基于响应性纳米粒用于抗癌药物的选择性释放
时间：2021-02-11 20:06:25 来源：达达文档网 本文已影响 人 
许以琛
研究背景
手术、放射治疗和化学治疗是现今最普遍的癌症治疗方案，但这些方案都会对正常组织造成损害。药品虽然能治愈癌症，但治疗过程却同时会引起副作用，故随着纳米科技的进步，研究如何使用纳米药品以降低不必要的伤害，也变得越来越重要。
本次研究使用了一种纳米粒子，其由4-羟基苯硼酸频哪醇酯與1-金刚烷羧酸（BA-ADA）合成，是一种具自由基（ROS）响应性的药品传递系统，使药物多柔比星（Doxorubicin，DOX）仅可于自由基过度产生的区域内释放，即存在癌细胞或发炎细胞的区域内释放，不但能够达到治疗效果，还可保障正常细胞免受药物侵害，从而减少副作用。于是，我进行了一系列实验，以证明粒子的特性。
研究设计
设计思路
本研究主要目的是构建一种具有ROS响应性的载药纳米粒子，设计可归纳为3个主要部分：
合成纳米粒子，并将治疗药物与其结合，研究将以2个实验确认粒子的形成。
进行2个实验以测试粒子的稳定性。
检查粒子的ROS响应性，本次研究会进行一系列实验以证明其ROS响应性。
假设
ROS响应性BA-ADA载药纳米粒子（包括纳米粒子-BA-ADA和药品-DOX）可以通过细胞吞噬作用而进入细胞，由于粒子具ROS响应性，故在高ROS微环境的癌细胞其药物释放量会较正常细胞多。
目标受益者
药物传递系统对所有阶段的癌症患者都是有益的，因为纳米粒子能将药物直接输送到癌细胞，减少药品于正常组织中的释放，从而减少副作用。
材料
本次研究的纳米粒子由4-羟基苯基硼酸频哪醇酯（BA）和1-金刚烷羧酸（ADA）合成，并以多柔比星（DOX）为治疗药品。4-羟基苯基硼酸频哪醇酯（BA）是粒子具有选择性释放药物的关键材料；
1-金刚烷羧酸（ADA）能让粒子连接其他材料，由于其是疏水性的，故能透过疏水作用令其连接4-羟基苯基硼酸频哪醇酯（BA）；
治疗药物多柔比星（DOX）通过阻断一种叫作“第二型拓扑异构酶”的酶减缓或阻止癌细胞的生长，第二型拓扑异构酶是癌细胞分裂及生长所必要的酶。而聚山梨醇酯80（吐温80）则用作表面活性反应物，用以稳定粒子。
载药纳米粒子的合成与实验结果
研究共分为3个主要部分，每个部分各具不同的目标，粒子合成的方法及材料、每部分的实验方法与使用的各项材料及设备、实验结果等简述如下。
载药粒子的形成
形成载药粒子的主要程序：？化学反应：BA-ADA的形成。？添加药品：形成载药BAADA。
移除溶剂、催化剂、表面活性反应物。
取得纳米粒子。
检查粒子的稳定性
稳定的粒子须具备2个条件：一是一致的粒子宽度，二是呈球形。本次研究能合成并挑选符合上述条件的粒子，以确保一致性。
检测纳米粒子的响应性
过氧化氢（H2O2）是ROS的关键成员，所有细胞都会有一定量的H2O2，但在癌细胞中，其水平要高得多。实验中以H2O2模拟细胞内的ROS，并由此检测本次研究合成的纳米粒子是否具ROS响应性。
讨论与结论
此项目对社会的贡献
在上述实验结果中，ROS响应性的BA-ADA纳米粒子传递系统是安全、有效的，并且治疗过程中病人的痛楚相信会更少，患者在接受输送系统时并不会有剧痛，而且纳米药物较不会伤害健康的组织和器官，也能在癌细胞形成肿瘤前检测和消除。ROS响应性的BA-ADA纳米粒子传递系统还能提高癌症患者的生活质量，不会导致脱发。
ROS响应性BA-ADA纳米粒子传递系统仍处于早期阶段
虽然许多文献已证明药品传递系统的设计，显示其能有效地将治疗药品传送到疾病的部位，而且它将在生物医学领域上变得越来越普遍，但是此项目距离人类临床试验还有漫漫长路。因此，需要进行更多的体外和体内试验完善。
