摘要 樹(shù)枝狀化合物是一類(lèi)具有規(guī)整結(jié)構(gòu)和單分散性的大分子化合物,具有不同于普通高分子化合物的獨(dú)特理化性質(zhì),廣泛地應(yīng)用在材料、催化以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中.簡(jiǎn)要綜述了樹(shù)枝狀化合物作為藥物載體及其在抗病毒、抗腫瘤以及多肽和糖模擬物等領(lǐng)域的研究進(jìn)展.
樹(shù)枝狀化合物是一類(lèi)具有高度分支結(jié)構(gòu)和良好單分散性的大分子化合物,其分子的體積、形狀和功能都可以精確控制[1].樹(shù)枝狀化合物的合成研究開(kāi)始于1978年Vögtle的工作[2],但較受關(guān)注和研究的是隨后幾年Tomalia[3]提出的PAMAM型樹(shù)枝狀化合物和Newkome[4]發(fā)展起來(lái)的“arborolsystem”.其共同特點(diǎn)是采用“發(fā)散法”合成.Fréchet[5]首先在樹(shù)枝狀化合物的合成中應(yīng)用了“收斂法”,這兩種方法是合成樹(shù)枝狀化合物中最常用的方法.近年來(lái),樹(shù)枝狀化合物的研究主要集中在將功能化的組分連接到樹(shù)枝狀化合物的骨架上,以期獲得具有獨(dú)特性質(zhì)的新化合物,在液晶材料[6]、主客體化學(xué)[7]、生物分子模擬物[8]、催化劑[9]、藥物與基因載體、免疫診斷試劑[10]等方面有廣闊的應(yīng)用前景.
1 作為載體的樹(shù)枝狀化合物
樹(shù)枝狀化合物的高度分支結(jié)構(gòu)和單分散性為發(fā)展一類(lèi)更為有效的藥物載體提供了可能.普通的高分子藥物載體通常有兩種形式:一種是將藥物連接在高分子載體外周,通過(guò)物理或化學(xué)方法使藥物分子從載體上脫落下來(lái);另一種方法是用高分子載體將藥物包裹起來(lái),通過(guò)化學(xué)或物理方法破壞載體從而使藥物釋放出來(lái).樹(shù)枝狀化合物作為藥物載體的優(yōu)勢(shì)在于分子的單分散性使其藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、可重現(xiàn);并且由于其末端基團(tuán)的可變性,通過(guò)改變分子末端基團(tuán)的種類(lèi)和數(shù)量就可以調(diào)節(jié)分子的溶解性和載藥量;與藥物通過(guò)共價(jià)鍵連接也保證了藥物通常不會(huì)因物理因素(如pH值的改變)而從載體上脫落下來(lái)[11]
理想的樹(shù)枝狀藥物載體應(yīng)當(dāng)是無(wú)毒、無(wú)免疫原性、可體內(nèi)降解、并具有良好的體內(nèi)分布性和組織靶向性[12].Malik 等[13]對(duì)幾類(lèi)常見(jiàn)的樹(shù)枝狀化合物的淋巴毒性和體外細(xì)胞毒性進(jìn)行了研究, 包括 PAMAM(聚酰胺胺)、DAB(以1,4-丁二胺為核心的聚丙烯亞胺)、DAE(以乙二胺為核心的聚丙烯亞胺)、CSi-PEO(碳硅烷-聚乙二醇)型樹(shù)枝狀化合物, 結(jié)果顯示陽(yáng)離子型樹(shù)枝狀化合物具有一定的細(xì)胞毒性, 而其對(duì)淋巴的影響與其結(jié)構(gòu)相關(guān).PAMAM型樹(shù)枝狀化合物的毒性較小, 但對(duì)淋巴的影響隨代數(shù)上升而增大. 令人感興趣的是, CSi-PEO 型樹(shù)枝狀化合物的淋巴毒性比PAMAM 型樹(shù)枝狀化合物的毒性還要小. 使用125I標(biāo)記的PAMAM型樹(shù)枝狀化合物研究了其在Wistar大鼠體內(nèi)的分布, 結(jié)果顯示陽(yáng)離子型樹(shù)枝狀化合物很快就被清除, 而陰離子型樹(shù)枝狀化合物的血漿清除速率較慢, 研究同時(shí)顯示隨著樹(shù)枝狀化合物代數(shù)的增加血漿清除速率也隨之上升.
