摘要: 樹狀大分子是近年來蓬勃發(fā)展的一類新型高分子材料, 其表面存在大量的官能團, 分子內部存在空腔且分子尺寸可控, 因此, 樹狀大分子已被廣泛應用于眾多的領域. 肽類樹狀大分子是指在樹狀大分子結構中含有肽鍵的一類大分子, 因其具有類似蛋白質一樣的球狀結構, 且具有優(yōu)異的水溶性、生物相容性、生物降解性和細胞低毒性等特點, 所以, 肽類樹狀大分子可以作為藥物傳輸?shù)妮d體. 此外, 肽類樹狀大分子的疏水空腔可以裝載疏水性藥物, 對其起到增溶和緩釋作用. 綜述了肽類樹狀大分子的合成方法, 并對其與藥物分子的結合機制及其在藥物傳輸系統(tǒng)中的應用進行了總結與展望.
樹狀大分子是一類新型的人工合成高分子材料, 1985 年美國密歇根化學研究所的 Tomalia 博士等[1]研發(fā)的聚酰胺-胺樹狀大分子(PAMAM)和南佛羅里達大學的 Newkome 教授等[2]同時研發(fā)的“樹脂醇”系統(tǒng)首先受到了人們的青睞, 從而開啟了人們對樹狀大分子的研究. 樹狀大分子呈現(xiàn)球狀或橢圓狀結構, 它由中心內核、重復的分支和表面官能團構成[3], 它的分子結構類似樹狀, 具有納米尺度、高度支化、三維結構[4,5], 另外它的結構和分子尺寸大小具有良好的精確可控性, 可使其內部形成一定的疏水空間, 并且其表層結構具有一定的親水性[6,7]. 這些特點都為樹狀大分子作為藥物載體提供了優(yōu)良的條件. 此外, 樹狀大分子通過外圍連接帶有光物理或光化學活性的官能團可以構建光功能樹枝形聚合物[8,9].
樹狀大分子按合成原料可以分為很多的種類[10～12], 肽類樹狀大分子是指分子結構中含有肽鍵的一類樹枝狀大分子, 它以天然的氨基酸為主要原料, 合成具有無毒、可降解、可生物相容的樹狀大分子[13,14], 近年來這類大分子備受關注, 已經(jīng)發(fā)展成為一種重要的生物醫(yī)用高分子材料. 隨著對肽類樹狀大分子廣泛研究, 它的應用也越來越被重視, 它可以被應用于疾病的診斷、核磁共振成像分子探針、CT 分子探針、熒光探針、藥物和基因的傳輸?shù)雀鱾�方面[15,16], 其中作為藥物載體的傳輸系統(tǒng)是最主要的應用之一. 通過國內外文獻查閱, 很少有肽類樹狀大分子關于合成原料的分類及其在藥物傳輸系統(tǒng)中具體應用的綜述報道. 本文從肽類樹狀大分子的合成出發(fā), 然后介紹了肽類樹狀大分子作為藥物傳輸系統(tǒng)與藥物的結合方式和應用, 最后討論了肽類樹狀大分子作為藥物傳輸系統(tǒng)所存在的問題及發(fā)展前景.
2 肽類樹狀大分子的合成
2.1 肽類樹狀大分子的合成方法
肽類樹狀大分子從合成方法上可分為固相合成法、液相合成法和“Click reaction”合成法.
