1、1. 第 2 章 纳米抗肿瘤药物2.1 概述进入 21 世纪的今天，随着疾病谱的改变，非传染性慢性疾病已成为人类健康的主要敌人，其中尤其是癌症。癌症的发病率目前虽居心血管疾病之后，但因其患者多为 65 岁以前的中老年，且治愈率低，患者生存期较短，因而更受到人们的关注。随着对肿瘤认识的深化和诊断手段的提高，在癌症治疗上也已经取得长足的进步。如保存功能的外科根治术、靶向药物治疗、定位精确的三位放疗等相继出现，各种传统的治疗方法在提高疗效与保持生活质量方面也取得进展。但在世界范围内癌症的总体发病率及死亡率仍在不断上升，由于发达国家将污染工业向发展中国家转移等因素，发展中国家的情况尤为严重。估计 20
2、20 年，全球癌症的发病数和死亡数将分别达到 2000 万和 1200 万，且绝大多数在发展中国家 1。2.1.1 肿瘤的病理与生理特征 21 肿瘤的病理特征肿瘤是在各种致癌因子的长期协同作用下，某些易感细胞逐渐发生的过度而异常的增生，往往持续生长伴有分化与增殖的调控障碍，与整体不协调，表现为局部肿块。这个定义表明肿瘤最重要的特征是细胞的遗传特性发生了转变。肿瘤的细胞异常增生与非肿瘤性增生具有本质的区别。机体在生理状态以及在炎症、损伤修复的病理状态下，也常有组织细胞的增生，这些增生是在一定刺激下发生的反应性增生，是限于一定程度、一定时间和范围的。一旦刺激因素去除，增生就会随之停止。而且非肿瘤性
3、增生时增生的细胞分化成熟，与整个机体的生长相协调，所生成的组织结构与原有或正常的组织相似，可恢复原有的功能。人体的任何部位、任何组织、任何器官均可能发生肿瘤，肿瘤的类型也多种多样。机体的大部分组织都是由三大类细胞构成，按分化成熟程度分为：干细胞、成熟细胞与功能细胞。肿瘤起源于机体不同分化阶段的正常干细胞，主要表现2为分化障碍，不是丢失，而是不能获得细胞成熟的特性。其中起源于低分化阶段的干细胞的肿瘤，其自身分化亦低，恶性程度则较高；而起源于高分化阶段的干细胞的肿瘤，自身分化亦高，恶性程度则较低，或不具有恶性行为。2 肿瘤细胞的生物学特征(1) 自主性 在正常情况下，机体通过神经、体液等机制的调节
4、，对细胞的分化与增殖都有着严密的调控作用，而肿瘤细胞则不受机体的调控，且其增殖速率也大于正常细胞。(2) 不成熟性 肿瘤细胞向不成熟方向分化，因而缺乏成熟细胞的形态和功能，其分化过程不受机体的调控。(3) 侵润性 良性肿瘤一般仅限于某局部，不向四周扩散侵润。恶性肿瘤则常突破基底膜向深部侵润，或通过血管、淋巴管等向远处转移。 3 肿瘤细胞的生物化学特征(1) 肿瘤细胞膜的改变 主要是大分子糖蛋白及糖脂的糖链改变，引起其结构变化而使细胞膜改变，随之细胞膜的功能改变，如膜的流动性增加，对氨基酸等物质的通透性增大。(2)肿瘤细胞代谢改变 肿瘤细胞的蛋白合成及分解代谢都加快，但合成代谢大于分解代谢。肿瘤
5、细胞可与正常细胞争夺合成蛋白质的原料物质合成自己的蛋白，并作为肿瘤相关抗原引起机体的免疫反应。在糖代谢过程中肿瘤细胞以糖酵解作用为主，酵解过程中的代谢产物可被肿瘤细胞用来合成蛋白质、核酸或脂类，从而为肿瘤生长提供物质基础。(3) 肿瘤细胞信息系统的改变 肿瘤细胞的 cAMP/cGMP 下降 cAMP 具有抑制细胞增殖、诱导细胞分化的作用，而 cGMP 则相反，此比值下降可使细胞增殖失控。钙与钙调蛋白增高 结果提高肿瘤细胞内钙的水平。 活化蛋白激酶 c 该酶在癌变过程中起重要作用，其活化可使多种底物磷酸化，增大膜的通透性，提高细胞内的钙、钾水平，促使细胞增殖。2.1.2 肿瘤的生长 2肿瘤通过细
6、胞增殖而不断生长发展。正常细胞的生长依赖于生长因子的调节，肿瘤细胞很少或不受生长因子的调节而具有持续性增殖能力，正常细胞的3调节系统在肿瘤细胞中不再发挥作用。1 肿瘤的生长机理肿瘤在正常组织结构中生存发展，必须克服周围组织的张力，只有当瘤细胞达到一定量时才能产生足够的压力克服这种张力，肿瘤才得以迅速生长。实体瘤的生长一般首先经过一个无血管期，此时主要靠弥散摄取营养物质。在此阶段肿瘤大小通常不超过 1.2mm，细胞数在 107以内。此后血管长入，肿瘤进入有血管期，肿瘤的生长也骤然加速，体积迅速增大。随着血管的形成，2周内肿瘤得到数厘米或数十厘米，血管周围 100m 以内的肿瘤细胞生长活跃，有较多
