郑沛育 杨波 陈重 薛昊 张艳君 彭海生

[摘要] 近年来，肿瘤一直是纳米医学研究的重点，肿瘤细胞外酸性环境为肿瘤靶向治疗提供了新思路。pH敏感结构随着pH的改变而产生构象变化，将pH敏感结构与纳米结构相结合，用于构建pH敏感纳米结构以促进肿瘤细胞摄取。本文对近年来用于肿瘤靶向药物递送的pH敏感纳米结构的研究进行了综述，描述了pH敏感结构的类型，阐述了pH敏感结构与纳米结构的结合方式。对pH敏感纳米结构的进一步了解将有助于设计更有效的药物递送系统，以应对肿瘤治疗中遇到的挑战。

[关键词] pH敏感结构;纳米载体;肿瘤靶向;药物递送

[中图分类号] R73          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2020）04（b）-0028-04

Advances in the design of pH-sensitive nanostructures for tumor therapy

ZHENG Peiyu1   YANG Bo1▲   CHEN Zhong2   XUE Hao1   ZHANG Yanjun1   PENG Haisheng2▲

1.College of Pharmacy， Harbin University of Commerce， Heilongjiang Province， Harbin   150076， China; 2.College of Pharmacy， Daqing Campus， Harbin Medical University， Heilongjiang Province， Daqing   163319， China

[Abstract] In recent years， tumor has been the focus of nanomedicine research， and the extracellular acidic environment of tumor provides a new idea for targeted therapy of tumor. The pH-sensitive structure changes conformation with the change of pH. The combination of pH-sensitive structure and nanostructure is used to construct the pH-sensitive nanostructure to promote the uptake of tumor cells. This paper reviews the recent research on pH-sensitive nanostructures used for tumor targeted drug delivery， describes the types of pH-sensitive nanostructures， and describes the combination of pH-sensitive structures and nanostructures. Further understanding of pH-sensitive nanostructures will help design more effective drug delivery systems to address the challenges of tumor therapy.

[Key words] pH-sensitive structure; Nano-carrier; Tumor targeted; Drug delivery

癌癥一直是严重影响人类生存的疾病，现今临床上所应用的化疗药物在杀死癌细胞的同时也会损害正常细胞，治疗效果不理想[1]，从不同途径寻找高效低毒的抗肿瘤药物已成为临床的首要任务和必须克服的难题。

根据人和动物实体瘤的pH数据显示，正常组织中细胞外pH和血液pH保持恒定在7.4，超过80%的肿瘤细胞pH低于正常组织，范围在5.7～7.0之间[2]。肿瘤细胞的pH值低于正常组织主要是因为癌细胞的糖酵解速率很高，而糖酵解将会产生大量的酸性物质。此外，酸性环境有利于癌细胞生长，且会破坏细胞外基质以及周围的正常细胞[3]。

肿瘤细胞这种异质性导致人们越来越重视具有靶向性的纳米医学，由于增强的渗透性和保留效应，纳米颗粒可以既在肿瘤中累积，又同时屏蔽周围的良性组织[4]。纳米材料通常是多组分系统，可以通过多种程序将多个靶向部分结合到纳米粒子的表面，精细地设计不同组分的纳米结构，从而产生单分子疗法中不存在的强协同效应。

具有pH响应区段的纳米结构用于传递药物可以增强在肿瘤细胞处的靶向特异性，促进纳米药物进入肿瘤细胞[5]。设计能够改变肿瘤细胞化学或物理性质的pH敏感纳米结构对于治疗癌症来说具有重大意义。因此，本文将从肿瘤细胞pH响应机制以及pH敏感纳米结构的类型等方面对用于癌症诊断和治疗的pH敏感纳米结构的研究进行综述。

1 pH敏感纳米结构响应机制

pH敏感纳米结构的设计可以基于以下3种不同机制：①引入可质子化的基团;②引入酸不稳定键;③pH敏感性“聚乙二醇（PEG）脱离”。见图1。

1.1 引入可质子化基团

质子化是实现pH触发的药物释放最常用的机制之一。在这一机制中，将利用到含有离子基团的pH敏感聚合物作为生物材料来构建纳米载体，它既可以是单体，在肿瘤pH周围具有pKa值，也可以是与现有聚合物具有类似pKa值的小分子连接[6-7]。聚合物的pKa值可以作为一个重要的指标来反映聚合物在不同pH水平下的电离行为。其pH反应是由分子水平上可电离基团的可逆质子化和去质子化引起的[8]。一般来说，可电离聚合物的电离行为有两种类型：阴离子聚合物在相对较低的pH值下接受质子，阳离子聚合物在相对较高的pH值下释放质子。

1.1.1 阴离子pH敏感聚合物  Ravazzolo等[9]开发了用于肿瘤靶向的含磺胺二甲氧嘧啶的聚合物。其中磺胺二甲氧嘧啶这类低聚磺胺类化合物是一种抗菌性药物，与砜基连接的胺基所带来的pH敏感性使它在生理pH值下带负电荷，呈去质子化，可与多聚物形成络合物，该复合物可以保护聚阳离子不被非选择性靶向[10]。当pH值下降时，阴离子聚合物接受质子，pH敏感块由阴离子变为中性，聚合物和阳离子之间不存在离子相互作用，聚合物释放阳离子，继而释放药物。因此，低聚磺胺类化合物是一种很有前途的屏蔽阳离子的载体，可用于肿瘤靶向。低聚磺胺类化合物还可与琥珀酸普鲁兰酯（PA）偶联，在水介质中形成自组装的PA/SDM水凝胶纳米粒。添加抗癌药物后，与pH 7.4时比较，在pH 6.4～6.8时，体系稳定性下降，药物的释放速度更快[11]。