2.1.1 固相法
肽類固相合成法是通過在固相載體上逐個添加氨基酸以合成所需的目標肽類的方法[17], 它是以 Boc 或Fmoc 保護的氨基酸進行重復的偶聯(lián)-脫保護的反應, 1964 年, 由 Merrifield[18]首次提出, 一般用于低代數(shù)的肽類樹狀大分子的合成[19]. 隨著近年來的發(fā)展, 許多肽類樹狀大分子都可以通過固相合成法合成. Laia 等[20]以螺旋的聚脯氨酸和順式-脯氨酸作為分支單元, 通過固相法合成了順式-4-氨基-L-脯氨酸(Amp)為支化單元的肽類樹狀大分子(圖 1), 這種樹狀大分子在水中呈現(xiàn)左旋結構, 在有機溶劑中呈現(xiàn)右旋結構, 因此它可以在有機溶劑中載藥從而在水溶液中釋放. Kitamatsu 等[21]通過固相合成法合成了一種帶有熒光基團的水溶性肽類樹狀大分子, 數(shù)據(jù)表明熒光基團在樹狀大分子的內部, 而羧基位于樹狀大分子的外部, 這種大分子可以在水溶液中作為熒光探針使用.
2.1.2 液相法
液相合成法是利用可溶性的聚合物作為反應載體, 通過單個 N-α 保護氨基酸反復加到生長的氨基成份上, 一步步地進行合成[22], 一般用于合成高代數(shù)的肽類樹枝狀大分子, 是近幾年使用最多的一種方法, 1981 年由Denkewalter 等[23]最早使用. Feng 等[24]通過液相合成法制得一種功能化的 Janus 樹狀大分子, 這種方法不需要色譜柱分離, 可以直接通過沉降的方式分離產物, 這種液相有機合成方法成功完成了鈀催化 Suzuki 偶聯(lián)反應, 通過結晶取得了很好的產率. Joon 等[25]通過液相法合成了具有啞鈴結構的聚賴氨酸-聚乙烯醇-聚賴氨酸三嵌段四代樹狀大分子(圖 2), 這種大分子外部具有大量的正電荷, 可以攜帶具有負電荷的藥物, 可用于藥物的傳輸.
2.1.3 “Click reaction”合成法
“Click chemistry”(點擊化學)合成法是由諾貝爾化學獎獲得者 Sharpless 等在 2001 年提出的, 一般分為四種類型: (1)端炔基與疊氮的環(huán)加成反應; (2)環(huán)炔基與疊氮的環(huán)加成反應; (3)非醇醛羰基化合物的縮合反應; (4)巰基與碳碳多鍵的加成反應[26]. 因其具有產率高、反應條件簡單、反應產物易于分離等特點, 是近幾年興起的一種合成方法[27,28]. Dirk 等[29]在微波輔助的條件下通過“Click reaction”合成了多種肽類樹狀大分子. Yim 等[30]將具有腫瘤靶向功能的環(huán)肽通過“Click reaction”合成法偶聯(lián)到樹枝狀大分子上, 成功制備出了具有很強的親和力的肽類樹狀大分子. Gu 等[31]通過“Click reaction”合成了以籠狀半倍硅氧烷為核心的聚賴氨酸樹狀大分子(圖3), 這類大分子呈現(xiàn)多面體結構, 可以作為載體進行藥物的傳輸. 另外, Gu 等[32～34]也通過“Click reaction”反應將 PEG 連接到肽類樹狀大分子上, 不僅增加了分子的重量和細胞相容性, 而且降低了樹狀大分子的毒性.
2.1.4 交聯(lián)合成法
近年來, 交聯(lián)合成法制備生物大分子在生物醫(yī)學上有很多應用[35]. 交聯(lián)合成法是通過交聯(lián)的方法將肽類組裝成樹狀大分子結構的一種方法[36]. Li 等[37]通過交聯(lián)合成法制備了一代具有二硫化物連接器的肽類樹狀大分子, 通過二硫鍵將 DNA 捆綁在樹狀大分子上, 在細胞的還原環(huán)境中可以釋放 DNA, 這種肽類樹狀大分子可用于基因傳輸?shù)妮d體.
2.2 肽類樹狀大分子的合成策略
肽類樹狀大分子從合成策略上可以分為發(fā)散式(由內向外)、收斂式(由外向內)和發(fā)散收斂結合式三種.
