1、 理解纳米材料与生物系统的相互作用以改善基于纳米载体的药物输送摘要在注射到静脉中后，癌症靶向纳米粒子到达他们的反应点并且引起期望的生物反应的能力。这种能力在活体治疗上获得临床效益来说非常重要。在纳米粒子在人体的旅途中，他们必须成功穿过生物环境例如血液循环，肿瘤微环境。发生在纳米粒子与生物组分之间的界面上的相互作用是复杂的，因此，我们需要深入了解这种相互作用，设计出具有多量程治疗指数的纳米粒子。这篇文章综述了纳米粒子由于多量程的重要的生物舱导致的一些挑战。描述了出现在每个阶段的重要的生物纳米体系相互作用，并讨论了克服以上挑战的潜在策略。本文建议为了获得能够最佳的调整本身的物理化学性能的纳米粒子，
2、从而获得预期的生物反应设计一些注意事项。这些注意事项预计会对化学家、工程师和临床科学家针对癌症治疗在设计高效输送平台方面提供帮助。介绍通过影响癌症的临床诊断，预防和治疗方法，纳米技术在改善癌症治疗方面展现出巨大的潜能。特别是，使用纳米规格的载体的靶向药物输送能够保证合并的药物分子的治疗指数（药物的毒性剂量和治疗剂量的比值）得到真正的提高；实际上，当前应用于临床试验上的很多纳米技术已经不属于前沿技术了，或者说他们已经应用于临床装置中了。尽管人们在这个领域已经取得了很大的进展，但仍然存在一些问题使得纳米技术不能快速的应用于临床癌症治疗当中，例如，多变的药物代谢动力学，纳米粒子的弱稳定性，选择性肿瘤
3、积累不足，药物的过早释放等。在多变的生理和病理环境中纳米粒子系统可以根据以上问题进行调整从而克服他们的主要缺点，即便不能克服所有缺点，以维持他们的期望的生物作用。因此，为了设计一个有效的纳米粒子系统，需要对出现在纳米材料和物系统（例如，纳米-生物体系的相互作用）之间的药物输送过程的每一阶段有一个全面的了解。图一：纳米粒子向肿瘤细胞输送药物时的生物障碍。为了获得有效的治疗结果纳米粒子必须（a）在血液循环系统中存活，（b）穿过肿瘤血管并通过溢出物累积在肿瘤点，（c）通过细胞外基质扩散到肿瘤细胞表面，（d）通过特异性配体受体对结合与靶向细胞表面相互作用，并且（e）通过内吞作用内化并通过降解路径到达亚
4、细胞靶点。图一 描述了纳米粒子从注射到人体内到到达目标点这段距离遇到的重要的体内障碍物。为了得到一个成功的治疗结果。纳米粒子必须要在血液循环中保持完整的结构，聚集在肿瘤点，通过细胞外基质扩散，与细胞膜相互作用,内化到目标细胞,并达到亚细胞的目标。在每个阶段,周围的微环境都扮演了一个重要的,但不同的角色决定 NP 的命运。每一阶段发生的重要的相互作用的巨大的差异需要纳米粒子发展为在多变的生理环境下能够发挥最佳的作用。本文总结了最近的对发生在这些阶段的 nano-bio 的相互作用的理解的进展。将这些阶段分成多个节点来描述 NPs 与肿瘤微环境 ,膜和受体以及与细胞内的隔间的相互作用。在每一节中,
5、我们将讨论每个生物环境的化学和结构组成,与 NP输送相关的环境的挑战,以及实施各种方法来克服形成期望的 nanobio 相互作用所遇到的的挑战。我们的目的是对 这些重要的相互作用做一种简洁的概述 ，并建议关键的设计原理，这是由于 NPs 被认为能够帮助设计更好的最终用来抗癌治疗的纳米材料。纳米粒子与肿瘤微环境的相互作用肿瘤微环境实体肿瘤的微环境是高度复杂和紊乱的，常会有血管异常和独特的病理。与健康的组织不同，肿瘤管脉系统的分布是不对称的，血管结构会发生扩张，还会出现高水平的混乱现象（图 2a）这些血管的异常加上血管被快速增殖的肿瘤压缩,就会影响血液流动和削弱肿瘤灌注。为了保持肿瘤的快速增殖,肿
