疾病治疗效果。
生物活性多肽是从植物、动物产生的天然活性肽中提取的,由大约50个氨基酸组成的小分子蛋白质[11],可以作为抵御入侵微生物的第一道防线,充当膜受体和离子通道的配体,也可以作为激素、神经递质和生长因子等信息物质的细胞间通讯小分子[12]。目前,已有600多种多肽被发现,人们较为深入地对其自组装性、细胞穿透性、靶向性等特性进行了研究,已经开发出许多能治疗多种疾病的治疗肽,最常见的是用于代谢疾病和肿瘤的治疗[13]。
与传统小分子药物相比,生物活性多肽具有免疫原性小、毒副作用低、生物相容性高等特点,但其在生物体内的稳定性较差,遇酶易降解,半衰短,特别是由于缺乏对特定的组织选择性,易对正常组织造成毒副作用,所以单独使用多肽制剂往往无法产生理想的临床治疗效果。目前在开发纳米药物递送系统时,为了提高其靶向特异性和高稳定性,通常需要在每个纳米颗粒修饰上生物分子,而生物活性多肽的特性恰好可与纳米载体相结合,形成有效的NDDS。负载了生物活性多肽的NDDS优点很多:如毒性低、特异性强、制造成本低、药代动力学性质良好等,有效克服了多肽自身的缺点,成为现阶段用于递送生物活性多肽的理想新剂型[14][16],具有很好的发展前景。文中首先介绍了NDDS的结构和载药机制,依据生物活性多肽的生物学功能,总结了抗菌肽、抗肿瘤肽、抗炎肽和肽疫苗等用于纳米药物递送系统的研究进展,并结合多肽类纳米药物在设计和临床治疗方面所面临的挑战,为进一步的应用研究提出建议和思路。
典型的NDDS主要分为脂质体、聚合物胶束、聚合物-药物纳米缀合物、树状大分子和无机纳米粒子.图1展示了几种典型的纳米载体负载药物后形成的 NDDS,每种纳米药物都具有其独特的特征:1)脂质体是由脂质双分子层组成的球形囊泡,其内部疏水核心能够携带亲水或疏水性的治疗药物,形成的载药脂质体极易穿过细胞膜,从而顺利地将药物递送至细胞内[17]。2)聚合物胶束由亲水嵌段和疏水嵌段构成,具有良好的生物相容性和高负载药物的能力[18]。利用聚合物纳米粒表面的多个官能团,通过一些抗体、多肽等靶向配体进一步修饰,可以实现纳米粒的主动靶向。此外,基于肿瘤微环境的特点,还可以将聚合物设计成具有智能响应性的纳米递送系统,例如温度响应性[19]、pH 响应性[20]、氧化还原响应性[21]、酶响应性[22]等。3)聚合物-药物纳米缀合物和树状大分子都是由聚合物衍生而来,但它们又具有各自的独特性能。聚合物-药物纳米缀合物,顾名思义,是将聚合物和药物共价结合的偶联物,能逃避肾脏和肝脏的清除来增加血液循环时间,进而增加药物在肿瘤部位的蓄积[23]。4)树状大分子是具有星状或分枝状结构的聚合物纳米载体,其表面能够结合治疗药物,以提高药物的疾病治疗效果[24]。5)无机纳米粒有介孔二氧化硅纳米粒、金纳米粒和超顺磁性氧化铁纳米粒等,由于具有特殊的光特性,常被用于光动力疗法来发挥疾病治疗作用[25]。
