基于酸触发的可生物降解共聚前药的纳米医学的分子与聚集结构设计，以实现更精准的按需抗肿瘤药物释放

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Molecular and aggregation structural design of acid-triggered biodegradable copolyprodrug-based nanomedicine for better on-demand antitumor drug release

酸响应双锁聚前药纳米药物DOX-BFA-ADH-PEG通过整合高敏感苯甲酰亚胺/酰肼键和长亲脂间隔基团，实现肿瘤微环境（pH 5.0）高效释放（84 h释放65.5%）且正常生理环境（pH 7.4）低泄漏（48 h仅10.8%），细胞实验证实其靶向HepG2细胞并显著降低IC50至8.66 μg/mL（游离DOX为10.73 μg/mL）。

　　

作者：薛 Jimin | 刘鹏

中国兰州大学化学与化学工程学院天然产物化学国家重点实验室，兰州 730000

摘要

多聚前药因其双重锁定的效应而被认为是肿瘤化疗中具有前景的无载药自我递送系统。药物释放性能主要受分子结构及其形成的聚集结构控制，即药物结构单元之间的连接剂，包括共价键和间隔基团，这些因素决定了药物对刺激的响应敏感性和释放药物的结构。本文设计了一种酸触发的可降解共聚多聚前药，旨在实现更好的肿瘤细胞内微环境响应性药物释放，并以高药物含量为前提。通过整合具有高刺激响应敏感性的席夫碱共价键（苯甲酰亚胺和酰腙）来实现药物释放，以及使用较长的柔性疏水间隔基团来形成紧密的聚多聚前药块聚集结构，从而在自组装的共聚多聚前药纳米颗粒的疏水核心中实现更好的稳定性并最小化药物过早泄漏。通过简单的缩聚反应，制备出了DOX含量高达61.8%的酸触发可降解共聚多聚前药DOX_BFA-ADH-PEG。在模拟的肿瘤细胞内微环境（pH 5.0的ABS）中，这种自组装纳米药物的平均水动力直径为133 nm，在84小时内释放了65.5%的结合型DOX；而在模拟的正常生理介质（pH 7.4的PBS）中，48小时内药物泄漏仅为10.8%。体外细胞实验表明，该纳米药物能够成功被HepG2细胞摄取，其半数最大抑制浓度（IC50）为8.66 μg/mL，低于游离DOX的10.73 μg/mL。

引言

近年来，由于主链中药物结构单元两侧的两个刺激响应性动态共价键的双重锁定效应，多聚前药被认为是一种有前景的无载药自我递送系统，可用于精确的肿瘤化疗[1]、[2]、[3]、[4]。传统聚合物前药通过侧链上的一个动态共价键与药物结合来实现药物释放和泄漏控制，这种控制依赖于所使用动态共价键的敏感性。高敏感性的动态共价键通常会导致更快的药物释放，但也会导致更高的药物泄漏；相反，低敏感性则会导致药物释放缓慢，但药物泄漏较少。而对于多聚前药，药物分子是通过主链两侧的两个刺激响应性动态共价键作为结构单元引入的。只有当这两个动态共价键都被断裂时，药物才能释放，即实现双重锁定效应。因此，通过这两种动态共价键的协同控制策略，可以更好地控制药物释放性能。最近，基于多聚前药的纳米药物被开发出来，以提升治疗效果，例如引入肿瘤靶向的氧化还原响应性连接剂[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]，设计响应性交联的多聚前药纳米颗粒[15]、[16]、[17]、[18]，或结合肿瘤疗法[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。

多聚前药的药物释放性能主要受其分子结构控制，尤其是刺激响应性动态共价键，这些共价键决定了药物对刺激的响应敏感性和释放药物的结构[3]、[25]。此外，基于多聚前药的纳米药物的聚集结构也被报道为通过调节刺激物进入基于多聚前药的核以及释放药物从基于多聚前药的核中扩散来调节药物释放的另一个因素[5]。