1988年Tam等[14]首先提出了以聚賴(lài)氨酸為骨架的樹(shù)枝狀化合物, 由于使用了天然氨基酸為骨架, 其生物相容性較好. 此后以谷氨酸[15]、脯氨酸[16]、丙氨酸[17]等氨基酸為骨架的樹(shù)枝狀化合物也陸續(xù)被合成出來(lái).
2 樹(shù)枝狀化合物作為藥物載體的應(yīng)用
2.1 樹(shù)枝狀化合物作為抗病毒藥物的載體
第一類(lèi)用于抗病毒研究的是樹(shù)枝狀聚陰離子化合物[18], 研究表明, 聚陰離子型樹(shù)枝狀化合物和傳統(tǒng)的高分子聚陰離子化合物均顯示一定的抗病毒活性[19]. 由于高分子聚陰離子化合物難以通過(guò)合成途徑得到均一分子量的產(chǎn)物, 因此研究這樣一種由不同分子量的高分子化合物組成的混合物的構(gòu)效關(guān)系是相當(dāng)困難的. 而樹(shù)枝 狀聚陰離子化合物具有單分散性, 由于其分子結(jié)構(gòu)精確、規(guī)整, 研究其結(jié)構(gòu)與活性的相關(guān)關(guān)系也相對(duì)容易. 根據(jù) 這種思想,Withrouw等[20]合成了以PAMAM為載體的樹(shù) 枝狀聚陰離子化合物(圖1), 其抗HIV病毒活性?xún)?yōu)于右旋 糖酐硫酸鹽, 進(jìn)一步的藥理與構(gòu)效關(guān)系研究表明: (1)在 已經(jīng)合成的樹(shù)枝狀聚陰離子化合物中, 隨著樹(shù)枝狀化合 物分子量和代數(shù)的增加, 其對(duì)HIV 病毒的抑制作用增 強(qiáng); (2)在位于分子表面的陰離子基團(tuán)中, 萘二磺酸表現(xiàn) 出了最強(qiáng)的活性; (3)使用酰胺鍵連接的樹(shù)枝狀化合物穩(wěn) 定性較高.
基于以上構(gòu)效關(guān)系, Matthews 等[21]合成了 1-(羧甲氧基)-萘-3,6-二磺酸作為表面基團(tuán), 以PAMAM、聚賴(lài)氨酸和PPI型樹(shù)枝狀化合物為載體的化合物, 生物活性實(shí)驗(yàn)表明其抗HIV活性IC50均在1μg/mL左右. 雖然不同載體的化合物表現(xiàn)出了相似的生物學(xué)活性, 但由于PPI在合成中使用了鈷鹽, 而PAMAM在合成中使用的Micheal 加成反應(yīng)在合成高代樹(shù)枝狀化合物時(shí)可能產(chǎn)生有瑕疵的化合物, 因此最終選擇了生物相容性較好的以聚賴(lài)氨酸為核心的化合物 SPL7013(圖2), 進(jìn)一步的研究表明, SPL7013 與Vivagel合用對(duì)SHIV 的預(yù)防率為100%(圖3)[22], 目前, 該化合物已經(jīng)在FDA注冊(cè), 正在進(jìn)行臨床前實(shí)驗(yàn).
2.2 樹(shù)枝狀化合物作為抗菌藥物的載體
具有抗菌活性的樹(shù)枝狀化合物表面通常帶有帶正電荷的氨基或季銨鹽(圖4)[23]. 該類(lèi)化合物的作用模式通常是粘附并破壞細(xì)菌帶負(fù)電荷的細(xì)胞膜并導(dǎo)致細(xì)菌死亡. 表面用季銨鹽修飾的PPI型樹(shù)枝狀化合物對(duì)革氏陽(yáng)性和陰性菌都有很強(qiáng)的抑制作用[23]. 表面用甘露糖修飾的聚賴(lài)氨酸樹(shù)枝狀化合物能抑制大腸桿菌粘附到馬血紅細(xì)胞的過(guò)程, 有進(jìn)一步開(kāi)發(fā)成為新型抗菌藥物的潛力[24].