6、瘤细胞通过血管生成的过程不断产生新血管。肿瘤的血管生成是失调的,或者是生理受损的,由于过多的血管再生催化剂,包括血管内皮生长因子(VEGF),基本成纤维细胞生长因子(bFGF)和肿瘤坏死因子-(TNF -),导致有缺陷的内皮缝隙连接（一般为 200-800nm）生成。这导致实体肿瘤出现血管泄露以及新陈代谢生理变异现象。由于反常的生理和新陈代谢，肿瘤与正常组织相比在 PH 值，营养物，氧含量以及氧化还原梯度等方面存在明显的差异（图 2b）。肿瘤的中心的 PH 值低于其边缘的 PH 值，这是因为对快速增殖的肿瘤细胞的氧气和营养物的供应不足。代谢失调，包括在养分不足或者含氧量较低的情况下出现高于常规
7、的糖酵解（厌氧分解葡萄糖），乳酸产量增高，三磷酸腺苷（ATP）发生水解现象。这些现象会导致肿瘤微环境酸化。特别基于膜的离子交换的主要激活作用导致PH 的改变。例如 Na + /H +交换，H +/乳酸转运蛋白交换。细胞在缺氧的情况下产生的 CO2在细胞表面的碳酸酐酶的作用下与 H+和 HCO3-发生水和作用，这也会导致肿瘤微环境酸化。肿瘤内发生氧化还原的过程是各种各样的，这是由于肿瘤细胞在生长阶段及其细胞组成的含氧量与正常细胞相比存在差异。通过氧化还原缓冲网络的裂解改变细胞搬运自由原子团和活性氧的能力。肿瘤微环境内关于活性氧片段的不平衡加上活性氧生理平衡失调， 会导致细胞信号网络异常。影响从细
8、胞增殖和激活到生长抑制和细胞死亡等细胞内的过程 ,这将导致基因组不稳定，可能导致肿瘤的形成。除了由于脉管系统和各种化学和代谢异常梯度导致肿瘤部位生理失调外,主要由 ECM 提供的肿瘤的物理结构也非常混乱。ECM 的组成成分如蛋白质、糖蛋白、蛋白聚糖,多糖等的生产过剩也与肿瘤的形成有关。富集的胶原蛋白和与肿瘤相关的纤维化的 ECM 可以提高生长因子信号,加强与恶性肿瘤相关的表型的发展,最终导致异常密集的蛋白质网络的形成。虽然肿瘤微环境的不同生理对高效的 NP 药物输送产生了有效的阻碍,这仍然有助于发展用来提高 NPs 的沉积成肿瘤效率特殊的设计策略。图 2： (a) 血管肿瘤环境的光学频域图像颜
9、色编码深度 :黄色( 表面)红色(深)( 比例尺:500m）(b)发生在肿瘤微环境各种相互作用:(1)通过血管扩散和对流;(2)与窗孔( 穿孔)和发生泄露的内皮连接的相互作用;(3)孔隙压力高,不宜大规模生产运输远离肿瘤;(4)纤维母细胞和分泌的细胞外基质(ECM)蛋白质网络 ;(5)核心细胞外 pH 值低,从里向边缘 PH 增加。(c)HN12 肿瘤 ECM 的扫描电子显微镜图像显示了致密的胶原网络( 比例尺:10m) 。纳米粒子向肿瘤微环境输送药物的挑战如之前所述，肿瘤微环境对纳米粒子的有效输送药物存在三个主要的挑战：（1）有限的可接近性和灌注；（2）与肿瘤相关的化学和新陈代谢梯度异常；（
10、3）富含蛋白质的 ECM 密集。实体肿瘤的血液流动和灌注的降低明显阻碍了纳米粒子从血液循环中到达肿瘤细胞。与正常的生理系统相比，肿瘤缺少有序的血管分支和断开，因此，想要纳米粒子在穿过肿瘤并且均匀分布是很困难的。此外,这些结构性变化改变局部血流量,增加血管粘性和几何阻力,这进一步限制了 NPs 在肿瘤部位的积累。当与由于快速增生的肿瘤细胞的血管压缩结合时,这些力量可以有效阻碍 NP 接近并在肿瘤中分布。高孔隙流体压力(IFP)通常与实体肿瘤的核心有关,还能削弱NPs 渗透到肿瘤中。此外 ,血管渗透性的增加和淋巴管阻塞淋巴引流的压缩,有助于提高肿瘤的孔隙流体压力。这些生理变化也促使肿瘤相对于正常的
11、生理机能存在代谢和化学梯度的差异。独特的化学梯度与肿瘤微环境有关,除了在正常的生理条件下,还需要确保 NPs 的大分子结构在各种条件下是稳定的。尤其是在NPs 聚合的情况下，酸性条件由于酸催化水解机制可能促进 NP 结构的退化。在氧化还原状态下敏感元件的改变也可以诱导由于肿瘤微环境导致纳米颗粒降解。对于这些纳米颗粒过早降解路径可导致次优的药物释放，从而降低其治疗效果。这些纳米粒子的过早降解路径可能导致药物释放达不到最优,从而减少其治疗效果。此外在肿瘤微环境中高浓度的蛋白质可能导致自组装的纳米粒子被改变亲水- 亲油平衡的蛋白质的表面吸附破坏。与肿瘤相关的 ECM 还对 NPs 通过实体肿瘤的运输
