药学学报  2013, Vol. 48 Issue (12): 1763-1770   PDF    
用于肿瘤靶向治疗与诊断的糖结合物研究进展
王蔚芹1,2, 张振海1, 周建平1, 庞卉2, 吕慧侠1     
1. 中国药科大学药剂教研室, 江苏 南京 210009;
2. 江苏省食品药品检验所, 江苏 南京 210008
摘要:与正常细胞相比,肿瘤细胞的代谢行为发生了很大的改变,其在生理条件下对葡萄糖需求量极高,且倾向于通过无氧糖酵解方式分解葡萄糖以获得生长所需的能量。本文简述了针对肿瘤细胞这一特点的相关治疗方法,重点针对葡萄糖、葡萄糖衍生物和其他糖类修饰的肿瘤靶向药物、诊断试剂及靶向载体的研究进展进行了综述,并详细列举和讨论了近两年来有关此方面的一些经典研究报道。
关键词葡萄糖     葡萄糖转运体     糖结合物    
An overview of glycoconjugates for cancer targeting therapy and diagnosis
WANG Wei-qin1,2, ZHANG Zhen-hai1, ZHOU Jian-ping1, PANG Hui2, LÜ Hui-xia1     
1. Department of Pharmaceutics, China Pharmaceutical University, Nanjing 210009, China;
2. Jiangsu Institute for Food and Drug Control, Nanjing 210008, China
Abstract: Because of the changed metabolic behaviors of cancer cells, tumor cells uptake a corresponding larger amount of glucose in physiological condition when compared with normal cells. And they were prone to metabolize glucose for generating energy in anaerobic glycolysis ways in order to grow quickly. Anaerobic glycolysis consumes more glucose than aerobic way when the same amount of energy is obtained, which also results in large demand of glucose in tumor cells. This review briefly describes therapy methods related to characteristic mentioned above, and summarizes the research progress of drugs, diagnostic reagents and carriers conjugated with glucose, glucose derivatives or other kinds of sugars for cancer targeting. Furthermore, typically relative research reports from 2012 till now were listed and analyzed.
Key words: glucose     glucose transporter     glycoconjugates    

在肿瘤细胞中,许多代谢行为会发生特异性的改变,这些代谢行为包括糖酵解、谷氨酰胺的利用、脂肪酸的合成和线粒体的功能等[1]。作者首先介绍肿瘤细胞在葡萄糖利用方面的特异性及根据该特点所采取的相关治疗方法。

葡萄糖作为一种所有哺乳动物细胞的基本代谢底物,可以说是自然界中最常见也是最重要的糖类之一。它不仅是糖蛋白、甘油三酯和糖原的前体,它的氧化也是真核细胞获得能量的主要途径。葡萄糖是一种亲水化合物,不能由简单扩散通过脂质双分子层,一般需要特殊的载体蛋白协助其特异性地转运至细胞质内。这些转运体主要为两类己糖转运体家族: 钠-葡萄糖协同转运蛋白 (sodium glucose transporter,SGLT) 家族和葡萄糖转运蛋白 (facilitative glucose transporter,GLUT) 家族。前者是利用钠离子的电化学梯度,逆浓度梯度反向协同转运糖类物质; 后者则是通过协助扩散,顺浓度梯度转运糖类物质[2]