7、的核分裂象。血管密度愈大，肿瘤生长愈快。很多实体瘤细胞均可产生一种肿瘤血管形成因子（tumor angiogenesis factor, TAF） ，TAF 可促进宿主毛细血管和小静脉内皮细胞分裂和刺激毛细血管生长。还有激活细胞蛋白酶，导致间质成分降解，从而促进内皮细胞移动和新血管的形成。TAF 来源于抑瘤细胞，其量与肿瘤生物学特性及存在方式有关，分化差者其量较多。若肿瘤内没有能产生 TAF 的细胞株，该肿瘤就不能生长，或长期潜伏，或最后消退。有人试图利用 TAF 为核糖核蛋白或多肽从而具有抗原性的特点，制备抗 TAF 抗体，或寻找药物来封闭 TAF，阻碍其与血管的结合，为战胜肿瘤提供新的途径
8、。 2 肿瘤细胞的增殖周期细胞从第一次分裂末到下一次分裂末的一个周期，称为细胞的增殖周期。该周期分为 4 个时相：G 1期，为 DNA 合成前期，细胞明显增大，RNA 及蛋白质的合成迅速。DNA 和所需的各种前体物质如三磷酸脱氧核苷等，均在此期合成。S 期，为 DNA 合成期，利用 G1期合成的各种前体物质来合成脱氧核糖核酸。G 2期，为 DNA 合成后期，DNA 合成终止，细胞完成分裂准备。M 期，为有丝分裂期。细胞能否启动周期进入增殖，主要的调控点在 G1期的限制点。在该点细胞整合内外源信号，决定细胞继续增殖、分化，或是停留于该期，或自动凋亡。细胞一旦跨越该点，则将以既定速率完成余下各期。
9、同时，在细胞周期的任何一个时相，如果生物合成被阻断，即能使整个细胞增殖周期中断，从而阻断细胞生长。根据不同的细胞周期，利用药物对 DNA、RNA 及蛋白质合成部位的作用，4可取得抑制肿瘤的治疗效果。细胞增殖动力学与细胞分裂、分化的控制和肿瘤的治疗密切相关，可用以指导化疗、放疗方案的设计。3 肿瘤的生长速率对肿瘤增殖规律的研究发现，由一个瘤细胞增殖 10 代可得 1000 个细胞，重 1g，临床不能发现；增殖 30 代，瘤细胞数可达 10 亿个，重 1g，可能摸到癌块；增殖 40 代，细胞数量达万亿个，重 1 kg，可致死。临床发现，绝大多数肿瘤生长的快慢并非决定于单个的癌细胞的数量，而是取决于
10、进入细胞周期的细胞群体的大小。恶性肿瘤分化程度低、生长快，肿瘤的恶性程度愈高，生长愈快，短期即可形成较大肿块。肿瘤的生长方式与肿瘤类型、分化程度和发生部位均有关。肿瘤生长是瘤细胞增生的结果，但增生分裂的瘤细胞也会发生一系列丢失，包括坏死、分化（部分瘤细胞可向成熟细胞分化）和因细胞本身缺陷而静止、自然死亡等。因此瘤干细胞的数量、丢失因素和血管形成因素等，均是影响肿瘤生长速率的重要因素。对肿瘤实施治疗的目的，就是使肿瘤细胞最大程度丢失而治愈。2.1.3 肿瘤的浸润与转移1 肿瘤的浸润 某些组织或细胞在质和量两方面异常地分布于细胞间隙的现象称浸润。肿瘤浸润是肿瘤细胞和细胞外基质在宿主多种因素的调节下
11、相互作用的结果，是肿瘤细胞分离、酶降解、移动、基质内增殖等一系列过程的表现。通常瘤细胞从原发部位侵入周围间质后，首先在压力最小处侵入组织间隙、淋巴管、血管和神经周围，然后侵入邻近组织并增殖生长，进而破坏邻近组织和器官。若瘤细胞侵入邻近淋巴管、沿淋巴管管壁蔓延，称淋巴管穿透；若肿瘤细胞侵入毛细血管和小静脉后沿着管壁生长蔓延，称血管穿透。2 肿瘤的转移 瘤细胞从原发部位侵入淋巴管、血管或体腔，被带到他处继续生长，形成与原发瘤类型相同的肿瘤，这一过程称转移。转移后形成的肿瘤称转移瘤或继发瘤。2.1.4 肿瘤的化学药物治疗 3人们对恶性肿瘤的治疗提出 3 大支柱方案：外科手术治疗、放射治疗和化5学药物
12、治疗。外科手术治疗不是肿瘤的唯一治疗方法，但对大部分实体瘤仍然是首先考虑的主要方法。放射治疗是肿瘤治疗过程中不可缺少的手段，70的患者在不同时期内都需要放射治疗（包括根治性治疗和姑息性治疗） 。所用仪器也愈来愈多，治疗计划系统和模拟机及计算机工作站的应用也愈来愈普遍，立体定向放疗能促进并提高肿瘤放疗的疗效。同时人们也看到外科手术治疗和放射治疗的限制和缺点，如不能保证根治和副作用大等。随着肿瘤病因、癌变机理、肿瘤生物化学和免疫学研究的深入，人们对化学药物治疗寄予很大希望。目前化学药物治疗分为根治性化疗、辅助性化疗、诱导化疗与姑息化疗。1 化学药物治疗(1) 化疗药物 化疗药物根据对细胞杀伤的特点