12、和渗透存在一个明显的障碍。基质细胞和成纤维细胞分泌胶原蛋白和高密度蛋白质网络 阻碍纳米粒子在肿瘤中的有效扩散和均匀分布。克服这些挑战的方法为了克服前面所提到的 NPS 输送到肿瘤微环境的挑战,已经有很多人在研究改善 NP 与肿瘤微环境的相互作用的方法。许多这样的设计策略已经用于一些纳米载体并且已达到高级阶段的临床翻译,包括阿霉素脂质体，凯莱,SGT-53,SGT - 94,BIND- 014,和 CALAA-01 等。通过纳米粒子的大小来达到被动定位而肿瘤的血管环境改变，对 NP 有效的进入肿瘤提出了挑战，增加通透性已作为一种常用的肿瘤定位策略得到应用。如前文所述，肿瘤部位通常表现出血管渗漏和
13、淋巴引流受损现象，这种现象称为渗透增强和滞留（EPR）效应。EPR 效应形成被动定位的基础，允许适当大小的纳米粒子选择性的积聚在肿瘤部位。人们普遍认为，大小在 20200 nm 的纳米颗粒可以利用这一现象。然而，值得注意的是关于纳米粒子可以通过相关机制达到被动定位仍存在争议。这主要是由于扩散和对流力作为主要的供力，导致纳米粒子在肿瘤部位的的被动积累；然而，最近的研究表明，相比血管中集流传输和肿瘤内压力增高，这些力量却是最小的。纳米粒子的刺激反应肿瘤微环境内代谢和化学差异为 NPs 设计成具有刺激反应属性提供了独特的机会,包括 pH 值、氧化还原电位 ,和温度,促进药物释放或 NP 退化等属性。
14、一些综述已经广泛的叙述了使用刺激反应材料来达到增强治疗有效载荷的输送。具体来说,使用刺激反应连接器如腙在 NPs 表面结合药物分子(如、阿霉素)可以增加药物在酸性肿瘤微环境和选择性对目标细胞的稳定性。同时,由于氧化还原状态或温度存在差异导致纳米粒子的分子构象发生改变，NPs 可以利用二硫化粘合剂或者聚合物如聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)来调节。高效的纳米粒子的肿瘤渗透方法ECM 的组成成分如胶原蛋白和其他的结构蛋白对纳米粒子的扩散来说是普遍存在的物理障碍（图 2c）。纳米粒子对 ECM 和肿瘤的有效渗透取决于纳米粒子的大小，形状和表面电荷。一般来说更小的，灵活的和电中性的纳米粒子比大
15、一些的形状锋利的和带电荷的纳米粒子渗透效果更好。人们认为调整纳米粒子的大小可以控制其对肿瘤的渗透率。黄等人 展示了纳米粒子对肿瘤渗透率是与其大小相关的，他们发现 2 纳米和 6 纳米的金纳米粒子可以深入渗透到多细胞肿瘤球体（MCTS ）中，而 15 纳米的金纳米粒子则不能。使用混合聚合物胶束(30、50、70 和 100 nm 直径 ),包括 1、2-二氨基环己烷铂(DACHPt)压缩的 PEG-b 聚(谷氨酸)和聚(谷氨酸) 对活的动物 (活体的)成像研究进一步证明了纳米粒子在肿瘤上的渗透率是跟其大小相关的。结果表明,30 和 70纳米胶束在超血管化的肿瘤中表现出类似的渗透深度，测量值多达
16、100m。这种肿瘤与异常大量的血管连接。相反,在低血管化的肿瘤中,只有 30 纳米胶束能够深入渗透到肿瘤(80m),而 70 纳米胶束 24 小时后才渗透到血管周围区域。此外,Sunoqrot 等人也报告说,相比于100nm 聚(丙交酯- co-乙交酯)- b 聚(乙二醇)(PLGA-PEG NPs，大小5nm 的聚酰胺(PAMAM)树枝状分子 (球形形貌的树状聚合物)能够更有效地渗透穿过 MCTS纳米粒子的形状，构象的灵活性和表面电荷都是影响其在肿瘤部位渗透率的传统参数。例如，基于荧光量子点的纳米粒子比球型纳米粒子更容易渗透到肿瘤细胞中，这是因为前者穿过肿瘤毛孔的能力得到了提高。Pluen