一般情况下,在健康人体中,葡萄糖进入普通细胞后通过糖酵解途径被转变为丙酮酸盐,接着丙酮酸盐被转化为乙酰辅酶A (acetyl-CoA,简称乙酰CoA),乙酰CoA再作为线粒体的底物产生ATP,为细胞的生理活动提供能量。这一过程因为需要氧气的参与,并产生CO2,因此被称为呼吸代谢 (respiratory metabolism)。然而,这种葡萄糖代谢的模式在肿瘤细胞中发生了很大的变化。早期研究发现,肿瘤组织需要通过大量的葡萄糖代谢为自身的快速生长提供能量,这种现象被称为沃伯格效应 (Warburg effect,由德国科学家Otto Warburg首先发现,目前是公认的癌症标志之一)。由于氧气在组织中扩散不超过150 μm,而肿瘤的生长速度又过快,血管组织来不及生成,氧气便不能运输到实体肿瘤组织内部,从而导致细胞缺氧。因此,癌细胞往往倾向于糖酵解厌氧地分解葡萄糖[2]。不仅如此,研究者还发现,即使是在氧气存在的条件下,癌细胞也更倾向于糖酵解而不是呼吸代谢[1]。与正常组织相比,糖酵解消耗的葡萄糖更多,获得能量却较少,即肿瘤组织对于葡萄糖的利用率很低。这使得许多难以治疗的实体瘤和肿瘤转移组织需要摄取大量的葡萄糖,通常还处于含氧量很低的缺氧情况下。然而对于机体而言,含氧量很低的部位,机体的免疫系统往往受到抑制; 由于许多细胞毒类药物和射线治疗的作用常需要氧气参与,因此化、放疗对这类缺氧实体瘤的有效性较差 (此时一般只能采取手术切除,但现有的研究表明,手术切除是造成肿瘤转移的原因之一[3])。

正是由于肿瘤细胞需要大量的葡萄糖供给,便需要更多的葡萄糖转运蛋白,以满足葡萄糖摄取的要求。许多研究表明,葡萄糖转运体 (各种SGLT 蛋白和GLUT蛋白),特别是GLUT-1,在多种恶性肿瘤中的表达显著增加。虽然转运体的具体种类、位置和数量对不同的肿瘤来说并不一定相同 (具有一定的选择性),但研究者们在此方面达成的共识是: 两类己糖转运体均可作为抗肿瘤药物的靶标,特别是当某种转运体在正常组织中不表达而在相应的肿瘤细胞中大量表达时,如GLUT-5转运体在乳腺癌中大量表达,而正常乳房组织中却不多见[2]

针对肿瘤细胞对葡萄糖的高需求量和糖酵解的特点,产生了许多相关的治疗方法:

针对癌细胞上转运蛋白的治疗方法

根据是否针对葡萄糖转运蛋白又可分为两种: ① 针对葡萄糖转运蛋白,此法又可细分为3类: (i) 抑制葡萄糖转运蛋白的方法。这种方法通过抑制癌细胞的葡萄糖转运蛋白,从而阻止葡萄糖进入癌细胞,切断肿瘤组织的葡萄糖供给。一些化合物直接靶向转运蛋白,如WZB27、WZB115等[4]。以2-脱氧葡萄糖 (2-deoxyglucose) 为例,它可以与葡萄糖竞争作为己糖激酶的底物,从而阻止葡萄糖在糖酵解过程中磷酸化和氧化。但由于2-脱氧葡萄糖在体内只能保留很短的时间,而为了与葡萄糖竞争受体,它在血流中的量必须足够大,因此在临床上用药量很大。有研究表明,2-脱氧葡萄糖需要每天给药 (45mg·kg-1·d-1)[5]才能阻止体内肿瘤生长,由此将产生一定的毒性[1]。(ii) 通过调节有关转运蛋白表达的相关因子,以减少转运蛋白的数量。如通过GSK-3/TSC2/mTOR 途径来调节GLUT-1的表达[6]。(iii) 从基因层面进行治疗,对表达相应转运蛋白的基因进行敲除,比如通过siRNA介导的GLUT-1基因敲除可以显著地抑制肿瘤细胞的增殖[7]。② 针对其他转运蛋白, 除了抑制葡萄糖转运蛋白,也可以靶向肿瘤细胞上的其他转运蛋白,比如MCT4。由于糖酵解会产生大量乳酸,而肿瘤细胞主要通过MCT4消除乳酸,因此阻滞MCT4使得肿瘤细胞酸化,并受到损害[8]。另外,通过肿瘤的大量无氧糖酵解产生的乳酸,会造成的肿瘤组织局部的酸性环境,对此进行肿瘤靶向,也是现今药剂学中常见的一种有效的靶向癌症治疗的策略。