1.1.2 陽离子pH敏感聚合物  Chiang等[12]合成了带有叔胺基团的pH敏感脂质体，发现脂质体在pH 7.4下稳定，在pH 6.8或更低时，与不含叔胺基团的脂质体比较，pH敏感脂质体药物释放的速率更快，细胞摄取的更多，具备pH敏感性，达到了抑制肿瘤生长的目的。pH值的降低导致阳离子聚合物接受质子，pH敏感块由中性变为阳离子。聚合物的可电离叔胺基团，其在生理pH值下不带电，形成疏水核，可携带疏水药物分子，在生理pH下也更稳定[13]。随着pH值降低，pH敏感基团逐渐质子化，导致亲脂性至亲水性相转变，纳米结构表面形成通道和裂缝，稳定性降低。当pH值达到6.4，纳米结构发生急剧转变，随着纳米结构的破坏，携带的药物分子也被释放出来。因此，在肿瘤pH下，细胞对释放药物的摄取也更大[14]。

1.2 引入酸不稳定键

Sun等[15]合成了一种通过酸不稳定键连接药物与金纳米粒子的pH敏感纳米结构，体内研究证实酸不稳定键裂解促进细胞内药物释放到癌症干细胞。由于肿瘤微环境与正常生理环境相比呈酸性，含有酸不稳定键的聚合物可以通过降解来响应pH的变化。这个“智能”系统与其他系统的主要区别在于，纳米结构与肿瘤pH下不稳定的化学键结合，体系的稳定性取决于酸不稳定键在不同pH值中的裂解程度，酸不稳定键在中性或碱性的pH值下不裂解，而当pH值下降时，体系不稳定，酸不稳定键裂解，药物释放或者靶向配体暴露[16]。具有酸不稳定键的聚合物被广泛应用于设计抗癌药物传递系统，腙键是目前研究最多的酸不稳定键之一，含腙键类化合物具有合成简单、灵敏度适中等优点。研究较多的还有硼酸酯类化合物，硼酸酯是由硼酸和醇形成的，在中性或碱性的pH值下稳定，在低pH值的环境中容易分解为硼酸和醇基团。见表1。

1.3 基于质子化和酸不稳定键裂解的PEG分离

pH靶向各种实体肿瘤的方法不仅包括直接触发药物释放，还有通过屏蔽/脱粘机制暴露靶向配体来进行药物释放。由于肿瘤细胞表面受体数量的增加，配体偶联的纳米颗粒可以通过促进受体内吞来增强肿瘤细胞的摄取。然而，上调受体的种类和数量在肿瘤细胞中并不一致[20]。实现配体和受体结合，1种通用的方案是结合阳离子细胞穿透肽，如人类免疫缺陷病毒1（HIV-1）的反式激活转录激活剂（TAT），细胞穿透肽最大的缺点是非选择性，因此，选择用较长的PEG进行修饰。在pH 7.4下，PEG修饰的聚合物带负电荷，与TAT分子发生静电相互作用。然而，这种聚合物上的电荷密度会随着pH值的降低而降低，当pH值低于6.8时，由于静电相互作用减弱，TAT与聚合物分离[21]。有学者[22]将磺酰胺与PEI结合，合成了用于肿瘤特异性基因递送的结构。同理，当PEG链通过酸不稳定键连接到纳米结构上时，在生理pH值下，较长的PEG链可以直接屏蔽与纳米系统化学连接的配体。Zhang等[23]利用肿瘤酸性环境构建了pH敏感性脂质体药物递送系统，其表面修饰了具有细胞穿透活性的R8肽（通过PEG 2000与脂质体相连），以及通过腙键与脂质体连接的PEG 5000（图2）。

这些pH响应聚合物可以在不丧失pH敏感性的情况下与PEG结合，可应用于在多层纳米颗粒中形成可脱pH层，该体内屏蔽/脱粘纳米系统已被证明对各种实体瘤有效，是理想的肿瘤pH靶向技术。

图2   阳离子配体在健康组织和肿瘤微环境（pH=6.0）的屏蔽示意图

2 其他pH敏感纳米结构

合成了表面活性剂壳聚糖-聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAAm），并以壳聚糖为壳层，以PNIPAAm为核心组装了纳米粒子。当壳聚糖和PNIPAAm以4∶1（w/w）组合时，灵敏度最佳。将药物载入纳米颗粒，进行药物释放测试，在pH 6.8，温度37°C时释放效率最高，但在pH值6.5以下或高于pH值6.9时释放减少。pH 6.8时的细胞毒性也明显高于pH 7.4时。其释放机制仍在研究中，但认为其释放是壳聚糖壳层膨胀和PNIPAAm核缩小共同作用的结果。PNIPAAm还广泛应用于温度敏感系统中，为实现温度和pH双靶向提供了可能[24]。

3 结论与展望

pH敏感生物材料通过各种机制，在这些纳米载体中产生构象变化，促进肿瘤细胞的摄取或药物释放。然而，与肿瘤受体靶向比较，真正针对肿瘤pH敏感纳米系统的研究仍然是有限的，期望本文综述的关于pH敏感纳米结构在肿瘤治疗中的研究信息，可以进一步预测药物的释放以及纳米系统在细胞的内化情况，更好地服务于临床。总之，在靶向肿瘤细胞领域仍有广阔的研究空间，随着研究的深入，治疗技术的更新，pH敏感纳米结构有望在癌症治疗中发挥重要作用。

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（收稿日期：2019-09-06  本文編辑：顾家毓）