17、等人比较水力半径相同的右旋糖酐,蛋白质相比,聚合物珠,DNA 在琼脂糖凝胶中扩散的能力。这发现柔性大分子的扩散系数大于刚性或球形的大分子。这项研究表明,高分子的构象灵活性允许表层塌滑通过 ECM 网络对于纳米粒子渗透到肿瘤的核心是非常重要的。除了形状和灵活性外,NP 的表面电荷也可以确定其渗透效率。据报道,在一般情况下,电荷中性粒子比带电粒子能更有效的渗透到肿瘤中,导致更均匀的肿瘤分布。而阳离子分子也许能够有效的初步积累,带电粒子可以非特异性的与肿瘤环境的组分相互作用,如带正电荷的胶原蛋白或带负电荷的透明质酸,这阻碍了他们有效的渗透。此外,有一种方法,在纳米粒子的表面表面覆盖主动降解胶原的胶原
18、酶，可能有助于克服与肿瘤相关的致密胶原网络。古德曼等人使用 MCTS,并观察到的覆盖有胶原酶的聚苯乙烯 NPs(直径 100 纳米)与大小相同，没有表面覆盖的纳米粒子相比交付到球体核心的能力增强四倍。最近提高 NP 在肿瘤上渗透其他方法包括肿瘤血管正常化和抗血管生成疗法可以通过增加血液流动和恢复正常的血管壁压力梯度恢复 NP 接近肿瘤。如之前所述，纳米粒子与肿瘤微环境的相互作用对纳米材料与肿瘤微环境的相互作用在调节 l 材料及其有效载在荷瘤内的分布上可以发挥明显的作用。NPs 克服肿瘤微环境提出的挑战的能力使它继续到下一个重要的生物相互作用。纳米粒子与细胞膜的相互作用细胞膜与其表面受体细胞膜是
19、活细胞的边界，具有分离细胞内的组成成分与周围的细胞外微环境的功能。细胞膜由多个组件,特别是磷脂和胆固醇,排列成一个灵活、弹性、高度可变形的双层结构。膜的外表面装饰着各种各样的周边和内在膜蛋白和和受体。作为细胞信号的关键，具有调解,绑定和内化的作用。具体地讲，表面结合的受体对于离子的传递和大分子是跨膜是重要的，膜的不可渗透性是因为细胞膜的严格控制的组合物通常只允许小的和非极性分子的被动扩散。受体是对特定的化学信号做出反应和作为信号传递着的整合膜蛋白。其结构通常由细胞外,跨膜和胞内域组成。大多数哺乳动物细胞的表面覆盖着成千上万的调节各种细胞表面相互作用的受体,从粘附/绑定现象到细胞间的沟通。重要的
20、是,正常和恶性肿瘤细胞细胞表面受体之间的差异表达,可以作为识别癌细胞一个方法。例如,如叶酸(FA)受体,整合蛋白,前列腺特异膜抗原,CD44(一种细胞表面糖蛋白), 人类表皮生长因子受体 2,血管内皮生长因子(VEGF)、血管细胞粘附蛋白 1,表皮生长因子受体都被证明是在特定的癌细胞的表面过度表达。更多的在癌症细胞中过度表达的受体的扩展单可以在网上方便找到。纳米粒子与细胞膜的相互作用的挑战细胞膜对纳米粒子的有效定位输送药物的挑战主要集中在两个方面：（1）强大的特异性纳米粒子与细胞表面的相互作用的形成；（2）纳米粒子的靶向配体对目标细胞表面受体的可接近性。我们会叙述由于细胞膜对纳米粒子输送药物的
21、挑战造成的问题。设计出能够与细胞膜形成强大的特异性相互作用的纳米粒子，对于获得纳米粒子的高校输送来说是非常重要的，可以在纳米粒子的表面采用特殊的配体修饰，这种配体可以与癌症细胞的表面受体特异性结合。这种方法可以使得各种治疗药物如，小分子蛋白质、核酸等的靶向效率提高。然而，细胞膜表面覆盖有的带电部分和疏水斑块通常会导致纳米粒子与细胞表面受体非特异性结合。另外，癌症细胞表面的一些特异性受体配体对的弱连接性如，精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）肽配体，精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸-丝氨酸（GRGDS）与 v3 整合蛋白的连接（最大抑制浓度的一半( IC50 ) = 1M)）可能会抑制纳米粒子的有效摄入。