13、和作用的时相分为两大类。细胞周期非特异性药物 各种烷化剂及抗肿瘤抗生素多属此类，它们可杀伤各种细胞，细胞对其敏感性与增殖状态无关，大多在大分子水平上直接破坏 DNA，或与其形成复合物从而影响 RNA 转录和蛋白质合成。细胞周期特异性药物 这类药物包括大部分抗代谢物及植物药。细胞对它们的敏感性与增殖状态有关，主要作用于某一时相。它们大多在小分子水平上发挥作用，或抑制 DNA 的合成，或抑制蛋白质和 RNA 的合成。根据其对周期内处于不同时相细胞的作用点不同，又分为 S 期特异性药物、M 期特异性药物。(2) 适应证的选择对药物敏感的肿瘤，如恶性淋巴瘤、急慢性白血病、多发性骨髓瘤以及生殖系统肿瘤等
14、，晚期病变广泛者，可只用药物治疗，早期病例可与手术和放疗综合应用。对药物中度敏感的肿瘤，如乳腺癌、肺癌、肾母细胞癌、神经母细胞瘤、尤文氏瘤等，可采用综合治疗，病变广泛者可仅用药物治疗。对药物不敏感的肿瘤可利用不同的给药途径提高疗效，如膀胱癌作膀胱内灌注和膀胱镜下局部注射。癌性体腔积液，包括胸腔、腹腔、心包腔，采用腔内注射常可使积液控制或消失。呼吸道、上腔静脉、脊髓压迫及脑转移颅内压升高者多先用化疗。62 肿瘤化疗的治疗屏障(1) 无选择性 目前使用的抗癌药均有程度不同的不良反应，在杀伤癌细胞的同时，对正常细胞和组织也有一定损害，包括近期反应与远期反应。多数抗癌药均有骨髓抑制、胃肠道反应、脱发、
15、局部毒性和心、肝、肾、膀胱等毒性、神经毒性以及皮肤反应与过敏反应，远期毒性包括致癌、不育、致崎等，患者顺应性差。应用靶向制剂是克服化疗无选择性、毒性大的有效手段，如卡铂对小细胞肺癌、卵巢癌、睾丸肿瘤和头颈部鳞癌有较好的疗效，主要毒性为骨髓抑制、胃肠道毒性、耳毒性和过敏反应 4。为了提高对肺癌的疗效，将卡铂制成肺靶向泡囊，小鼠静注后体内分布研究表明，泡囊与原药相比，3 个靶向参数均说明肺靶向性明显：相对摄取率肺的最大，为 3.43，靶向效率增加19 倍，峰浓度比亦为肺脏最大，为 1.51。对小鼠肺脏 S-180 肺癌生长的抑瘤作用较原药有显著提高（P0.05） 5。 (2) 与血浆蛋白结合 抗癌
16、药物静注后，经过肝和血液循环才能到达靶部位，相当数量的药物会与血浆蛋白结合而失活，具有生物活性的游离药物量大大减少，从而使药效明显降低。如顺铂经静脉给药 2h，就有 98与血浆蛋白结合，仅余 2发挥抗癌作用。如将药物直接在靶部位的血管注入，尽量不使药物与血浆蛋白结合，药效可提高 222 倍，疗效提高 410 倍。(3) Jain 氏屏障 实体癌具有完全不同于正常组织的血管结构，瘤体中心静压较高，外围静压较低，形成所谓 Jain 氏屏障 6，阻止抗癌药进入瘤体内，无法显现应有的疗效。肿瘤体内植入，可能解决这个问题。如将氟尿嘧啶微球植入实体瘤 Lewis 肺癌的瘤体内缓慢释放药物达 2 周以上，抑
17、瘤率由原药瘤体内注射的 37.7%提高到 60.6%，且微球无外周组织淋巴细胞的浸润（原药组瘤细胞有浸润） ，对脾的毒副作用亦低于原药 7。另外，应用脂质体亦有助于抗癌药物进入癌细胞，其分布与毒性均有明显改善。3 耐药机理与多药耐药性(1)耐药机理 化学药物对增殖迅速的肿瘤，特别是初始病人，疗效最好。但经过几个疗程后，继续使用原方案，往往肿瘤不见缩小反而有所增大。这就是耐药性。耐药的机理可能有：有些肿瘤细胞处于抗癌药难以达到的部位（如脑和睾丸） ；抗癌药的提取、酶的活性、DNA 的修复、代谢途径等生化机7理改变；在增殖过程中肿瘤细胞有一定的突变率（约 105 ） ，每次突变均可导致抗药瘤株出现
18、；部分实体瘤 G0细胞（暂时离开增殖周期、但仍保持增殖能力的细胞）的比率高，对化疗不敏感；多药耐药性。(2) 多药耐药性 肿瘤细胞对化疗药物产生抗药性是化疗失败的主要原因。引起抗药性的原因中最引人注意的是多药耐药性（multidrug resistance, MDR） 。这是指恶性肿瘤细胞在接触一种抗癌药后，产生了对多种结构不同、机理各异的其它抗癌药都有了交叉耐药现象。MDR 是肿瘤化疗的主要障碍，也是极待解决的难题。多药耐药性主要见于天然来源的抗癌药，如长春碱类、鬼臼毒素、紫杉醇类与蒽环类抗生素。其共同特点是：一般为亲脂性药物，相对分子质量在 300900 之间，通过被动扩散进入细胞；药物在
19、 MDR 细胞内浓度太低，不足以发挥抗癌作用；MDR 细胞内有 MDR 基因及其编码特殊的糖蛋白（p-gp） ，可与抗癌药物结合，由 ATP 提供能量，将药物从细胞质内泵出膜外，显示抗药现象；还有 MDR 相关蛋白、肺耐药蛋白、谷胱苷肽及谷胱苷肽-S 转移酶等，也同 MDR 有关。目前虽有一些可使多耐药性逆转的药物（如地尔硫 等钙离子通道抑制剂艹 卓和氯丙嗪等钙调节蛋白抑制剂） ，但因用量太大等，机体难以忍受。尚需进一步寻找更有效的药物或基因治疗以克服多药耐药性。4 肿瘤化疗研究展望今后将增加作用于分子靶和其它靶位的药物，研究抗药基因的调变剂、凋亡诱导、多功能干细胞的基因导入及细胞传导药物，研