目前，已经开发了几种基于多聚前药的酸触发可降解多柔比星（DOX）药物，用于实现肿瘤细胞内微环境响应性的药物释放。例如，通过相同的连接剂设计了P(DOX-AH) [26]和P(DOX-NH) [27]，其DOX含量分别高达1.67 mmol/g和1.49 mmol/g。酰腙共价键在酸性肿瘤细胞内微环境中具有高敏感性，而DOX单元上的其他共价键相对稳定，但由于DOX-AH和DOX-NH的水溶性较低，因此释放速度较慢。为了实现DOX的可控释放，设计了DOX-聚乙烯醇（PDOX-PEG）共聚多聚前药，其DOX含量高达75.42%，通过将DOX单元与含有腙和马来酰胺的连接剂结合，这两种连接剂都被报道为酸不稳定的动态共价键[28]。尽管由于DOX单元之间的短柔性间隔基团使得两亲性共聚前药在自组装过程中形成多孔结构，有利于H⁺离子进入多聚前药核心，但由于马来酰胺键的水解速度较慢，药物释放仍然受到限制。

然而，高刺激响应性的动态共价键通常会导致肿瘤细胞内药物快速释放，但在循环过程中往往伴随着较高的药物泄漏[29]、[30]。面对这一矛盾，通过调整聚集结构来控制扩散行为（包括刺激物和释放药物）是一个有前景的策略。基于这一假设，本文设计了酸触发可降解的共聚多聚前药PDOX_BFA-ADH-PEG，通过简单的缩聚反应与DOX-PEG作为端封端试剂，结合高响应性的苯甲酰亚胺和酰腙共价键以及较长的柔性疏水间隔基团，以实现更好的肿瘤细胞内微环境触发型DOX释放并最小化泄漏（方案1）。

部分内容摘要

BFA的合成

六亚甲基1,6-双(4-氧苯甲醛)（BFA）的合成方法参考了相关文献[31]，使用4-羟基苯甲醛（5.15 g，42 mmol）、1,6-二溴己烷（4.88 g，20 mmol）和碳酸钾（2.77 g，20 mmol）。产物经洗涤后从乙醇中重结晶。产率为90%，¹H NMR（400 MHz，DMSO-d6，图S3）显示：δ (ppm) 9.8-10 (s, 2H), 7.7-7.9 (d, 4H), 7-7.2 (d, 4H), 4-4.1 (t, 4H), 1.6-1.9 (m, 4H), 1.40-1.55 (m, 2H)。

Di-DOX-BFA的合成

溶解了BFA（13 mg，1当量）、DOX·HCl（58 mg，2.4当量）和TEA（15 μL，2.5当量）

PDOX-BFA-PEG的合成与表征

DOX的苯甲酰亚胺基二聚前体Di-DOX-BFA是通过将DOX与BFA偶联合成的，BFA的合成方法参考了之前的研究[31]。在产品的¹H NMR谱图中（图1）可以观察到-OCH₃、Ph-O-CH₂- (Hb) 和中间 -CH₂- (Hc) 的特征质子信号，其积分面积比为1.51:1.01:1，非常接近理论值3:2:2。成功合成了这种酸敏感性的苯甲酰亚胺基二聚前体。

结论

总之，通过整合分子结构和聚集结构，设计了一种酸触发可降解的共聚多聚前药，以实现更好的肿瘤细胞内微环境响应性药物释放。在分子结构方面，使用了高刺激响应性的席夫碱共价键（苯甲酰亚胺和酰腙）来加速母药的释放；同时，基于多聚前药的纳米药物形成了紧密的聚集结构。

CRediT作者贡献声明

刘鹏：负责撰写、审稿与编辑、原始稿件的撰写、监督、资源提供、方法论设计、实验实施和概念构思。 薛 Jimin：负责数据可视化、实验分析和数据整理。

利益冲突

作者不存在利益冲突。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究工作。