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PLGA基纳米微球：生物医学应用总览

摘要：聚乳酸羟基乙酸共聚物（PLGA）是一种非常成功的生物可降解聚合物。在各种可以构成聚合纳米微球的材料中，PLGA因为它的以下特性而得到广泛关注：1.生物可降解性和生物相容性；2.FDA和欧洲药品管理局对其肠胃外药物输送系统的许可；3.具有良好的规划和方法将其应用到多种形式的药物，比如亲水和疏水的小分子或大分子；4.可防止药物被分解；5.可持续释放药物；6.可修饰表面特性以提供隐秘性或是更好的生物材料交互性；7.可进入特定器官或细胞。这篇综述展现了为何PLGA会被用于设计当作药物输送系统的纳米颗粒，并可在多种生物医学领域中应用，如疫苗，癌症，炎症和其他疾病。这一篇文章主要内容是PLGA纳米微球针对特定器官、组织或是细胞的特殊性质。

一、简介

这里讨论的纳米微球是一种在100纳米左右的拥有固体球形结构的自然或是合成聚合物材料。大量药物可以被纳米微球运输，像是亲水/疏水的小型药物，疫苗和生物大分子。纳米微球也可以被输送到特定器官，细胞或是进行可控药物递送[1，2]。

聚乳酸羟基乙酸共聚物（PLGA）是一种非常成功的生物可降解聚合物，因为它的水解性可以让它变成可代谢单体，乳酸和羟基乙酸（图1）。因为这两种单体是内源性物质能的通过克里伯氏循环被身体代谢，并且在药物递送和生物材料应用中只有极小的生理毒性[3].PLGA已被FDA和EMA认可在人体内多种药物递送体系中的使用。这些聚合物也因为可以有不同的分子重量和共聚复合物而具有商业价值。降解时间通常在数月到数年之间，这取决于平均分子质量和共聚率[4,5]。PLGA的形态通常由两种单体的使用比来决定。比如说，PLGA 50：50一般为共聚物，由50%乳酸和50%羟基乙酸组成。聚乳酸（PLA）也曾因更低的降解率在比PLGA小的范围内使用。PLGA纳米微球可以通过胞饮和网格蛋白介导的内吞一定程度上的进入细胞内部。PLGA纳米微球在10分钟的潜伏期后快速的从内吞溶酶体中逸出并进入细胞质(图2)。这促进了纳米微球与囊泡膜的互相作用，导致短暂的膜的不稳定，其结果是纳米微球更多的进入细胞质当中[6]。

人体会将疏水粒子当作外来物识别。网状内皮系统（RES）将这些物质从血流中清楚，并将其带至肝或是脾。这一过程是一个对纳米微球可控药物递送的生理屏障[3]。在血浆中纳米微球与噬菌蛋白的结合导致受调理的颗粒与巨噬细胞的的依附并持续通过巨噬作用被吸收至细胞内[8]。

图1：PLGA的水解 图2：纳米微球被细胞吸收图解

为了解决这些限制，多种表面修饰的方法已经被用以制造可以不被RES识别的纳米微球。纳米微球可以通过在表面用亲水涂层来镀膜来保护疏水内容物。最常见的表面修饰成分是亲水的非离子聚合物，聚乙二醇（PEG）（图3A）。PEG化被广泛发现可以将纳米微球在血液循环中的半衰期增大至数倍于原先[8]。而且，PEG也展现出了良好的生物相容性。泊洛沙姆，泊洛沙胺，壳聚糖这些物质也在表面修饰中被人研究[1，3]。这些成分可以降低静电和疏水物质的影响进而促进调理素与颗粒表面的结合。

表面修饰的另一种应用是以肿瘤或是器官为靶来提升选择性细胞结合与通过受体介导的内吞吸收作用的可能性。配合基定向经常通过PEG链上的连接被接枝至用于纳米表面[9]。配合基需要被良好的结合在纳米微粒表面，这样才能维持他们与受体的结合。全面的PEG薄膜是避免被RES系统识别所必须的，而配合基也应该从纳米微粒表面衍生以避免被PEG链锁覆盖[10]。