葡萄糖剥夺法

(glucose deprivation) 在不抑制肿瘤细胞的葡萄糖转运蛋白的情况下,通过限制甚至阻断肿瘤部位的葡萄糖供给,即葡萄糖剥夺,直接或作为传统治疗方法的一种补充,来促使癌细胞凋亡[3]。有研究者尝试使用胰岛素造成低血糖、并联合乳酸选择性地抑制具有Warburg效应的肿瘤[9]。但这种方法在治疗重要器官疾病或脑部疾病时存在较大问题,即如何在影响原发和转移肿瘤的同时,又不损伤重要器官如脑部和附近无害的细胞。作为人体的重要器官,脑部是健康人体需要血糖最多的部位,同时为了保证自己的充足血糖供给,脑部有一套控制机制。因此靶向糖酵解癌细胞高葡萄糖需求的治疗方法,往往难以避免对脑部的影响。这就需要在控制肿瘤的血糖供给前,充分了解人体各部位、各重要组织器官的血糖供应和需求特点,选择合适的方法,将葡萄糖的需求与供应严格控制在阈值范围内,做到既能靶向高糖酵解的癌细胞,又不会明显改变宿主组织和器官的功能。近年来,也有学者发现,因为肿瘤细胞不能代谢酮类,所以采用生酮饮食以提高血酮含量,可以在低糖浓度下保护脑部,而又使依赖糖酵解的肿瘤细胞难以代谢[3]

现有的大多数抗癌药物,往往存在毒副作用大的缺点,使患者的生存质量下降,甚至导致患者身体机能的严重破坏从而加速死亡。因此,根据癌细胞对葡萄糖的极高需求量,以及肿瘤部位的GLUT-1等葡萄糖受体高度表达,一些研究者选择使用葡萄糖、葡萄糖衍生物或其他一些对葡萄糖受体具有靶向性的糖来直接修饰药物或药物载体,以达到对高度表达葡萄糖转运蛋白的肿瘤组织的选择性靶向作用,从而降低抗癌药物对正常组织的毒性,以辅助相关的抗癌药物的治疗。习惯上将这类糖结合药物及糖基修饰载体统称为糖结合物 (glycoconjugate)。目前,使用糖结合物进行肿瘤靶向的方法越来越受到关注,下面对相关研究进行综述。

1 糖结合肿瘤靶向药物或诊断试剂 1.1 糖结合肿瘤靶向药物

糖结合肿瘤靶向药物,即通过直接的共价键,将葡萄糖、葡萄糖衍生物或其他一些糖基连接在抗肿瘤药物上,使得药物具有靶向肿瘤部位的作用。

自1995年第1个糖基结合物葡磷酰胺 (glufos­famide) 出现后,陆续有很多化学药物、中药提取物以及生化类药物用于此项研究中[10]。Emilia等将具有直接烷化作用的DNA烷化剂异磷酰胺氮芥 (ifosfamide mustard) 与葡萄糖通过糖苷键相连,成为一种前 药——葡磷酰胺,即β-D-葡萄糖基-N,N '-二 (2-氯乙基) 磷酰胺 (β-D-glucosyl-[N,N '-bis[(2-chloroethyl)] phosphoric acid diamide) (图 1),使得此前体药物通过GLUT-1等葡萄糖转运蛋白转运进入肿瘤细胞[11],以实现药物的肿瘤靶向作用。进入细胞后,葡磷酰胺通过水解作用释放活性药物异磷酰胺氮芥,从而发挥抗癌活性[12]。此后,包括葡萄糖、半乳糖、甘露糖等与紫杉醇、多西紫杉醇等紫杉烷类肿瘤药物的结合,不仅改善了紫杉醇类药物的水溶性,而且产生了靶向作用,降低了对正常组织的毒性; 葡萄糖等糖类与苯丁酸氮芥 (chlorambucil)、白消安 (busulfan)、多米卡星 (duocarmycin) 等DNA烷化剂结合的肿瘤靶向药物,也极大降低了药物对机体的毒性; 另外还有葡萄糖与苄基鸟嘌呤类药物 (O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶 (MGMT) 抑制剂) 的结合、2-氨基-2-脱氧葡萄糖与多柔比星 (doxorubicin,Dox) 的结合物等[13]