20、究抗转移药物及作用于DNA 及其修复的药物。预计 21 世纪人类基因组研究将成为癌症药物的基础，逐渐发展的基因药物的效果与数量将超过传统的抗癌药物。但由于癌症发生的多因素与多阶段性，难以找到单一的特效药物，人类要最终战胜癌症，仍然任重道远。 12.1.5 肿瘤的免疫治疗 8肿瘤对宿主的免疫系统产生互相矛盾的效应：既刺激免疫细胞，也抑制免疫细胞。当肿瘤能有效地刺激免疫系统时，会产生抑制肿瘤的抗肿瘤免疫细胞，肿瘤就难以发展。但是，由于肿瘤产生一些抑制性细胞因子并破坏抗肿瘤免疫应答因子，这些免疫抑制因子通过抑制宿主的抗肿瘤免疫细胞，阻止对肿瘤的8识别和/或抑制免疫细胞的杀瘤作用。免疫抑制因子对宿主免
21、疫应答的影响与许多因素有关，包括肿瘤的类型、位置、细胞因子的微环境、抑制因子出现的时间、特异性免疫细胞的来源和活化状态等，加之人们远未弄清所有的肿瘤的免疫抑制因子，要避免肿瘤使免疫应答失活并不容易。事实上，肿瘤性生长证实免疫系统和所有抑制肿瘤的机制均未能起作用。因此，如能调控宿主抗肿瘤免疫应答相关的免疫抑制因子，就可以有效治疗肿瘤。肿瘤的免疫治疗是以 T 细胞免疫为基础的，它通过肿瘤相关抗原（即人肿瘤表达能被细胞免疫特异识别的抗原）而加速。寻找肿瘤相关抗原是肿瘤免疫治疗发展的关键因素。作用于 T 细胞的细胞因子疗法对某些患者已经取得显著的临床效果。成功的抗原特异性 T 细胞免疫治疗应能修复患者
22、的抗原提呈和 T 细胞功能缺陷，消除肿瘤的免疫抑制因素，最重要的是应使靶抗原适合临床应用和不会引发免疫逃逸的危险。肿瘤免疫治疗目前有两种主要方法：从患者体内取出肿瘤特异性 T 细胞，在体外增殖后再输回给患者，抗原特异性 T 过继治疗对巨细胞病毒所致的疾病等，是安全的和有效的；接种肿瘤特异和肿瘤相关抗原的疫苗，用以激活特异性抗肿瘤细胞免疫和/或体液免疫，已表明虽然大多数疫苗接种可以引起免疫应答，但目前尚未能获得期望的临床效果。 2.1.6 肿瘤的基因治疗基因是遗传的生物学单位，是脱氧核糖核酸（DNA）分子的组成部分。基因治疗是通过对人体基因进行补充、封闭、修正或改造（基因作靶点） ，或将外源性基
23、因引入体内（基因作手段） ，从而改变患者的遗传物质，达到治疗的目的。基因治疗的优点包括：疗效专一、疗效长、能够治疗传统药物无法治疗的疾病（如遗传病） 。肿瘤基因治疗的方案包括：在体外将目的基因导入肿瘤细胞，再将修饰过的靶细胞转入体内；将目的基因载体注入或导入体内肿瘤组织，进行局部性基因治疗，目前研究最多；将目的基因载体注入血液循环进行全身基因治疗，对免疫基因治疗尤为有用。基因治疗的关键就是目的基因、载体和转染 3 个环节 2。1. 目的基因 有抗癌基因、自杀基因、反义基因、抗血管生成基因以及修9饰基因等。2. 载体 基因的导入一般均需要载体。理想的载体应：体外易获得，剂量大、纯度高；对细胞或组
24、织的选择性和转染力强；能在肿瘤细胞内大量繁殖；肿瘤细胞破裂后还能再攻击其它肿瘤细胞，但不损害正常细胞。目前常用的载体有重组逆转录病毒、重组腺病毒等与非病毒载体，如脂质体、阳离子聚合物、噬菌体以及纳米粒等。寻求优良的载体是将基因导入目标细胞并发挥应有作用的关键。3. 转染 目的基因必须转染肿瘤靶细胞进入细胞核，并能表达，才能发挥应有作用。促进转染的方式通常有病毒介导、寡核苷酶直接注射、受体介导、脂质体介导等 6。虽然大多数基因治疗研究集中于注射给药，口服给药（包括口服基因疫苗）的研究亦有发展且更具有吸引力。口服给药需克服消化道的酸性和多种酶的破坏作用，以及胃肠道上皮细胞的透过阻力，但是，它具有可
25、实现靶向性、非损伤性、提高病人的顺应性等明显优点。口服基因治疗应用的两个主要领域为：纠正性基因治疗和经由 Peyer 氏结（小肠中独立存在的结构，系免疫系统的入口）引起的遗传性粘膜免疫。基因治疗的难点包括如何将目的基因有效的导入目标细胞的细胞核内（即转染）并高效表达、插入到宿主 DNA 的正确位置、其表达应受体内的调控和如何克服机体的免疫反应和排斥反应。转染率低或表达无力有效性就差，插入位置不正确就可能改变宿主 DNA 的原有功能，同表达失控或排斥反应等一样，会对人体带来严重危害。基因治疗由于有效性问题，特别是安全性问题，目前还处于试验阶段。自 1990 年基因治疗腺苷脱氨酶（ADA）缺乏症开