表面电荷也是纳米微球与细胞的接触与吸收的一个重要影响因素。带正电荷的粒子表现出更高的交换性，这被认为是在正电荷粒子表面和带负电荷的细胞膜之间出现了离子交换的结果[11，12]。并且带有正电荷的纳米微粒可以在被吸收后可以从溶酶体内逸出并可以在核周处定位，而呈电负性和电中性的纳米微粒更容易与溶酶体一起共同定位[13]。带有正电的PLGA纳米微粒可以经由表面改性处理变为电中性，比如可以分别PEG化[14]或壳聚糖表面镀膜[15]。

图3

这篇综述会关注目前常用的不同病理学治疗手段中药物递送的PLGA基纳米微球（表1）。我们的主要关注点是那些相对于常被制成植入物的微粒更适用于肠外使用的纳米微球。在各种生物医学应用中，定向和非定向纳米微球的使用都在最近的体内外试验中被提及。

表1

二、PLGA基纳米微球

2.1.构建方法

有很多方法可以用于制备纳米微球，根据不同的制备方法，结构也可能不一样。当药物在纳米物质之内的是“纳米胶囊”，而被吸附在表面的则是“纳米球”（图3A）。

最常用的PLGA纳米微球制备方法是乳化溶剂挥发法。这一方法可以将疏水性药物被PLGA包裹并溶解在聚合物有机溶剂当中（如二氯甲烷）。O/W的乳剂（油以乳剂形式存在水中）是通过将水和表面活性剂（如聚山梨酯80，泊洛沙姆188）加入至聚合物溶液当中。纳米化的液滴在超声波或是均化作用的诱导下形成。随后将溶剂通过蒸发或是萃取再进行离心分离即可收集到纳米微球[1，16]。

双乳液法W/O/W是一种对该方法的改进，被用于包裹那些亲水性的药物，肽，蛋白质以及核算。纳米微球也可以通过纳米沉淀法，也叫界面沉淀法来制备[17]。简单来说，聚合物和药物被溶解于像是丙酮的有机溶剂中，再逐滴加入水中。有机溶剂被蒸发而药丸在离心后被分离。其他像是喷雾干燥法这一类的制备方法也是存在的。药物被加入至纳米微球中通常有两种途径：1.在纳米微球制备的过程中加入；2.在纳米微球制备完成后吸附。

2.2物理化学性质

表面修饰的有效性可以通过测量表面电荷来被测定。一个测定方法是通过加压后对带电纳米微球的移动来测试zeta;电势。zeta;电势的正负性取决于聚合物和表面修饰[16]。平均颗粒大小和多分散性指数可以通过光子关联光谱（也称为动态光散射）来测得。这一技术的原理是颗粒的布朗运动而导致的光分散[18]。像是SEM，TEM或是AFM等显像技术可以提供形貌以及纳米微球大小的相关信息。通常，纳米微球的直径在100到250nm之间。

2.3不足之处

纳米微球需要拥有较高的包封率（也就是成功载入的药物与制备过程中的总药物使用量的比）和较高的载药量（成功载入的药物与纳米微球总量的比）。因为纳米微球是胶体体系因此精确的药物含量并不容易[3]。因此，最有效的方法将纳米微球从尚未包裹或是吸收的药物中分离的方法是超速离心法。地塞米松和紫丹醇的包封率在6%到90%之间，而像是雌二醇和氧杂蒽酮等药物的包封率却在60到70%之间[3]。PLGA纳米微球的一种主要缺陷就是较低的搭载。事实上，PLGA纳米微球拥有较高的包封率，与此同时却拥有较低的载药量（在1%左右，意味着100mg的纳米微球只有1mg的活性物质）。这是一些药物的PLGA纳米微球设计的主要问题。