图1 Structure of glufosfamide

目前,关于肿瘤靶向的葡萄糖结合物的研究大部分还集中在C1位的取代上。有研究者以最主要的一种葡萄糖转运体GLUT-1为例,总结了作为GLUT-1转运体底物的D-葡萄糖的构效关系,探讨了葡萄糖的哪些位置可以进行连接而不会影响其与GLUT-1的相互作用 (表 1)。其中,C1、C2和C6位的取代研究

表1 List of substituted positions of glucose[13]

得最多。使用葡萄糖类似物进行的动力学计算机模 型实验显示,在葡萄糖的闭合构型中,1位和3位的羟基以及吡喃5位的氧,与转运体中氨基酸残基和葡萄糖的氢键结合的稳定性有关。这些位点如果被改变,失去了氢键的受体,使得与GLUT-1的亲和能力下降,如1-脱氧-D-葡萄糖 (1-deoxy-D-glucose) 和3-脱氧- D-葡萄糖 (3-deoxy-D-glucose) 。同时,实验还显示,葡萄糖的β-构象也有利于其被GLUT-1转运。C3可能是一个进行取代的潜在位点,而C5为取代位点则有可能改变GLUT识别所需要的葡萄糖椅式构象。C2、C4和C6位与转运体和葡萄糖的氢键相互作用关系不大,因此也可能是潜在的取代位点[13]

对葡萄糖糖基化位点的系统性研究较少。对于一些新位点的开发 (如C4位) 需要进一步的实验研究。已确定的一些糖基化位点在连接不同的分子时,由于空间结构、电荷等因素的影响会产生不同的结果,需要更深入的实验验证。

对于药物来说,连接时有两种思路。一种是连接在药物的非作用位点,不影响药物与靶标的作用; 另一种是连接在药物的关键作用位置制成前药,到达特定部位后,再裂解发挥作用。当葡萄糖或其他糖类与药物相连时,有时是直接连接,有时是通过一些中间连接物进行连接,如采用丙二酸等。

此外,可以与药物结合的糖类很多[14],包括一些葡萄糖衍生物,如氨基葡萄糖 (glucosamine,AG)、预乙酰化葡萄糖等,以及其他一些葡萄糖转运蛋白的底物,它们同样需要GLUT-1等葡萄糖转运蛋白介导转运。这些底物糖有: D-甘露糖 (D-mannose)、D-半乳糖 (D-galactose)、2-脱氧-D-半乳糖 (2-deoxy-D- galactose)、D-木糖(D-xylose)、L-阿拉伯糖 (L- arabinose)、D-核糖 (D-ribose)、D-岩藻糖 (D-fucose) 和D-来苏糖 (D-lyxose) 等。而无法或难以作为GLUT等葡萄糖转运蛋白底物的糖类物质,如上述一些相应转运体底物的对映异构体,则不能依据此机制作为提高靶向性的分子与抗癌药物结合,如L-鼠李糖 (L-rhammose) 及其对映异构体L-葡萄糖 (L- glucose)、L-木糖 (L-xylose)、D-阿拉伯糖 (D-arabinose)、L-岩藻糖 (L-fucose) 等[11]

Liu等[15]设计并合成了葡萄糖连接的-丙二酸-铂 (II) 复合物,用于靶向肿瘤特异性主动转运体,即GLUTs。该复合物水溶性为原先的150倍、对癌细胞的细胞毒性提高了10倍,且治疗参数与最新一代的临床药物奥沙利铂相比提高了30倍。