2.3 樹(shù)枝狀化合物作為抗腫瘤藥物的載體
最初將樹(shù)枝狀化合物作為腫瘤靶向載體的研究表明,PAMAM型樹(shù)枝狀化合物與鉑離子的絡(luò)合物可以選擇性提高皮下腫瘤組織中的鉑離子濃度.1999年Fréchet等[25]合成了以醚鍵延伸的含葉酸和甲氨喋呤的(MTX)的腫瘤靶向性樹(shù)枝狀化合物.將樹(shù)枝狀化合物的肼基與葉酸或甲氨喋呤的γ-羧基結(jié)合,化合物對(duì)葉酸受體的親和性良好,并且在生理pH條件下的磷酸鹽緩沖溶液中有良好的溶解度.Thomas等[26]合成了以PAMAM為核心的含葉酸、甲氨喋呤和熒光素的樹(shù)枝狀化合物(圖5),并測(cè)定了其體外生物活性.結(jié)果表明化合物對(duì)高葉酸受體表達(dá)的細(xì)胞有明顯的親合作用.Zhou等[27]合成了含5-氟尿嘧啶和PAMAM型樹(shù)枝狀化合物結(jié)合的化合物(圖6),并研究了其體外釋放曲線(xiàn).5-氟尿嘧啶具有較強(qiáng)的抗腫瘤活性,但是其對(duì)細(xì)胞的毒性也較大,限制了它在腫瘤治療中的應(yīng)用.將第四代和第五代樹(shù)枝狀化合物與5-氟尿嘧啶結(jié)合后,發(fā)揮了緩釋作用,但化合物的毒性和樹(shù)枝狀化合物載體的作用機(jī)制尚待研究.Sun等[28]合成了將樹(shù)枝狀化合物與氮芥結(jié)合的化合物,并計(jì)劃將該化合物與單克隆抗體ScFvs結(jié)合,利用單克隆抗體的靶向性和氮芥的細(xì)胞毒作用實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的選擇性殺傷.
樹(shù)枝狀化合物在腫瘤治療中的另一個(gè)重要應(yīng)用是硼中子捕獲治療. 硼中子捕獲治療的基本原理是基于穩(wěn)定同位素10B與熱中子的核反應(yīng), 可產(chǎn)生4He和7Li＋, 由于裂變產(chǎn)生的高能離子在組織中的運(yùn)動(dòng)范圍與單個(gè)細(xì)胞的大小大致相當(dāng), 因此將 10B 定位于某個(gè)細(xì)胞, 就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)該細(xì)胞的選擇性殺傷. 最早在 1994 年就有報(bào)道[29]將十硼烷(B10H14)與全碳?xì)淠z束樹(shù)枝狀化合物連接,硼烷位于分子內(nèi)部, 分子表面為磺酸基, 整個(gè)分子具有良好的水溶性.
研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)高級(jí)神經(jīng)膠質(zhì)瘤表現(xiàn)出表皮生長(zhǎng)受體表達(dá)增加, 因此Qualmann 等[30]將十硼烷與樹(shù)枝狀化合物連接, 再將該樹(shù)枝狀化合物與表皮生長(zhǎng)因子(EGF)結(jié)合(圖7), 體外試驗(yàn)表明該化合物先結(jié)合到細(xì)胞表面, 再被細(xì)胞攝入并導(dǎo)入溶酶體中.
杜宇國(guó)等[31] 合成了含寡聚氨基葡萄糖的樹(shù)枝狀化 合物(圖 8), 并進(jìn)行了體外抗腫瘤活性測(cè)試, 結(jié)果顯示樹(shù) 枝狀寡糖化合物具有一定的抗腫瘤活性.