22、另一个挑战是配体对受体的可接近性。如果受体抑制了配体的接近，这将会降低细胞与靶向纳米粒子的相互作用。纳米粒子表面连接的靶向配体的表面可接近性可被以下两个因素抑制：（1）蛋白质电晕的形成；（2）由于纳米粒子的弱的水溶性导致其表面的配体的呈现性较差。纳米粒子注射到血液中后，纳米粒子表面会立即形成蛋白质电晕，这会降低纳米粒子的自由能。报道说蛋白质电晕与纳米粒子的连接较紧，且是不可逆的。蛋白质电晕与纳米粒子的结合靶向配体的表面呈现性，阻碍了期望的受体配体对的结合。另外，疏水靶向配体与纳米粒子表面的结合会由于溶解性的不同影响配体在纳米粒子表面的呈现百分数导致的纳米粒子与细胞表面受体的连接性降低。当设计载
23、药输送的纳米粒子时，细胞膜与细胞膜表面的受体给纳米粒子带来的挑战是最难克服的。克服这些挑战的方法为了克服细胞膜与细胞膜表面受体给纳米粒子带来的挑战，大量的方法被研究以提高靶向药物输送的效率。最小的非特异性摄入的纳米粒子与细胞膜的强的特异性结合的形成可以通过纳米粒子的物理化学组成的合适的选择来获得。为了纳米粒子能够形成特异性细胞相互作用，可以调整纳米粒子的表面功能。纳米粒子表面的调整可以通过化学反应处理，例如氨基和羧基组可以使用多种化学反应来连接具有靶向，成像和治疗功能的基团。配体对肿瘤细胞表面受体的可接近性可以通过使得蛋白质电晕的形成最小化和控制纳米粒子的疏水性来提高。表面电荷对纳米-细胞膜体
24、系的相互作用的影响为了从根本上提高纳米粒子对靶向细胞表面受体的特异性，应该详细的选择纳米粒子表面的配体组。人们已经使用大量的纳米载体包括无机纳米粒子、聚合物纳米粒子、树枝状分子、脂质体和微胶粒等来研究基于表面电荷的细胞相互作用。一般情况下，正电荷的表面配体可以诱导纳米粒子与表面呈负电荷的细胞膜非特异性静电相互作用的形成。例如，带正电的胺终端的 PAMAM 树突分子呈现出与细胞膜形成强的非特异性相互作用，而呈负电荷以及电中性的PAMAM 树突分子则不可以。我们最近研究发现树突胶束显示出最弱的非特异性相互作用是由于高密度的 PEG 层，低表面基团的对分子量比率，以及胺端粒的隔离进入 PEG 支柱。
25、虽然如此，研究的结果通常支持使用表面暴露有正电荷的配体的纳米粒子会增强与细胞表面形成非特异性相互作用，并且通常会产生毒性。对于靶向载体来说这类现象是不理想的。通过在纳米粒子表面并入配体达到主动靶向为了获得与低水平的非特异性细胞发生靶向特异性连接相互作用，纳米粒子的表面更倾向于呈现负电荷或者电中性，并且与靶向配体连接。这种输送方法利用特异性受体配体对的相互作用使得纳米粒子能够主动定位肿瘤细胞。鉴于主动靶向是最普遍的有效的靶向策略之一，一系列的报道中提到大量的纳米粒子都采用了这种方法。在很多有潜力的系统中，Kiziltepe 等人，研究出一种非常先进的抗-4（VLA4 ） -靶向胶束纳米粒子能够对
26、具有细胞粘性介导的抗药性的多发性骨髓瘤细胞进行定位。在 MM 异种移植模型中，人们发现靶向药物的在肿瘤细胞表面的积累量是非靶向药物的 10 倍之多，这在抑制肿瘤生长方面有着深远的意义。Acharya 等人研究雷帕霉素- 密封的 EGF-靶向 PLGA 纳米粒子针对恶性 MCF-7 细胞的接近性并计算纳米粒子的摄入量和毒性。结果表明雷帕霉素的治疗指数有所提高，即与非靶向 PLGA 纳米粒子相比，细胞摄入量和爆炸释放率都有增强（在 24 小时内，非靶向纳米粒子的爆炸释放率只有 18%）。与密封药物结合提高纳米粒子的细胞摄入量对未来设计出应用于临床应用的有效的靶向纳米粒子提供了一个机会。多价结合最有