Wang等[16]分别用乙基和苯丙基修饰哈尔明 (harmine) (一种从植物欧骆驼蓬 (Peganum harmala) 中提取的β-咔啉类生物碱,近年来研究表明其具有一定的抗癌活性) 的9位,设计并合成了两种哈尔明衍生物 #1和 #2。为了提高肿瘤靶向能力,又分别在衍生物 #1和 #2上连接了2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖 (2-amino-2-deoxy-D-glucose),得到衍生物 #1' 和 #2'。肝癌细胞的细胞毒性实验表明,#1' 和 #2' 的作用力 强于 #1和 #2,且化合物 #2' 比氟尿嘧啶 (5-FU) 对癌细胞的细胞毒性更强。从而说明了这种新的2-氨基- 2-脱氧-D-葡萄糖-连接的哈尔明衍生物 (化合物 #2' ) 具有癌症靶向治疗的前景。对于葡萄糖衍生物研究 较多的一种就是AG ,它具有肿瘤细胞靶向性,所以常常使用它修饰抗癌药物。此外,还有研究者将2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖通过丁二酸酐 (succinic acid,SUC),在1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺 (N- ethyl-N '-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide,EDC) 和N-羟基琥珀酰亚胺 (N-hydroxysuccinimide,NHS) 的催化下,与Dox连接,形成一个具有靶向性、高效的抗肿瘤新药AG-SUC-Dox,通过GLUT-1靶向癌细胞。如图 2所示,药物连接在AG的氨基上。MTT实验和共聚焦成像均显示这种复合物对肿瘤细胞具有更好的抑制性,且对正常细胞毒性低。更重要的是,这种复合物能够大量运送至肿瘤细胞核,从而表现出反向克服肿瘤细胞多药耐药性(multidrug resistance) 的潜力。体内实验也表明,与未修饰的Dox相比,这种新复合物的正常器官毒性明显降低,抗癌效率则显著提高。具有很好的用于癌症靶向治疗的潜力[17, 18]。Pawar等[19]合成了一种含N-乙酰氨基葡萄糖 (N- acetyl glucosamine,NAG) 的聚乙二醇[poly(ethylene glycol),PEG]-Dox结合物前药。其中,NAG部分具有靶向作用,并通过实验证明了糖基化的PEG结合物的靶向潜力。

图2 AG-SUC-Dox[17]. AG: Glucosamine; SUC: Succinic acid; Dox: Doxorubicin
1.2 糖结合诊断试剂

葡萄糖结合物的肿瘤靶向性还可以用于肿瘤的诊断和检测。如临床上广泛使用的一种放射性标记的葡萄糖类似物,2-脱氧-2-(18F) 氟- D-葡萄糖 (18F-FDG,或18FDG)[20]; 将2-脱氧-D-葡萄糖 (2-deoxy-D-glucose,2-DG) 与一种核共振造影剂连接制成的具有肿瘤靶向性的新造影剂等[21]

Kumar等[22]合成的葡萄糖-氮霉素 (azomycin) 加合物有望解决2-硝基咪唑分子 (2-nitroimidazole- based molecules,NIs) 用作临床含氧量低的肿瘤组织的放射诊断 (radiodiagnostics) 时具有全身性毒 性的问题。氮霉素即2-硝基咪唑是一种放射增敏剂 (radiosensitizers)。研究者合成了3种糖氮霉素 (glucoazomycins) 的对映异构体 (图 3),由于其具有对肿瘤组织的选择性,从而降低了全身性毒性。3种糖结合物中氮霉素都是与葡萄糖的C6位O原子相连 (作为葡萄糖转运蛋白GLUTs底物的重要的C1位OH基团未被取代)。之后,研究者通过实验检验了加合物作为GLUTs底物的能力,并证明了它们能竞争性抑制肿瘤组织对葡萄糖的摄取,且对组织缺氧具有辐射敏化的特征。

图3 Three kinds of glucoazomycins[22]