2.2.1 發(fā)散式
發(fā)散式是由官能團核心向外發(fā)散輻射生長的方法, 由Vögtle等[38]首先提出, 它的優(yōu)點是隨著反應代數(shù)的增加, 反應活性官能團的數(shù)量增加, 能夠合成高代數(shù)的樹狀大分子, 但其缺點是如果末端官能團間不能夠完全反應, 下一代的產物將會產生缺陷. Lin 等[39]通過發(fā)散式合成了 PDL-C4 為核心的聚賴氨酸樹狀大分子, 這種獨特的空間結構可以用于藥物的傳輸和控制釋放.
2.2.2 收斂式
收斂式是指從鏈末端開始, 形成樹狀單元, 再連接到核心, 由 Frechet 等[40]首先提出, 它的優(yōu)點是減少了大量試劑的使用, 降低了因為反應不完全而產生缺陷的概率, 然而其缺點是隨著反應代數(shù)的增加, 反應官能活性變小, 反應收率降低[41]. Gu 等[42]通過收斂式合成了三代聚賴氨酸樹狀大分子和三代聚谷氨酸樹狀大分子(圖4), 然后將功能化的磁性納米粒子接到樹狀大分子上, 分別考察了它們在水中的穩(wěn)定性和分散性, 測定了合成大分子的粒徑, 結果表明: 粒徑較小、穩(wěn)定性較好. 因為這種大分子帶有一定的磁性, 所以可以作為載體進行藥物傳輸.
2.2.3 發(fā)散收斂結合式
發(fā)散收斂結合式將發(fā)散式和收斂式的優(yōu)點綜合起來, 使其最終產物的產率得到提高, 分子缺陷相對減少, 從而使分離變得更簡單, 這種方式是近年來發(fā)展比較快的一種方式[43]. Olga 等[44]通過發(fā)散收斂結合式合成了以聚谷氨酸為外圍結構的肽類樹狀大分子(圖 5).
2.3 肽類樹狀大分子的主要合成原料
肽類樹狀大分子是指含有肽鍵的一類大分子, 按合成的主要原料可分為聚賴氨酸樹狀大分子、聚谷氨酸樹狀大分子、聚脯氨酸樹狀大分子等.
2.3.1 聚賴氨酸樹狀大分子
聚賴氨酸樹狀大分子是以賴氨酸為主要原料合成的肽類樹狀大分子, 這是近年來研究最多的一類肽類樹狀大分子. Dykes 等[45]以賴氨酸為原料合成了四代的樹狀大分子, 合成產物產率高, 易于分離. Al-Jamal 等[46]報道了一種負載阿霉素的陽離子六代聚賴氨酸樹狀大分子, 研究結果表明, 這種藥物可以延緩腫瘤細胞的增長. Li 等[47]合成了一種新的三代纖維二糖為墊環(huán)的聚賴氨酸樹狀大分子(圖 6), 纖維二糖的引入增加了樹狀大分子的靈活性和成簇性能.
2.3.2 聚谷氨酸樹狀大分子
近年來, 不少文獻報道了以谷氨酸為原料合成聚谷氨酸肽類樹狀大分子. Gu 等[48]合成了一種低聚多面倍半硅氧烷為核心的聚谷氨酸樹狀大分子(圖 7), 將維生素 B2 連接到樹狀大分子上從而具有靶向性, 通過腙鍵將阿霉素連接到樹狀大分子上使其具有 pH 敏感性. Gu等[49]通過體外和體內實驗證明了這類樹狀大分子有抑制腫瘤細胞的性能, 因此可以用于治療癌變細胞.