将生物活性多肽偶联到纳米递送载体上,既可防止多肽降解,又能提高药物生物利用度。现阶段,多肽与递送系统偶联的方法较多,主要分为两种载药机制:非共价相互作用和共价相互作用。共价相互作用的载药方法主要为化学连接,多肽可以通过酯键、腙键等化学键与纳米载体偶联。Yang等[26]设计合成了一种由线域 的 D⁃肽 拮 抗 剂 ( DPPA⁃1 ) 组 成 的 拮 抗 肽(LMDP),再利用经聚乙二醇(PEG)修饰的 Au@ Pt 上的硫醇与多肽一端的巯基反应,使得 Au@ Pt 纳米颗粒(Au@ Pt NPs) 与 LMDP偶联形成多功能纳米药物递送系统。经计算,偶联到 Au@ Pt NPs 上的 LMDP 含量为( 4.8 ± 0.6)%(w / w),且很好地保持了 DPPA⁃1 的活性。非共价相互作用的载药方法主要为相反电荷的静电吸附、物理包封等。Niu 等[27] 用胆固醇和月桂酸两个疏水基团修饰细胞穿透肽八聚精氨酸(r8),经修饰后的带正电荷的 CPP可以与带负电荷的胰岛素相互作用形成纳米复合物,再利用聚谷氨酸⁃聚乙二醇(PGA-PEG) 共聚物将其包裹形成药物递送系统,可有效促进胰岛素在肠道的吸收。
NDDS 被设计用于改变其负载药物的药代动力学和生物分布,保护药物免受降解酶的影响,并通过充当组织/ 细胞内的药物贮存器促进活性药物的缓释[28]。与大分子蛋白质相比,天然肽具有更高的有效性、选择性及专一性;降解产物是氨基酸,对组织的毒性小;半衰期短,不易在体内驻留[29]。尽管生物活性多肽作为药物治疗的优势很多,但进入后易被降解、易被血液循环快速清除,这些缺点也限制了多肽在临床上的单独应用。所以人们通过设计一系列 DDS,使得生物活性多肽能够到达靶向位置发挥作用[30]。现介绍抗菌肽、抗肿瘤肽、抗炎肽和肽疫苗等生物活性多肽负载于纳米载体上,用于药物递送方面的研究进展和开发成果。
生物活性多肽的主要来源是从动植物或微生物中直接提取,也称为天然多肽。有报道表明,从植物中提取的天然多肽具有抗氧化、抗菌、抗癌、免疫调节等活性, 具有良好的研究意义和 开 发 前景[31]。此外,通过体外蛋白降解和人工合成的手段也是获得小分子多肽的重要途径。例如,对鱼副产物中的蛋白质进行水解,可得到具有多种生物活性的肽,也具有抗氧化、抗菌、抗高血压、抗炎或降血等作用[32];而在人工合成方面,Lu 等[33]利用基因重组技术, 构 建 了 水 蛭 素 (HV1 )-小 泛 素(SUMO) 融合蛋白的重组体,并使得该融合基因 his6⁃SUMO⁃HV1 在大肠杆菌中高表达,经纯化后得到的重组水蛭素与天然水蛭素具有相同的末端序列,且活性不变;除生物合成之外,还可对已有的多肽进行修饰得到新的多肽以改善生物活性,Zhu 等[34]用氨基酸取代和截取肽的方法对抗菌肽Mastoparan-(MP-C)进行改善,并设计了一系列新的 MP⁃C 类似物,结果表明,筛选出的 3 种肽L1G、L7A和L1GA5K 具有更好的生物活性、更低的细胞毒性和更低的耐药性。
现阶段,抗生素的过度使用导致大量的微生物表现出多重耐药性,而具有抗菌活性的多肽有望缓解这一局面,成为抗生素的理想替代品。抗菌肽又称宿主防御肽,是天然免疫系统的重要组成部分。研究表明,大多数多肽的抗菌活性是非特异性的,是通过破坏性的细胞溶解或成孔作用表现出的抑制作用[35].Sanat等[36]发现带正电的多肽NK-2和带负电的细胞膜之间具有静电相互作用,通过引起囊泡的聚集与细胞膜的不稳定,表现出对大肠杆菌的抑制作用。同样的,Joelle[37]等报道了从鸡红细胞中纯化的组蛋白H5 和组蛋白 H5 衍生合成肽,通过损伤细菌的细胞膜,导致细胞变形、孔隙形成和胞浆内容物渗漏,形成其抗菌特性。除上述正在被研究的抗菌肽外,另一些 AMPs 已优先进入了临床试验阶段(见表 1),例如CLS001、LL-37和AB103等[38]。