Ballut等[23]设计了糖结合的光敏剂,用于优化光动力学疗法中的肿瘤靶向。实验中合成了一系列含有吡喃葡萄糖部分的糖结合卟啉类光敏剂,通过一系列检测,分析了糖结合的卟啉类与一些生物分子,如白蛋白和磷脂的相互作用。结果显示,糖基化的四芳基卟啉 (tetraarylporphyrin,TAP) 与生物膜的相互作用主要依赖于甘露糖-凝集素 (mannose-lectin) 与三甘露糖糖基化树状高分子卟啉类 (tri-mannosylgly­coldendrimeric porphyrins) 的特异性相互作用。使用两种肿瘤细胞系 (HT29,Y79) 进行了体外光激发细胞毒性 (photocytotoxicity) 研究,考察了光敏剂的球状几何构型、吡喃葡萄糖基团在生色团上连接的位置和数量以及分子疏水性的相关性。其中,两种含有3个通过可弯曲键连接在苯对位的α-糖基基团的卟啉类光敏剂具有最好的光效能。相反的,通过糖基化的树状高分子部分连接3个糖基的生色团,虽然具有对甘露糖-凝集素较好的亲和力,但由于潜在的簇效应 (cluster effect) 使得离体的光效能减弱。两种动物模型实验 [裸鼠的视网膜母细胞瘤 (retinoblastoma) 和结直肠异种移植肿瘤 (colorectal xenografted tumor)] 显示,糖基化的光敏剂在体光动力学活性显著提高。

氨基葡萄糖也可以用来修饰一些肿瘤组织的磁造影剂[24],根据D-氨基葡萄糖对多种肿瘤细胞高度表达的GLUT-1的靶向性,有实验者合成了新型含氨基葡萄糖的表面活性剂NPG ,再利用NPG制备脂质体,并证明了这种修饰有利于脂质体对肿瘤细胞的靶向[25]

此外,尚有针对其他一些机制的肿瘤靶向糖结合药物或诊断试剂,如Lü等[26]分别制备了一系列半乳糖取代的锌酞菁 (zinc phthalocyanines) 近红外荧光探针。裸鼠肝癌模型实验表明,具有3或4个半乳糖单位的锌酞菁具有很好的离体细胞生物相容性和在体肝癌靶向成像能力。但其机制与靶向葡萄糖受体略有不同,其是通过半乳糖受体介导的胞吞作用发挥靶向性。在此基础上,Lü等[27]又制备了一种乳糖取代的近红外荧光探针——[2,9 (10),16 (17),23 (24)-四 ( (1-(β-D-乳糖-2-基)-1氢-1,2,3-三氮唑-4-基) 甲氧基) 酞菁] 锌 (II),并通过实验证明了它可以特异性靶向肝癌部位,而不聚集于肺癌和黑色素瘤部位。

研究中对于糖结合物靶向转运体和进入细胞的过程还需进一步确证。大部分实验者通过比较糖结合物和原药物在肿瘤部位浓集程度的不同推断了靶向性,并未直接证明糖结合物与受体的作用。另一些实验者虽然通过补充实验证明了受体的亲和性试剂对糖结合物与受体的结合具有竞争性抑制,但仍需要进一步机制研究支撑。

2 糖结合肿瘤靶向载体

除了葡萄糖等直接通过共价键结合药物获得肿瘤靶向能力外,也可以通过使用葡萄糖、葡萄糖衍生物或其他一些糖类修饰载体材料,从而获得具有肿瘤靶向性的抗癌药物载体。对于这种方法,它的机制除了糖分子对一些糖转运蛋白的识别具有靶向性外,还有其他解释。如在基因治疗方面,有时分子程度的改变会导致恶性转变,比如糖蛋白 (glycoprotein) 和糖脂 (glycolipid) 的异常糖基化 (glycosylation); 癌组织的异常糖基化伴随着许多表面结合凝集素(lectin) 受体的表达,这类受体对含有表面糖分子的配体具有很高的亲和性,该靶向机制如图 4所示[28],表面具有糖配基的药物载体与细胞膜上的受体结合,通过内吞作用进入细胞,内涵体在细胞内释放药物。

图4 Lectin receptor-mediated delivery of glycosylated carriers[28]

近年来,对于肿瘤药物的载体的研究很多。糖基化修饰后的载体可以提高药物的稳定性,防止其在胃肠道被破坏; 可增加药物的水溶性; 还能降低药物的代谢速度以达到长循环的目的等。因此,具有靶向性的糖结合抗癌药物载体有一定的研究前景。特别是糖基化的纳米载体,近年来的研究很多,各种糖修饰的纳米粒不断被报道,用途也很广,包括用于药物的传递,用于生物标记、成像和生物检测,以及一些其他的生物医学应用,这些都为糖修饰的肿瘤靶向纳米粒提供了理论支持[29]