第二个重要缺陷是药物从纳米微球中的爆释。大部分的PLGA纳米微球都可以观测到这一现象。因此药物可能无法到达靶组织或是细胞，这会降低治疗效率。因为纳米微球的应用就是在药物递送中持续的释放，因此药物释放机制也是研究的重心。根据Kumari和他的同事，一共有5种药物释放机制：1.颗粒表面药物的去吸附；2.聚合物主体中的扩散；3.通过纳米微球的聚合物壁的扩散；4.纳米微球的腐蚀；5.腐蚀-扩散的共同过程。药物释放机制取决于使用聚合物的种类和载药量。总体来说，吸附在颗粒表面的药物是爆释的原因[3]。

一门叫做纳米毒理学的新兴分支学科已经出现了。纳米载体和生物系统的互相作用其实非常复杂。像预期的一样，纳米载体的体积与表面性质决定了它们在体内的行为，而更多与结构特性的关系还要需要被分析。一些纳米药物得到了一定的对它们生物相容性的认可，而有的却没有。毒理学的研究和相应的管理对全面的定义纳米载体在人体内的生物相容性是很重要的。在大多数情况下，体外研究提供了很多好消息，但是常常与实体研究有很大区别。一样的，临床前的动物实验的结果也和临床表现差别很大。

最后，为了商业化一种新的药物递送方式，资金问题也应该被考虑，包括药物产业和病人的。拥有着良好疗效的GEM-PLGA药物价格昂贵。另一个制约纳米微球商业化的因素就是大量生产。很多实验室制备中的步骤像是渗析，超速离心和超声波等方法在工业生产中不太现实（图4）。

图4

2.4封装小型疏水药物

载有疏水性难溶药物的PLGA纳米微球经常通过纳米沉淀法制备。PLGA的药物释放和有效反应收到以下因素影响：1.表面修饰2.准备方法3.颗粒尺寸4.药物的分子质量5.丙交酯与乙交脂的比例[3]。PLGA纳米微球是有效的可封装多种抗癌药物的纳米载体，比如紫三醇[19]，9-硝基喜树碱[20]，顺氯氨铂[21]等，以及也可以承载像是氟哌丁苯[22]，雌二醇[23]等。

2.5蛋白质的封装

蛋白质单独给药的一个巨大的挑战是它们的口服生物药效率被肠胃的上皮屏障所限制，他们很容易被肠胃中的消化酶降解，在生命体内的半衰期也很短以及大部分的蛋白质不能通过生物屏障。现在，重组蛋白主要通过像是皮下注射的方法进入人体，并且因为快速降解及被消除而需要反复注射以达到治疗效果[24]。将治疗用蛋白质封装至PLGA纳米微球中的方法提供了一种可以克服这些问题并带来其他好处的选择方案。蛋白质和聚合物基体混合的方式给蛋白质提供了对酶以及水解的保护，并能保证它们的完整性和活性，可以提升生物药效率并在某些情况下可以将目标蛋白质带入目标区域。

一个非常常用的用来封装蛋白质进PLGA纳米微球的技术是双乳液法W/O/W，因为蛋白质大多为亲水大分子，不过也有像是不稳定性的挑战[25]。比如说，在W/O/W的第一步中溶解在水相中的蛋白质有可能聚集在一起或是在有机/水界面间失去活性，吸收疏水高分子或是因为形成初乳液的剪应力而展开[26]。失活的或是团聚的蛋白质不单单会失去治疗活性，也会诱发不可预期的副作用，像是毒性或是免疫原性[27]。为了克服这些问题，很多研究都针对改良制备过程做出努力以提高蛋白质在经典W/O/W过程中的稳定性。

另一个被考虑的因素是环境酸化的情况会被降解产物（乳酸和羟基乙酸）诱导产生，或是PLGA的羧酸末端基可以与被封装蛋白质的正电荷反应，阻碍或是隔断蛋白质的释放。蛋白质暴露到酸性环境下会诱发蛋白质团聚或是影响活性[25，28]。像是普朗尼克F68，海藻糖，碳酸氢钠等多种稳定剂均被测试于增加蛋白质稳定性[29，30]。