26、始进行的第一个基因治疗临床试验以来，已有成百个临床试验方案在进行中（主要在美国） ，但绝大多数的效果并不理想。已经有一些治疗基因获得专利（主要在美国） ，目前还没有基因治疗的产品上市。虽然基因治疗将会给肿瘤治疗带来革命性变化，但要达到临床广泛应用，人类还有很长的路要走。2.2 靶向纳米抗癌药物的生物学、药动学和药效学基础2.2.1 抗癌药物的作用部位恶性肿瘤不断增殖的物质基础是其旺盛的核酸和蛋白质的生物合成。在核10酸生物合成过程中，首先是从其前体形成核苷酸，然后这些核苷酸按一定顺序聚合形成核酸。分子生物学告诉我们，DNA 是模板，由 DNA 形成信使RNA（mRNA）和各种转运 RNA（tR
27、NA） ，共同负责在核蛋白体上用氨基酸为原料合成蛋白质。抗肿瘤药物就是作用在这些环节上 3。如抗叶酸化合物作用于核苷酸前体合成到核苷酸阶段，放线菌素 D 作用于 DNA 到 mRNA 阶段，肼类和长春花生物碱作用于氨基酸经 tRNA 到核蛋白体阶段，等。化学治疗中大多数药物以普通剂型给药，通常被细胞组织和器官摄取，自由地分布于体内，而不是定向分布于其药理学受体。这主要是由于体内对药物存在巨大屏障。口服给药要受到两种效应的影响，即肠胃道上皮细胞中酶系及肝中酶系的降解与代谢。注射给药要经过同血浆蛋白结合、代谢、分解等，通常也仅有少部分到达靶位，其浓度可能达不到应有疗效，要提高靶位的药物浓度就要增加
28、剂量，从而也增大毒副作用。尤其是一般的抗癌药物，在杀死癌细胞的同时也杀死正常细胞，毒副作用大，更需要制成能使药物特异性地到达靶位的靶向给药系统，既提高药效，也降低毒副作用。纳米载药系统可以具有良好的靶向性，同时还克服药物存在解剖屏障和细胞屏障和有些药物半衰期短、治疗指数低等缺点。 有 3 种途径可以使药物具有靶向性：应用生物活性剂（如单克隆抗体或配体）选择性地将药物送至体内特定部位（魔弹途径） ；将药物转变成惰性的前体，在体内特定部位的酶或化学反应下药物被活化而起效（前药途径） ；利用具有一定大小范围及表面特性的载体将药物送至体内特定部位积累、释放（导弹途径） 。、类属于主动靶向，类属于被动靶
29、向，纳米载药系统一般属于这一类，但同时可以把前两类结合应用。2.2.2 靶向抗癌药物的细胞生物学基础 9 药物到达靶位的解剖学和生理学途径见图 2-1。如图所示，通过主动或被动方式药物能11图 2-1 药物靶向给药的解剖学和生理学途径选择性地接近其药理学受体并与之发生作用。下面将分别讨论决定药物靶向传递的各种生物学过程和影响因素。1. 细胞摄取 给药以后，药物通常要经过许多细胞、膜和器官以后才到达靶位。图 2-1 给出了各种被动的和主动转运使药物到达靶位的途径或机制。这些途径就为药物选择细胞和接近细胞提供了机会。低药物通过简单扩散进入或经过各种细胞。靶向给药系统通常由大分子集合体组成，不能通过
30、简单扩散进入细胞，而是通过内吞作用进入胞内。内吞作用是质膜的内化现象，内化常伴有胞外物质（如颗粒或溶液）的吞入。吞入细胞的其他方式还有被动扩散、膜融合、结合到细胞的特异或非特异区域等。内吞作用分为吞噬作用和吞饮作用两种。吞噬作用指捕获颗粒状物质（粒子） ，而吞饮作用适用于液体的捕获。吞噬作用由单核吞噬细胞系统（MPS）的12吞噬细胞来完成。这一过程由细胞吸附的血液中的特殊物质（如免疫球蛋白IgG 和补体 C3b，这些成分又称为调理素）和巨噬细胞上的相关受体介导。粒子的大小和表面特征决定了被调理化的程度及被何种血浆蛋白调理化，从而决定粒子以何种方式被内吞。亲水性强的粒子调理化程度比疏水性粒子的调
31、理化程度更低，因而被吞噬摄取的量也更少。如果药物粒子给药系统能避免 MPS 的摄取，达到靶位的机会就提高。而药物粒子在循环系统中滞留时间越长，被其它细胞摄取的机会就越多。药物被摄入之后，吞噬小泡（或称为吞噬体）与一个或多个溶酶体（pH 在4.55.5 之间）融合形成吞噬溶酶体(或次级溶酶体)。在吞噬溶酶体中，粒子被溶酶体中的酸性水解酶（如蛋白酶、糖苷酶、核酸酶、磷脂酶、磷酸酯酶、硫酸酯酶等）水解，释放药物产生药效。吞饮作用比吞噬更普遍，几乎存在于所有细胞中（包括吞噬细胞） 。此外，吞噬需要血清调理素介导，而吞饮不需要任何外部刺激。吞饮作用可分成两类：即液相吞饮和吸附吞饮。液相吞饮是非特异性的连