27、潜力的方法之一是利用多价相互作用来提高特异性受体配体对的相互作用。多价结合定义为同时在纳米粒子表面绑定多个配体，这可以明显提高低亲和性的配体的特异性处理。这种亲和力的优点使得大量的配体靶向药物输送体系得以发展并用于治疗各种疾病。其中，利用多价绑定的的树突分子被认为是促进多价绑定相互作用最理想的纳米材料之一。用 FA 或抗上皮细胞粘附分子（aEpCAM）对叶酸分别结合蛋白质或者 EpCAM 功能化的 PAMAM 树突分子的结合动力学通过使用表面等离子共振来评估。人们发现树突分子能够有效的调整多价结合，导致离散常数明显的提高（K D）（与无 FA 和 aEpCAM 相比分别增大了150000 和
28、1 百万倍）。使用线性树突状嵌段共聚物胶束，多价约束力效应也被用来提高他们的靶向效率。Bea 等人也证明了由于多价结合相互作用，由叶酸-PEG-聚（天冬氨酸腙阿霉素）聚合物构成的胶束的细胞摄入量明显增强了 10 倍。附加注意事项：蛋白质电晕和配体的溶解性纳米粒子表面配体对其相应受体的相互作用的能力本质上影响特异性结合相互作用。对纳米粒子来说首要克服的挑战是细胞表面形成特异性蛋白质电晕。纳米粒子进入生物流体中生物分子（特别是蛋白质）会立即吸附在纳米粒子表面形成蛋白质电晕。蛋白质电晕的特点是使用聚苯乙烯和大小不同的二氧化硅纳米粒子在其表面功能化。研究发现在 30s 内超过 300 种蛋白质吸附在纳
29、米粒子的表面，并且随着时间的增加蛋白质的数量减少。在不同的时间吸附在纳米粒子表面的相关蛋白质被发现能够影响生物性质，如溶血现象(血红细胞破裂），血小板激活（促进凝固），摄入，内皮细胞死亡。最近的一些研究都集中在探索蛋白质电晕的影响以及其如何影响生物相互作用。Salvation 等人在 50nm 的荧光二氧化硅的纳米粒子表面连接铁传递蛋白，观察蛋白质电晕与靶向细胞的相互作用。研究发现靶向纳米粒子的特异性消失了。这是由于蛋白质电晕利用转铁蛋白受体来筛选纳米粒子转铁蛋白的特异性相互作用。研究结果显示纳米粒子的靶向能力应该根据他们在生物活体内的行为来对其进行修正，以确保尽可能获得最精准的结果。除了蛋白
30、质电晕的形成之外，配体溶解度也会影响其在纳米粒子表面的呈现性，潜在的改变纳米粒子的靶向能力。研究发现，使用由 PLGA-PEG 组成的纳米粒子时，将近 100%的具有亲水性的靶向配体 PEG 呈现在纳米粒子的表面。然而，当使用疏水的 FA 时，纳米粒子上所有配体只有 20%呈现在纳米粒子的表面。克服这个问题的方法是在从纳米粒子的表面的配体的终端连接 PEG,来扩展靶向配体使得配体能够更有效的接近受体。纳米粒子与胞内环境的相互作用纳米粒子进入细胞及胞内环境一个细胞的胞内组成与胞外环境有着显著的差别，以一个真核细胞为例，脂类膜将细胞器与细胞质分开，因此就会存在许多小的信号传递物质。与可以将不带电的
31、小分子进行跨膜运输的被动运输机制不同，纳米粒子通常可以通过一个通道或者与内吞作用结合的通道将分子内化到细胞内。依赖于非特异性的或特异性的相互作用的类型，纳米粒子在细胞表面存在需要能量的和不需要能量的两种机制使得纳米粒子内化到细胞内。文献中提到的每一个内化路径的相关细节都已经被进行了扩展性研究。可以将内吞作用或者需要能量的细胞摄入分为两类：吞噬作用和吞饮作用。一般来说，吞噬作用是受体调节的，并且作为人体固有免疫系统的一部分，它具有将病原体移出体外的作用。只有一些特殊的细胞才具有这种作用，例如嗜中性粒子细胞，巨噬细胞，树突细胞，单核细胞和肥大细胞（图 3a）。相比于吞噬作用，吞饮作用几乎出现在所有