2.6核酸的封装

核酸既可以通过携带不表达或是低水平表达的基因进入细胞（cDNA）来表达基因，或是沉默表达基因（RNA干扰媒介）。核酸因为具有较大的体积和携带有负电荷，因此它非常脆弱并具有较差的体内转染率。作为一个病毒输送的选择，聚合物基纳米微球被完善的发展了。核酸可以被包裹进聚合物基体[31]，或是通过合适的表面活性剂或是添加阳离子聚合物至基体的方式被静电效应吸附至纳米微球表面[32]。

带有核酸的PLGA基纳米微球可以通过W/O/W乳液蒸发法[33]或是改进的纳米沉淀法[34]制备.在所有的PLGA纳米微球传输核酸的研究中，用以形成载DNA纳米微球或是载siRNA纳米微球的方法间并没有太大的区别。W/O/W方法中含有会使核酸降解的条件。乙酰化牛血清白蛋白作为乳化剂而加入有核酸的水相后发现增加了初乳液（W/O）的稳定性，并增大了亲水分子的包封率[35，36]。改进的纳米沉淀法是一个比较温和的制备过程：核酸和聚合物同时溶解于相同的有机溶剂（比如DMSO），混合物随后被滴入一种表面活性剂水溶液当中。Tahara等人将核酸和一种阳离子物质预混合为DOTAP可以增强核酸在有机溶剂中的溶解性[37]。其他聚合物可以被当作基体的一部分或是表面镀膜加入到PLGA基体中来延展纳米微球的特性。像是PEI或壳聚糖的阳离子聚合物可以用以提高包封率。包封率在PEI或壳聚糖的情况下，分别被大幅度的提升43%到80%和28%到44%。并且阳离子组分也提升了负电荷细胞膜和正电荷纳米微球之间的相互作用并/或增强内包脱离作用。为了取得高于70%的包封率，PLGA的浓度和体积需要被优化[39]。即使封装率可以达到大约80%，核酸搭载量还是很低，在0.1~1mg/100mg纳米微球。

三、PLGA纳米微球疫苗

3.1PLGA疫苗递送体系

多项研究显示纳米递送体系可以增强抗原呈递细胞（APCs）对抗原和佐剂的吸收率并拥有和通过可溶配对物获得相比更好的免疫反应[40，41]。除了APCs更高的吸收率，基于纳米科技的疫苗和癌症免疫疗法，特别是PLGA纳米微球可以提供其他优点。

像是蛋白质、多肽、脂肽、细胞溶菌产物、病毒或是质粒DNA等多种抗原已经成功与PLGA纳米微球结合[42-47]。在疫苗中延长释放抗原可以得到更有效的免疫反应。它也可以避免耐受性的风险并替代多种用来诱导保护性免疫的加速给药需求[48]。PLGA纳米微球能够提供持续的抗原长时间体外释放[46，49]。PLGA纳米微球可以作为抗原的封装递送体系工作，多种抗原结合或是更重要的抗体和佐剂在同一颗粒中的结合。为了同时被同一细胞吸收，抗体和佐剂必须被同一个颗粒递送才能满足要求[50]。并且，PLGA纳米微球拥有很低剂量的抗原和佐剂就能引发强烈的T细胞反应[51]。使用较低剂量的这些分子不仅可以将使用佐药的潜在副作用最小化还能达到经济化的要求。多种抗体和佐剂已经成功的同时被PLGA纳米微球包裹[52，53]。

通过MHCⅠ复合体表达抗原是控制肿瘤和感染性疾病必须的，因为这可以刺激CD8 T细胞去获取细胞毒素的表现型[54]。PLGA纳米微球被用于疫苗和癌症免疫疗法可以递送能通过MHCⅠ复合体被交叉表达到CD8 细胞的外因抗原。在被树突细胞(DCs)吸收后，PLGA纳米微球似乎就拥有了特殊的可以满足MHCⅠ的性能[55]。

3.2以免疫体统为目标

纳米微球的与定向细胞表面受体的配合基功能化可以

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