32、续过程，其对大分子物质进入上皮细胞、某些内皮细胞和各种血细胞非常有用。吸附吞饮是大分子通过吸附结合到细胞膜表面被内化的过程。大分子附着到普通细胞表面的任意位点而内化的过程，称为简单的非特异性吞饮作用；如果结合到细胞表面特异性受体而内化的过程，则称为受体介导的吞饮作用。一旦内化，吞饮小泡就相互作用，或与细胞内的其他细胞小体如内体和溶酶体相互作用。内体含有丰富的吞饮受体并含有 ATP 供能活性质子泵，质子泵维持内体 pH 在 5.05.5 之间。这种微酸性的 pH 环境使受体药物载体复合物发生解离，释放的受体可供再循环使用。非特异性的吞饮摄取取决于被吞饮物质的粒子大小（相对分子质量和构型） 、电荷
33、和疏水性。体外培养的大鼠卵黄囊和大鼠腹膜巨噬细胞对聚阳离子大分子的吞饮摄取量高于对中性大分子或阴离子大分子的摄取量。细胞的吞饮摄取速率随被吞饮物质的疏水性的增加而增高。被吞饮物质的分子体积愈大愈不利于其跨膜转移。受体介导的内吞摄取是由多种配体对生理受体的识别作用来实现的，这些配体包括代谢物、激素、免疫球蛋白和病原体(如病毒、细菌和植物毒素)等。13一些受体分布见表 2-1。 表 2-1 一些亲核内体受体的分布细胞 受 体 的 配 体肝细胞 半乳糖、低密度脂蛋白(LDL)、聚合 IgA巨噬细胞 半乳糖（粒子） 、甘露糖-岩藻糖、乙酰化LDL、-巨球蛋白-蛋白酶络合物(AMPC)白细胞 具有白细胞
34、趋化性的多肽、C3b、IgA嗜碱粒细胞、主细胞 IgE心脏、肺、腱内膜隔 白蛋白成纤维细胞 转铁蛋白、表皮生长因子、LDL、磷酸甘露糖异构酶、运钴胺素蛋白 II、APMC、甘露糖乳房的腺泡 生长因子肠细胞 母系 IgG、二聚 IgA、运钴胺素-B 12/内源性因子血液-脑腱内膜 转铁蛋白、胰岛素2通过上皮屏障 口腔、口颊、鼻腔、阴道腔和直肠腔的内表面都排列着一层或多层上皮细胞，根据其在体内的位置和功能的不同，上皮细胞可有不同的形状：单层柱状、立方状和扁平状，都是紧密排列成层。上皮细胞侧面分化形成的特殊结构为细胞间连接（包括紧密连接、中间连接和缝隙连接） ，细胞间连接不仅是细胞粘着的部位，同时可
35、使细胞间隙紧密，防止细胞外物质流入细胞间隙（细胞旁路途径） ，有的还是细胞间交换信息的场所。上皮细胞下面是连结层，称为基膜，基膜通过基板与上皮细胞相连，基板同时也可将上皮细胞与邻近的结构连在一起。通常，药物跨越上皮障碍的转运途径有被动扩散、载体介导的传输系统、选择性和非选择性细胞内吞作用。此外，极性物质还能经扩散通过上皮细胞间的紧密连接（细胞旁路途径） 。大分子物质（粒子状的和可溶性的） ，包括肽类和蛋白质，给药后同样能通过以上途径，进入全身循环。虽然通过量较小，但这对于某些疾病的治疗有着重大意义，例如免疫反应和激素替代疗法。被动扩散和主动转运途径都是能量依赖过程，二者也可能同时进行。在损伤粘
36、膜中被动转运很容易发生，主动转运却依赖于上皮细胞结构的完整性。大分子物质经小肠上皮转运可通过液相吞饮或特殊的（受体介导的）内吞作用进行。粒径 20 nm 左右的纳米球，乳鼠口服给药后，能透过上皮层，然后定位于网膜、内腔的 Kupffer 细胞、肠系膜淋巴结和胸腺皮质层。集合淋巴结14的 M 细胞也可转运存在于上皮细胞膜中的粒子，这些特化的吸收细胞能将固有的细菌、大分子物质（如铁蛋白） 、病毒和碳粒子等，从小肠肠腔吸收然后转运至粘膜下层的淋巴组织中，并有可能经淋巴液和淋巴细胞进一步转运至体循环中。淋巴液的增多或血液供应的减少有利于粒子的淋巴摄取。由于集合淋巴结随年龄的增加而显著减少，所以这种转运
37、途径主要适宜于年轻个体。药物从直肠和阴道的吸收，如用类脂-非离子表面活性剂混合成的胶束预处理直肠，可显著提高其对大分子溶液和胶体粒子的吸收和摄取，但是，这可能导致肠膜的损伤。3. 外迁 许多疾病是由心血管系统外的细胞功能障碍引起的。因而，药物要发挥药效，必须从循环系统中释放出来，与血管外、细胞外（内）的靶位作用。药物透过血管的转运过程称为“外迁” ，它受控于毛细血管壁的透过性。影响毛细血管壁透过性的主要生物学因素有：毛细血管壁结构、生理状态（正常或损伤） 、血液流速和淋巴供应情况等。影响血管内物质外迁的重要理化因素有：物质分子大小、分子形状、电荷和亲水亲油平衡（ HLB）值。毛细血管壁的结构是