2.3.3 聚脯氨酸樹狀大分子
由于聚脯氨酸具有兩種螺旋結構, 在有機溶液中呈現(xiàn)右螺旋結構, 在水溶液中呈現(xiàn)左螺旋結構, 從而這類樹狀大分子可以作為功能性載體傳輸藥物. Glòria 等[50]通過固相法合成了亞精胺和環(huán)狀的 Lys-Lys 為核的聚脯氨酸樹狀大分子, 構象研究表明, 在水中, 寡聚的聚脯氨酸鏈呈左旋結構, 少量較長的聚脯氨酸鏈呈右旋結構. Torres 等[51]通過一種新的控制方法合成了脯氨酸為核心的低聚乙二醇與低聚脯氨酸共聚的樹狀大分子, 這種方法僅用兩步反應完成且純化簡單.
3 肽類樹狀大分子與藥物的作用機制及其應用
3.1 肽類樹狀大分子與藥物的作用機制
3.1.1 簡單包裹
簡單的包裹是指藥物通過物理作用包裹在肽類樹狀大分子中, 藥物通過環(huán)境條件(pH, 溫度等)的變化而釋放或者通過擴散釋放[52]. He 等[53]合成了一種帶有RGD 靶向功能的五代肽類樹狀大分子(圖 8), 通過簡單的包裹將阿霉素包到樹狀大分子中, 結果表明這類大分子可以用于靶向治療不同類型的癌細胞.
3.1.2 靜電作用
靜電作用的結合是指各種功能團(例如氨基或羧基)通過靜電的作用與藥物結合, 藥物通過中和電荷進行釋放[54]. Boas等[55]通過脲和硫脲修飾樹狀大分子對甘氨酸小分子進行包裹, 發(fā)現(xiàn)樹狀大分子和甘氨酸小分子之間有離子鍵存在, 離子鍵將小分子吸引到大分子的內部空腔中. 然后他們又將甘氨酸相似的短肽與樹狀大分子相互作用, 發(fā)現(xiàn)樹狀分子可以包裹多種肽類小分子, 通過調節(jié) pH 可以使肽類小分子釋放出來, 說明這種樹狀大分子能夠作為傳輸肽類小分子藥物的載體.
3.1.3 共價結合
共價鍵方式的結合是指藥物通過共價鍵連接到肽類樹狀大分子上, 然后通過體內的酶催化降解連接鍵釋放藥物或者通過一些環(huán)境敏感性化學鍵的斷裂釋放[56]. Tyssen 等[57]將萘二磺酸鈉通過 pH 敏感的酰胺鍵接枝到四代的聚賴氨酸樹狀大分子上(圖 9), 通過樹狀大分子攜帶萘二磺酸可以治療艾滋病等病毒. Fox 等[58]將抗癌藥物喜樹堿通過共價鍵連接到賴氨酸肽類樹狀大分子上, 提高了藥物的溶解性、循環(huán)時間和腫瘤的吸收率.
3.2 肽類樹狀大分子在藥物傳輸系統(tǒng)中的應用
由于肽類樹狀大分子具有生物可降解性、生物相容性、細胞低毒性和大量的外圍官能團等特點, 它不僅可以直接作為抗腫瘤藥物應用于腫瘤的抑制[59,60], 而且可以作為藥物傳輸系統(tǒng)負載各類藥物. 作為藥物傳輸系統(tǒng)主要有以下幾個方面的應用.
3.2.1 抗癌細胞中的應用
(1)負載阿霉素在抗癌細胞中的應用
Gu 等[61]制備了一種聚乙二醇肽類樹狀大分子, 通過多肽縮合劑將阿霉素連接到大分子上, 經(jīng)過自組裝將阿霉素包裹到大分子內部. 結果表明, 這類帶有阿霉素的大分子可以殺死乳腺癌細胞并對其它器官組織沒有毒性, 因此這種大分子藥物可以用于治療乳腺癌, 然而這種連接只是通過自組裝包裹, 不具有靶向作用和控制釋放. Kaminskas 等[62]制備了帶有 PEG 鏈段的聚賴氨酸樹狀大分子(圖 10), 通過帶有 pH 敏感腙鍵的 HSBA 將阿霉素連接到樹狀大分子上, 在癌細胞部位的酸性條件下, 腙鍵斷裂釋放出阿霉素, 從而可以殺傷癌細胞, 但是這種連接方式使得阿霉素的載藥量較低.