2.4 樹(shù)枝狀化合物作為生物活性多肽的載體
許多多肽化合物具有生物活性和治療作用, 它們?cè)隗w內(nèi)許多組織器官和生理過(guò)程中發(fā)揮重要作用. 如: 中樞神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、哮喘、過(guò)敏、離子轉(zhuǎn)運(yùn)等. 多肽化合物的另一個(gè)特點(diǎn)是能被特定細(xì)胞攝取, 從而在藥物轉(zhuǎn)運(yùn)上有潛在的應(yīng)用前景[32]. 但是由于體內(nèi)蛋白酶的作用, 其體內(nèi)穩(wěn)定性較差, 這就大大限制了其作為藥物的應(yīng)用. 由于樹(shù)枝狀化合物具有類(lèi)似于蛋白質(zhì)的三維球狀結(jié)構(gòu), 因此將多肽與樹(shù)枝狀載體連結(jié)得到的樹(shù)枝狀多肽化合物具有以下特點(diǎn): (1)分子具有類(lèi)似蛋白質(zhì)的球狀結(jié)構(gòu), 使其能作為受體模擬物與一些配體結(jié)合; (2)分子具有多共價(jià)結(jié)構(gòu), 使其能同時(shí)與兩個(gè)或多個(gè)分子相互作用, 增強(qiáng)了生物活性; (3)由于多肽是內(nèi)源性物質(zhì), 整個(gè)分子的潛在毒性較小; (4)分子具有較好的水溶性, 這對(duì)于改善大分子化合物的藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)有重要作用; (5)由于樹(shù)枝狀多肽的分子表面分布有多個(gè)肽鏈, 降低了其水解速率, 增強(qiáng)了其體內(nèi)穩(wěn)定性.
在樹(shù)枝狀多肽領(lǐng)域, 目前受關(guān)注和研究最多的是 1988 年 Tam[33]首先提出的多抗原多肽(multiple antigen peptide, MAP). 傳統(tǒng)的抗原多肽出于誘導(dǎo)免疫反應(yīng)的目 的, 需要接在一個(gè)比較大的多肽或蛋白質(zhì)之上. 但這種 免疫原抗原決定簇密度低, 而且載體蛋白可能會(huì)誘導(dǎo)其 他免疫反應(yīng), 而樹(shù)狀免疫原可以很好地克服這個(gè)缺點(diǎn).樹(shù)狀核心上可以同時(shí)連接很多小肽, 在單位質(zhì)量上有更 多的抗原決定簇, 因而具有更高的抗原性, 同時(shí)兼?zhèn)淞?易于合成、能可靠地誘導(dǎo)位點(diǎn)特異的抗體并可以誘導(dǎo)多 樣的免疫反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)[34](圖 9).
1989年Tam等[35]合成了具有多抗原決定簇的多抗原多肽, 該分子同時(shí)具有代表HBV病毒中S和S(2)片段的獨(dú)立抗原決定簇, 加強(qiáng)了分子的免疫原性. 1990 年他們又合成了具有連續(xù)T細(xì)胞和B細(xì)胞抗原決定簇的MAP, 用于瘧疾疫苗[36]. 隨后 Tam 等[37]又合成了具有HIV-1表面抗原gp2120和親脂性的三棕櫚酰甘油半胱氨酸酯基團(tuán)的AIDS疫苗(圖10).
除此之外, Oliveira 等[38]合成了具有聚賴(lài)氨酸核心的多抗原多肽作為口蹄疫疫苗. Baigude 等[39]合成了具有多糖外層的多抗原多肽, 用作AIDS疫苗. 現(xiàn)在, 多抗原多肽已經(jīng)被常規(guī)應(yīng)用在制造抗體和細(xì)胞毒性免疫反應(yīng)研究方面. 對(duì)比研究顯示多抗原多肽比通常多肽-蛋白質(zhì)聚合物具有更高的效能和更快的誘導(dǎo)抗體速度.Sadler等[40]的綜述詳細(xì)地總結(jié)了樹(shù)狀多肽的該用途.
在很多自身免疫疾病的模型系統(tǒng)中, 樹(shù)枝狀多肽被證明可以作為蛋白質(zhì)的替代物. 具有不同周?chē)嚯牡臉?shù)狀多肽被用來(lái)在健康動(dòng)物體內(nèi)模擬系統(tǒng)性紅斑狼瘡[41].Goodman等[42]用樹(shù)狀多肽模擬了含162個(gè)氨基酸殘基,具有超螺旋結(jié)構(gòu)的膠元蛋白類(lèi)似物(圖11). Raju等[43]合成了分子內(nèi)含有TKPPR序列和熒光指示劑的樹(shù)枝狀化合物. 本課題組[44～46]也合成了一系列含RGD序列多肽的樹(shù)枝狀化合物(圖12), 正在研究樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)對(duì)含RGD序列多肽構(gòu)象和功能的影響.