32、类型的细胞中，并且是分子进入细胞的主要的耗能机制。通常会有四种吞饮作用：大胞饮（图 3b），胞膜窖调节的内吞作用（图 3c），网格蛋白调节的内吞作用（图 3d）以及独立于胞膜窖和网格蛋白的内吞机制（图 3e）。这四种机制彼此之间都存在明显的差异，特别是它们表面覆盖的涂层的成分，血管的大小以及内化分子的退化结果不同。图三：有代表性的纳米粒子内化机制。（a）大颗粒通过吞噬作用内化，（b）小颗粒通过非特异性大胞饮内化，小于 1 微米，别的多种内吞作用有（c）胞膜窖调节的内吞作用，（d）网格蛋白调节的内吞作用，（e）独立于胞膜窖和网格蛋白的内吞机制。大胞饮内化粒子是非特异性的，并且通过内溶酶体路径将粒
33、子运输至退化，胞膜窖控制的内吞作用采用覆盖有胞膜窖-1 或者胞膜窖的血管内化分子。特异性配体（例如，FA）或确定的病原体，例如猿肾病毒可以通过一个胞膜窖控制机制诱导内化作用。胞膜窖的精确胞内运输路线仍然存在争议，但一般人们对于这个运输路线是非酸化的，可自由分解的是认可的，即使溶酶体路径不能被完全忽视。相比之下，网格蛋白控制的内吞作用则通过形成覆盖有网格蛋白的血管来内化分子。覆盖有网格蛋白的血管最终将粒子通过内溶酶体运转路线退化。特异性配体（如，低密度脂蛋白LDL，铁传递蛋白，EGF 和胰岛素）可以通过这个路径诱导吸收。虽然存在不依赖于胞膜窖和网格蛋白的内吞机制存在，但是想要完全理解他们仍需要进
34、一步探究。在所有的细胞器中，细胞核是重要的组成之一。因为 DNA 在细胞核中发生转录和复制。细胞核被双层核膜所包围，使其与细胞液（即胞内流体）隔开。当分子小于核孔复合物（9nm）时，例如 DNA，分子就可能会由于自由扩散进入细胞核中，而大分子则需要通核输入受体主动运转介导进入核内。人们已经发现一些作为核定位信号的蛋白质可使核膜上的蛋白受体发生活化并引起核内化作用。传统的 nls 包括 SV40，T 抗原 nls 和核浆 nls, N-terminus 包含四个或更多的重复的碱性氨基酸的群集,这可以通过导入受体来辨别。在真核细胞中线粒体占了很大的体积，其主要的作用就是产生能量。同时线粒体也参与细
35、胞内的信号传递、细胞分化和细胞凋亡等细胞过程。各种各样的疾病，包括神经退行性疾病、心血管疾病、糖尿病和癌症都与线粒体功能紊乱有关。这为这些疾病的治疗提供了较清晰的方向。纳米粒子与细胞内环境的相互作用的挑战细胞内组成对纳米粒子的传递有很大的挑战。（1）内逃脱；（2）纳米粒子的亚细胞靶向效率。依赖于内化机制，纳米粒子可以通过内溶酶体通道传递。在这种情况下，纳米粒子和其负载的药物会被溶酶体仓内严酷的环境，如较低的 PH 值和各种各样的酶所降解，这就会使得治疗效果大打折扣。例如，粒质 DNA/糖基化的多熔素与允许有效的内逃脱的膜融合肽配合的转染效率是与 HepG2 细胞配合的转染效率的 10 倍。同样
36、,当由于配合物无法有效的通过膜融合逃避核内体，用到耐酸的聚乙二醇脂质时，聚乙二醇阳离子脂质体/ DNA 配合物的转染效率明显减少。因此,纳米粒子在受到溶酶体介导的消化之前逃避核内体是非常重要的（图4）。图四：期望的纳米粒子胞内传递，通过核内体逃脱使得纳米粒子累积在细胞质基质中，并且允许亚细胞靶向。选择合适的纳米材料的设计纳米粒子如利用质子海绵效应或者与膜融合肽结合都可以减缓纳米粒子在溶酶体内降解（点状纳米粒子所示）。从核内体中逃脱之后，纳米粒子积累在细胞质基质中，并且向更多的特殊的亚细胞组成如线粒体或者细胞核释放负载药物以达到更有效的靶向作用。根据所交付的药物,亚细胞定位可能是必要的。引入外源