(2)負載甲氨蝶呤在抗癌細胞中的應用
Kaminskas 等[63]合成了三到五代的聚乙二醇化聚谷氨酸樹狀大分子, 小鼠實驗表明: 負載甲氨蝶呤后增加了血漿的清除性能; 增加樹狀大分子的代數(shù), 降低了血漿的清除性能但提高了大分子的穩(wěn)定性能; 通過組織分布研究, 三代和四代樹狀大分子分布在腎臟中, 五代的樹狀大分子分布在肝臟中, 然而由于樹狀大分子連接很短的聚乙二醇鏈段, 甲氨蝶呤對葉酸的捆綁作用較弱. Kaminskas 等[64]也制備了連有聚乙二醇的五代聚賴氨酸樹狀大分子, 然后將甲氨蝶呤連接到樹狀大分子上, 研究發(fā)現(xiàn)甲氨蝶呤上的羧基被保護時, 延長了樹狀大分子的半衰期, 其仍然具有一定的抗癌活性, 這對抗癌的緩釋作用有重要的意義, 但是其抗癌活性較低.
(3)負載葉酸在抗癌細胞中的應用
Jain 等[65]首先合成了五代的聚賴氨酸樹狀大分子, 然后將帶有 Boc 保護的葉酸通過酰胺鍵連接到樹狀大分子上, 最后脫去 Boc, 得到葉酸連接的聚賴氨酸樹狀大分子(圖 11). 因為葉酸具有抗癌的性質且具有靶向性, 當這種大分子到達癌細胞部位時酰胺鍵斷裂從而釋放葉酸, 通過負載阿霉素, 結果表明這種大分子具有良好的抗癌性能, 然而由于空間位阻的原因, 這種連接葉酸的聚賴氨酸樹狀大分子合成產率較低.
3.2.2 抗瘧疾中的應用
Bhadra 等[66]通過五代的 PEG 相連的聚賴氨酸樹狀大分子負載磷酸氯喹(圖 12), 然后研究了磷酸氯喹的穩(wěn)定性和釋放性能, 結果表明, 這種藥物可以用于抗瘧疾藥物. Agrawal 等[67]合成了四代的聚賴氨酸樹狀大分子, 通過半乳糖包裹樹狀大分子, 再進行負載磷酸氯喹, 研究表明包裹半乳糖后降低了樹狀大分子的血溶毒性, 以便更安全的釋放磷酸氯喹用于瘧疾的治療. 然而這兩種負載僅僅是簡單的物理包裹, 在血液的流動過程中會有磷酸氯喹藥物的釋放.
4 結論與展望
由于肽類樹狀大分子富有蛋白質的一些性質, 因此近年來作為藥物載體成為研究的熱點. 目前研究的肽類樹狀大分子主要集中在多功能化, 通過多功能化賦予其更多的性能, 從而在實際臨床中得到應用. 然而, 肽類樹狀大分子的研究方面還存在如下問題: (1)高度規(guī)整性的單分散性肽類樹狀大分子可控制備難度大; (2)高代數(shù)的肽類樹枝狀大分子由于空間位阻大, 容易產生缺陷, 因此提純分離困難; (3)肽類樹狀大分子的合成成本太高, 從而限制了大規(guī)模使用; (4)肽類樹狀大分子對正常細胞的毒性需進一步探究. 隨著合成技術的不斷提高和合成成本的不斷降低, 肽類樹狀大分子將在藥物傳輸系統(tǒng)乃至整個生物醫(yī)學領域中得到更廣泛的應用, 它作為一種新的具有特殊結構的高分子材料將給臨床應用提供更多的治療方法.
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