2.5 樹(shù)枝狀化合物作為糖類(lèi)藥物的載體
糖類(lèi)化合物在許多生理過(guò)程中都發(fā)揮了重要作用,含糖或類(lèi)糖結(jié)構(gòu)的藥物已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于抗菌、抗病毒、抗炎或抗腫瘤藥物等領(lǐng)域. 然而, 人工合成有生物活性的的多糖化合物在技術(shù)上存在較大困難; 克服這些困難的途徑之一是在樹(shù)枝狀化合物表面綴合單糖或寡糖, 研究表明這種表面糖修飾的樹(shù)枝狀化合物的生物活性可能增強(qiáng)300～400倍[47].Woller等[48]研究了不同代數(shù)的PAMAM 型樹(shù)枝狀化合物表面修飾甘露糖后的生物活性, 與單糖相比, 綴合8個(gè)和16個(gè)單糖的樹(shù)枝狀化合物的活性并沒(méi)有明顯增加, 但是綴合了 32 個(gè)單糖的樹(shù)枝狀化合物卻顯示了很強(qiáng)的生物活性.
Baek等[49]合成了含有腫瘤相關(guān)T抗原多糖的樹(shù)枝狀化合物(圖13), 研究發(fā)現(xiàn)含有4個(gè)多糖的化合物在濃度為10－8 mol•L－1時(shí)與單體在10－6 mol•L－1濃度下的生物活性相當(dāng), 而含有6個(gè)多糖的樹(shù)枝狀化合物活性增加較低, 這表明空間位阻對(duì)樹(shù)枝狀化合物的生物活性有重要影響. 類(lèi)似的多糖也被綴合到PAMAM型樹(shù)枝狀化合物上, 生物活性研究發(fā)現(xiàn)這些樹(shù)枝狀多糖化合物都比相應(yīng)分子量的糖-高分子綴合物生物活性強(qiáng)[50].
2.6 樹(shù)枝狀化合物作為其他藥物的載體
1997年,陳應(yīng)春等[51]合成了醚鍵延伸的高密度雌激素樹(shù)枝狀化合物.Potluri等[52]合成了以酯鍵延伸的含萘普生的樹(shù)枝狀化合物.Groot等[53]合成了含紫杉醇衍生物的樹(shù)枝狀化合物(圖14),其分子內(nèi)含有光敏基團(tuán),其樹(shù)枝狀核心能在特定波長(zhǎng)的光照下特異性斷裂.Pa-leos等[54,55]合成了一類(lèi)PG-PEG(聚甘醇-聚乙二醇)結(jié)構(gòu)的樹(shù)枝狀化合物偶聯(lián)葉酸作為抗癌藥物他莫昔芬的載體,這類(lèi)化合物具有較低的毒性,較好的腫瘤靶向性和水溶性.
3 結(jié)論與展望
樹(shù)枝狀化合物是一類(lèi)全新的藥物載體, 與傳統(tǒng)的高分子載體相比, 它具有特殊的空間結(jié)構(gòu), 可調(diào)控分子形狀和溶解性質(zhì). 其分子構(gòu)象還可以通過(guò)有機(jī)大分子和無(wú)機(jī)小分子的主客體相互作用加以控制. 隨著新的合成方法、分子結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)現(xiàn), 以及負(fù)載于樹(shù)枝狀化合物上的生物活性物質(zhì)的種類(lèi)不斷增加, 作為藥物載體的樹(shù)枝狀化合物具有廣闊的發(fā)展前景.
目前對(duì)樹(shù)枝狀化合物作為藥物載體的研究大多停留在合成和體外活性實(shí)驗(yàn)階段, 其毒性、體內(nèi)代謝以及樹(shù)枝狀載體與藥物分子的相互作用等方面的研究還很少. 但有理由相信, 隨著研究的進(jìn)一步深入, 樹(shù)枝狀藥物載體必將體現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)越性, 在新型藥物載體的研究中占據(jù)一席之地.
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