38、很复杂的，并且在不同的器官组织其结构不同。它由单层的内皮细胞通过细胞间连接构成。内皮细胞分为游离面和基底面，游离面即腔面，基底面有基膜。每个内皮细胞大致长 2040 m，宽 1015 m，厚0.10.5 m，含有 10 00015 000 个形态均一的球状小泡称为质膜小胞。这些小泡的直径范围为 6080 nm，约 70的小泡开口于内皮腔面，其余的悬存于胞质中。质膜小泡在物质经内皮细胞的吞饮转运过程中发挥作用。根据内皮细胞层与基膜的形态和连续性，毛细血管被分为三种类型：连续型、有孔型和不连续型（窦状隙型） 。连续型毛细血管分布广泛，结构连续。有孔毛细血管不规则的间隔有 2080 nm 宽的内皮细
39、胞窗孔，窗孔有一层薄的由基膜衍化而来的膜。窦状隙型毛细血管的内皮细胞间隙可达 150 nm 宽。在不同的组织和器官，窦状隙型毛细血管的基膜有时存在（如肝脏） ，有时则是不连续的（如在脾和骨髓） 。窦状隙型毛细血管的管径较宽，大小、形状不规则，管壁非常薄。微血管系统（即小动脉、毛细血管、小静脉）的许多重要变化都会影响血管的透过性。例如，小静脉毛细血管部份的内皮细胞较薄(170 nm)，且常有间15隙，大约 30的小静脉接合处有约 6 nm 的间隙。相反，小动脉内皮细胞彼此间连接紧密，而毛细血管的内皮细胞间只有咬合连接。在肌肉的小静脉中互通间隙（communicating gaps）很少且很小，毛
40、细血管和外周小静脉则没有互通间隙。毛细血管内皮细胞中的小泡比小动脉内皮细胞中的小泡更多 (1000/m3比 190/ m3)。小动脉细胞间的密闭性强，小静脉细胞间的密闭性很差。大分子物质能通过被动转运穿过正常的内皮细胞，如非特异性跨毛细血管液相胞饮和穿内皮细胞连接、内皮间隙与内皮窗孔的转运均属于被动扩散。被动扩散过程受多种因素影响，包括：毛细血管的结构、组织和器官的疾病状态、小血管的数目和表面积大小及大分子物质的理化性质等。一般而言，大分子物质跨内皮转移的能力随相对分子质量的增加而逐渐下降；低相对分子质量的溶液和许多大分子物质（直径小于 30 nm）在某些正常和病理条件下能跨过内皮。对蛋白质而
41、言，自由通过肾小球内皮的阈相对分子质量为 6000070 000，相对分子质量大于 70 000 时，则主要留在血液中直至被降解和被消除。某些亲水性聚合物如 PVP、右旋糖酐、PEG 等，与同相对分子质量的蛋白质相比，它们的流体力学半径要大得多，因而通过内皮的阈相对分子质量要比蛋白质的小（PVP为 25 000；右旋糖酐为 50 000） 。因为内皮和细胞衣上有阴离子位点，所以与中性和正电性大分子物质相比，负电性大分子的外透速率要慢得多。在肺血管系统中，相对分子质量和流体力学半径均相同的情况下，阳离子白蛋白比阴离子白蛋白透过性高 3 倍。大分子物质在组织间隙的透出量由毛细血管结构、微血管数量和
42、表面积大小决定。小肠内皮细胞尽管是有孔型的，对大分子物质的透过却有很强的限制性。在消化道的外透绝对速率随区段不同有很大差异，半径小于 6 nm 的大分子溶液在消化道各区段的透过性差异很大，但半径在 613.5 nm 之间的分子在消化道各区段的透过性差异却很小。脑内皮是体内细胞排列最紧密的内皮，是连续的非孔内皮，无吞饮作用；然而，在脑的某些区域（如脉络膜丛）存在穿孔内皮，某些大分子物质，如辣根过氧化物酶等，可以通过这一途径进入脑脊液。炎症导致的毛细血管透过性改变是由组胺、缓激肽和一系列介质作用引起的。以上物质直接作用于毛细小静脉和内皮管壁，迅速引起小静脉内皮细胞和16循环液中的中性粒细胞的相互作
43、用。一般而言，受损毛细血管的内皮开放性通常会增加，因而转运活性也就提高了。研究发现，小于 3000000 的大分子物质能够从实体瘤内的血管外透出来，而相对分子质量在 70000150000 的大分子物质主要从实体瘤周围的血管外透出来；炎症组织的细胞衣也会发生变化，导致血管的转运功能增加，最终引起血液中物质的外透增加；氧浓度降低、二氧化碳浓度增高、代谢物堆积引起局部 pH 增高等，均会影响外透过程。可溶性的大分子物质透过内皮屏障比粒子性的大分子物质更容易，体液穿过内皮的速率与流体静压力和渗透压力之差直接相关。近来的研究表明，受体介导的转运系统可包括液相吞饮、非液相的内吞作用或穿细胞摄入。直径小于