基于对AMPs临床应用的研究,研究者们将AMPs封装或结合于纳米载体。该递送系统,既可将AMPs选择性靶向到感染部位,又能防止 AMPs在递送过程中被酶降解,实现了AMPs的有效输送[43]。Hilal等[44]在先前的研究中通过噬菌体展示方法, 发 现 一 种 多 肽HABP1, 将 该多肽与AMP(KRWWKWWRR)相连接制成双功能肽,以此作为生物分子治疗剂,输送到磷酸钙沉积的纳米管钛表面,HABP1可以自发覆盖在纳米颗粒的表面,从而提高骨细胞的生长和黏附能力,与此同时,让带正电荷的 AMP 与带负电荷的细胞膜相互作用发挥其抗菌作用,实现双功效。研究表明,该多肽显著降低了种植体表面的细菌粘附力,为手术对抗感染等问题提供新方法和思路。RonDoitch等[45]将 AMPLL-37包埋在脂质体中,发现脂质体制剂能够增加LL-37的细胞摄取率,并且LL-37脂质体的细胞毒性明显低于游离LL-37。脂质载体把LL-37释放到细胞质后,便重新迁移回质膜,作为细胞维持和再循环过程 的 一 部 分。Casciaro等[46]发现蛙皮AMPesculentinla的衍生物Esc(1-21)对细菌性病原菌绿脓杆菌的自由生活型和生物膜型都有很强的抑制作用。利用 PEG 连接体,将Esc(1-21)与金纳米粒化学结合。AuNPs是可以在不同类型的动物组织中扩散的颗粒,虽然其在人和小鼠皮肤角质层屏障的扩散速度受其大小、形状和电荷的影响,但有研究发现AuNPs能比其他金属NPs(可通过皮肤吸收的) 更大量地渗透到皮肤的所有层。抗菌实验的结果显示,结合了纳米载体的AMP 比游离肽的抗菌能力更强,阳离子Esc(1-21)可识别带负电荷的细胞表面成分脂多糖,并与之相互作用,直接靶向到细菌细胞表面,故不必进入细菌细 胞 内, 而 直 接 发 挥 抗 菌 活 性。Naroa等[47]考虑到金属纳米颗粒的使用可能会不可避免的产生安全隐患,于是以化学合成的重组版 GWH1抗菌肽为构建基块,设计了具有内在AMP杀菌活性的纯蛋白质纳米粒子,该抗菌肽在对哺乳动物细胞无明显毒性的情况下,能显著降低细菌细胞膜的渗透调节能力和孔隙形成能力,导致细菌细胞质丢失和细胞死亡。这种基于蛋白质纳米载体的抗菌肽的设计在生物相容性、生物降解性和环境适应性方面均具有一定优势,在新型纳米药物用于治疗细菌感染方面有广泛适用性。
由于肿瘤组织生长迅速,细胞外基质密度大,对氧气和葡萄糖等营养物质的需求量增加,造成肿瘤组织缺氧,同时,肿瘤组织周围不完整的脉管系统使得其代谢废物堆积,导致肿瘤环境具有低 pH和强还原性的特性。传统化疗药物由于非特异性靶向正常组织和肿瘤组织,导致药物在肿瘤组织的浓度聚集不足,产生低治疗效果和高毒副作用。而小分子肽以较高的亲和力和特异性渗透到肿瘤组织的特性,实现了对肿瘤组织的靶向作用,在癌症治疗方面表现出巨大潜力。来源于植物的大豆衍生肽具有一定的抗癌作用,特别是来自大豆的月桂酸肽,它是2S白蛋白种子蛋白的44个氨基酸肽组。