37、质粒 DNA,例如,达到核导致蛋白表达。在这种情况下,NPs 需要穿过细胞质,找到有靶向细胞器,诱发他们的药物发生跨核膜易位。虽然这种传递策略可能会进一步提高治疗效率,这也进一步使得 NPs 的设计考虑变得复杂了。幸运的是,克服与细胞内的隔间相关的挑战的策略也已经被开发出来。解决挑战的方法纳米粒子有效的内逃脱的方法为了克服胞内环境给纳米粒子带来的挑战，科学家们发展了一些方法。由于纳米粒子主要通过内吞作用来内化到细胞内，内溶酶体运载的药物释放对于有效的治疗是非常重要的。最普遍的就是采用质子海绵效应来增强内逃脱。基础的聚合物如聚乙烯亚胺和 PAMAM 聚合物有将氢离子注入核内体的作用，这是由于他们
38、的化学结构中存在许多二、三级胺团体。结果,这使得囊泡内的渗透压增加,导致大量的水涌入囊泡中。囊泡的渗透肿胀最终导致内吞作用的泡破裂,从而释放夹 NPs。两亲性 pH 敏感的膜融合(促进融合)化合物也被证明能提高NPs 通过膜融合和随后的内体膜的不稳定性从核内体逃脱。这两种机制导致部分退化的 NPs 被释放到细胞的胞质中,这在许多情况下,使得纳米粒子能够释放足够的封装活性治疗药物和获得期望的结果。一些病毒和细菌利用胞膜窖调节的路径来避免溶酶体降解。因此,利用胞膜窖调节的内吞作用是 NPs 避开溶酶体降解的另一种方法。一些靶向配体,如 FA优先指导 NP 对这个途径吸收已经被用作另一个策略来克服负
39、载降解。然而,实现利用 NPs 完全控制内化途径仍然是一个挑战。此外,对胞膜窖调节的途径与网格蛋白调节的路径相比来说是相对有限的,因此仍需要进一步研究。胞内靶向尽管没有必要对所有类型的基于纳米粒子的药物输送细胞内定位,它大大提高了 NPs 携带药物特定于细胞内的目标的治疗效果。NPs 特殊材料的特性可以用来设计向亚细胞的隔间传送有效负载的载体。上一节中提到的,NLSs 的耦合可以用来促进大分子在核膜的通过,以提高它们的转染效率。另一个新兴的方法是采用蛋白质转导域(PTDs),包含非典型的 nls 并使用他们的阳离子域来有效浓缩 DNA 或 RNA。常用的蛋白质转导域包括 TAT(GRKKRRQ
40、RRRPQ)肽来自反式激活因子的转录,触角,VP22 蛋白已经被证明能够有效率地将 DNA 输送进入细胞核。NPs 承载表面带正电的分子,通常聚积在线粒体上,因为线粒体的外膜电位是大约-130 mV -150 mV,远低于其他细胞器。然而线粒体定位可能不是实际使用带正电的 NPs。由于循环半衰期短,非特异性结合,和在前面的章节讨论过的潜在的细胞毒性。相比之下,表面装饰的 NPs 与线粒体靶向肽是一个不错的选择。而细胞内舱带来挑战,可能会干扰治疗有效载荷的成功传递,提到的策略提供有用的解决方案来实现所需的生物反应。总结很明显，从注射到血液中直到最终到达目标点，然后得到期望的生物反应的这段路径纳米
41、粒子面临很多困难的挑战。为了开发出高效率的纳米粒子，设计出能够有效的优于每一种生物障碍是非常重要的。通过系统设计的 NPs 优先控制 nano-bio 相互作用,可以避免许多试错过程,体外向体内转译所需的时间可以显著减少。在表 1 中,我们总结的本文中描述的特殊设计的 NPs 已被证明能产生积极的结果。对于有效的肿瘤靶向的 NPs 的传递,NP 的大小必须足够大,通过提高渗透率和保留效果能够在肿瘤部位积累,但是又必须小到可以穿透到肿瘤深处的部位。NP 还必须能够与细胞膜形成一个强大的、特定的相互作用，跨过细胞膜,从囊泡运输中被释放,最终到达他的亚细胞目标。然而,这里讨论的所有策略不能被用于一个纳米载体系统。相反,为了达到所需的生物或临床结果 NPs 的设计特点应该考虑到特定的应用。因为很多 NPs 目前正应用于临床试验,我们可能会获得 NPs 与周围的生物环境的相互作用的临床相关知识。而这最终会使得转换 NPs 成为为一个真正的治疗许多疾病的解决方案。表一问答这项工作是由批准号为 KG100713 的苏珊G科曼基金会,亚历克斯的柠檬水站儿童癌症基金会,以及韩国的小型和中型企业管理部门提供资助。R.M.P.承认 UIC 提供的院长奖学金的形式。