在本次研究过程中，面临的主要挑战是材料的选择。我耗费了大量时间进行文献回顾和纳米粒子合成，我曾经想使用囊泡进行实验，并进行了大量实验测试囊泡的稳定性，但由于囊泡的效果不佳，只能另作他选，最后才选用BA-ADA纳米粒子，并曾经多次改良增加及确保其纯度。另外，选择治疗药品的实验也费时不少，这些药品除已被证明能有效治疗癌症外，也须能配合实验的测试条件，如能产生共聚焦研究所需的荧光等。
项目未来发展
纳米粒子的性质是决定它们能否进入血液循环系统的关键，在未来的研究中，我计划将粒子与聚乙二醇（PEG，Polyethylene Glycol）结合，PEG是亲水性聚合物分子，可以阻碍血浆蛋白的结合，故通常被称为“隐形”纳米粒子，它们不易被单核吞噬细胞系统找到，并能抵抗血清蛋白的吸附，因此PEG就像为粒子形成了另一层保护，以增加其稳定性，同时可防止药物流失及降低其在健康组织内释放药品的风险。
此外，在未来研究中也会检视BA-ADA粒子的pH响应性和GSH响应性。据Karimi等（2016）的研究，肿瘤细胞内外之间存在pH值差异，这是由于肿瘤细胞的快速增殖和生长速度远超过血液运输，会导致营养和氧气供应不足，因糖解而产生乳酸无法代谢，而具有pH响应性的纳米粒子便会在酸性的肿瘤微环境下瓦解，将其装载的药物释放到细胞质中，消灭肿瘤细胞。至于榖胱甘肽（GSH），癌细胞内的GSH水平在0.5？10×10-3M的范围内，是正常组织中GSH水平的4倍，这更使得肿瘤组织对化疗更具抵抗力。然而，由于GSH水平在癌组织及正常组织间的差异，也有利于具GSH响应性的纳米粒子建构及使用。
我下一阶段将测试BA-ADA纳米粒子是否可用作多刺激响应性纳米药品传递系统，使得BA-ADA能成为多刺激—反应性药物运输系统，可以进一步探测病灶并控制药物释放。希望能使系统具高载荷、避免过早渗漏，并能更快速、更精确地靶向病患部位。
总结
本研究中的纳米粒子能把药物直接递送至ROS高的病变部位，而不伤害附近的健康细胞。这样的治疗方式不但可增强治疗效果，还可减少药物的副作用。因此，刺激—反应药物传递系统于现今的治疗方案中显得十分重要，因系统具有与某些疾病症状相关的响应性，故能设计选择性地于病患部位释放药物，从而能消灭目的细胞。其中一个最引起关注的生物刺激来源就是ROS，因为其过量产生与很多病患均有关系，故发展具ROS响应性的医学物料具有巨大潜力。
本次研究成功地合成了一种纳米粒子，即BA-ADA纳米粒子，其可以“装载”药品，即DOX，能有效地阻碍癌细胞的生长或复发。BA-ADA纳米粒子可说是一种优良的药品传递系统，因为在其结构中，BA具有ROS响应性，而ADA则具有酸碱（pH）响应性和谷胱甘肽（GSH）响应性，这使纳米粒子具有多重标靶病患区域的可能性。但在现时的研究阶段中，我主要通过一系列实验确认粒子的ROS响应性。
本次研究除成功合成具ROS响应性的载药纳米粒子外，还通过实验作出了以下证明：①纳米粒子本身对细胞并无毒性；
②纳米粒子可于高浓度的H2O2区域内释放其载体，H2O2是ROS存在的重要信号之一；
③时间越长，累积释放的载体药物越多；
④载药纳米粒子可以选择性地在发炎的小鼠巨噬细胞内释放装载的DOX药品，即载药纳米粒子属具有药物释放选择性的系统；
⑤载药纳米粒子的药物释放能选择性对癌细胞有效，药品释放于癌细胞明显较多。
该项目获得第34届全国青少年科技创新大赛创新成果竞赛项目中学组生物医学一等奖。
专家评语
该项目合成了BA-ADA载药粒子，验证了载药粒子的稳定性和响应性，评价了载药效果，具有创新性和实用价值，可为癌症化疗提供参考依据。但该研究尚处于早期阶段，有待深入研究。