44、 40 nm 的粒子能通过上述通路转运。在这种转运中，5nm 的粒子首先吸附到内皮（肺、心脏和隔膜内皮）的特殊结合位点上，然后主要通过受体介导摄入细胞，或通过内皮由小泡转运；也有较少的一部分是通过液相吞饮完成转运。用对肝细胞膜特异敏感的配体修饰粒子后，粒子也能进入肝细胞。4. 淋巴摄取 药物分子从血管内透出后，有两条途径可被重吸收入血：一是直接通过扩大的后毛细血管内皮细胞窗孔，被重吸收入血（已在大多数组织中发现该现象） ；另一途径是通过进入淋巴系统，与淋巴液一起回到血循环中，见图 2-2。图 2-2 外渗与淋巴途径另外，皮下、肌内、经皮和腹膜给药，都能通过淋巴系统吸收，而后进入全身血循环。图
45、2-3 表示淋巴循环和血循环之间的联系。17图 2-3 淋巴循环与血循环之间的关系如图 2-3 所示，淋巴管起源于结缔组织间的毛细淋巴管。这些毛细淋巴管逐渐融合，形成一些大的淋巴管（输入淋巴管） ，然后延伸形成一个或多个淋巴结，从淋巴结出来的淋巴管形成输出淋巴管，输出淋巴管汇集再形成大的淋巴导管（如小肠、颈部、胸部的淋巴导管） ，淋巴导管最后通入颈根部大静脉，完成与血循环的汇集。毛细淋巴管与毛细血管相似，也由单层内皮细胞通过细胞间连接构成，毛细淋巴管的管腔大小不规则，小的有 12 nm，大的则有 5070 nm。通过外透吸收、胃肠间隙吸收、经上皮吸收的药物从间隙部位清除的影响因素包括：粒子的粒
46、径和表面特征、制剂介质、间隙液体的组成和 pH、以及间隙组织疾病等。研究表明：小于 30 nm 的可溶性大分子能够进入淋巴系统，而大于 50 nm 的粒子则留在间隙里充当缓释库。设计制剂时，脂质、油和表面荷负电物质的使用几乎均有助于淋巴系统对粒子的吸收。一般实体瘤通常缺乏淋巴管，因此，通过外透进入肿瘤间隙的大分子药物或载药胶体粒子会滞留于此。这种机制通常称为肿瘤增强的透过性和滞留性效应（enhanced permeability and retention effect，简称 EPR 效应)。滞留在肿瘤间隙的大分子药物或载药胶体粒子可被肿瘤相关蛋白水解酶水解释放，再进入细胞内或细胞间隙。释放出
47、来的游离药物很容易透过细胞膜到达靶部位。182.2.3 靶向抗癌药物的药代动力学和药效学基础 9从解剖学上看，人体是一系列分散的组织，这些组织又通过血液循环和生理生化因素相互联系。给药后，药物通过血液循环分布到各组织。药物在靶位和非靶位的相对分布量决定了药物的疗效和毒性。普通抗癌药物的自然分布特点决定疗效对毒性的比率。理想的抗癌药物靶向给药系统就是通过将药物选择性运送到治疗部位以达到最佳治疗效果和最低的毒副作用。通常，决定药物在靶位有效性的因素包括：给药系统进入血浆的速率； 在治疗部位的分布；活性药物在治疗部位从给药系统中的释放；给药系统和游离药物在靶位的清除； 黑要系统和游离药物从治疗部位向
48、非治疗部位的扩散或转移；血液和淋巴液在靶位点的流动。Boddy 等用了三室药动学模型来描述这些过程，如图 2-4 所示。图 2-4 靶向给药系统的药代动力学动力学模型靶向给药系统中的游离药物可通过内部或外部刺激（如 pH、温度、酶）被动或主动地释放出来。因而，药物释放速率的变化取决于释放机制。对酶促的反应来说，游离药物的释放速率依赖于酶的活性和浓度；而对治疗部位的局部化学特征有选择性但无特异性的反应来说，游离药物的释放速率依赖于该靶位处给药系统的浓度。载药的纳米给药系统将药物包封于纳米载体内，对药物的释放通常具有缓释作用。或是药物经过包封材料缓慢扩散，或是包封材料由于降解而溶蚀使药物得以扩散，
49、或者扩散与溶蚀同时发生。处于载体表面或处于有液相介质的纳19米载体外相的药物，则形成突释（burst effect） 。除有时利用突释的药物立即起效、其余的药物起缓释作用外，一般不要求有明显的突释作用（我国药典要求前 0.5 h 的释放不超过 40） 。因而，如果给药系统分布到靶位的速率很慢，或者从靶位清除的速率大于其分布速率，靶位就不能获得足够药量以产生预期疗效。给药系统分布到靶位的速率取决于血流速率，而给药系统和游离药物从靶位的清除却取决于内皮屏障的通透性、血液和淋巴液在靶位流动的速率及游离药物的释放速率。给药系统或游离药物向体内特异组织或器官的分布最大量由血流中的物质及其浓度决定。大分子或荷电物质不能穿过膜屏障，因而不能接近靶位，一旦进入靶位也不容易被清除。给药系统或药物在靶位内的结合降低了可供清除的浓度。对那些只有游离态才有活性的药物，其结合可能降低有效药量而达不到预期的疗效。靶向给药系统可通过扩散、对流、转运等过程从靶位向体内其余部位转运（这些部位至少在开始的时候提供了充分的漏槽条件） 。基于以上假说，Levy 提出：