2.1 糖与载体材料的结合方式

糖修饰肿瘤靶向性载体材料由于结合方式的不同,又可分为两种。一种是采用共价键的连接进行修饰,这种方法常用于一些表面有活性基团的载体材料,如树枝状高分子材料 (dendrimer)。这种材料具有特殊的结构特性,包 括单分散纳米级的尺寸、憎水性内腔以及可调的表 面功能性基团,因此在生物医学领域应用广泛[30]。有实验者将葡聚糖 (dextran) 连接在装载了多柔比星的聚丙烯亚胺树枝状高分子 [poly(propylene imine) dendrimer,PPI dendrimer] 的氨基端,因为葡聚糖 结合的PPI树枝状高分子能更好地被赘生细胞的配基受体介导的内化作用所摄取,所以装载后的药物对于肿瘤细胞具有比游离药物更高细胞毒性[31]。Guo等[30]将乳糖醛酸 (lactobionic acid,La) 以共价键 结合在具有氨基端的部分乙酰化的第5代聚乙二胺 [poly(amidoamine),PAMAM)] 树枝状高分子材料表面,并同时在树枝状高分子材料上连接了显像剂异硫氰酸荧光素 (fluorescein isothiocyanate,FI) 用于检测。La是一种连接半乳糖的特殊配体,可以与去唾液酸糖蛋白受体 (asialoglycoprotein receptors,ASGPR) 特异性相互作用,且亲和性高,据报道这种受体大量出现在干细胞和一些人癌细胞系中,因此这种结合材料可能具有肿瘤细胞的靶向性。流式细胞仪计数 和共焦显微镜检查显示该结合物可以特异性地靶向ASGPR高水平表达的人肝癌细胞。再比如将糖基结合在其他载体材料上,如甘露糖化的固体脂质体纳米粒、半乳糖结合的载紫杉醇纳米粒也有效地提高了靶向性[28]

另一种糖修饰肿瘤靶向性载体材料,是使用非共价键的结合方法结合常规纳米载体,如脂质体、纳米粒等的修饰,如寡聚甘露聚糖包裹的脂质体同样提高抗癌药物的靶向性[32]

2.2 糖结合肿瘤靶向载体研究进展

Wang等[33]合成了一种用葡萄糖官能团化的聚合物胶束纳米粒。葡萄糖以6位与连接体相连后再以共价键连接在载体材料上,载体材料自组装成纳米粒。D-葡萄糖的参与显著增加了聚合物胶束的分散性和生物相容性。细 胞摄取实验和细胞毒性实验显示,葡萄糖官能团化后的纳米粒可以有效地被HepG2细胞内化,并具有更好的生长抑制活性。

与孙玉明等[12]研究类似,同样是使用18F-FDG ,Ozkaya等[34]将它连接在一种磁性纳米粒 (magnetite nanoparticles,MNPs) 上,制成了一种正电子发射描记技术-杂交磁共振显像剂 [positron emission tomography (PET)-magnetic resonance (MR) hybrid imaging agent]。新合成的纳米粒对MCF-7人乳腺癌细胞具有很高的亲和力。

Xiong等[35, 36]使用2-DG修饰,通过酯化反应将2-DG结合在内消旋-2,3-二巯基琥珀酸包被的γ-Fe2O3纳米粒 (meso-2,3-dimercaptosuccinic acid coated γ- Fe2O3 nanoparticles,γ-Fe2O3-DMSA NPs) 的表面,以获得具有肿瘤靶向性的γ-Fe2O3-DMSA-DG NPs。实验中2-DG结合率达到约60%。离体实验表明,该纳米粒可以靶向GLUT-1过度表达的肿瘤细胞,且结合2-DG后的纳米粒被海拉癌细胞 (HeLa tumor cells) 摄取的比率比未结合的对照品有显著提高。

脑部GLUT受体也高度表达。实验表明,葡萄糖修饰后的药物具有很好的脑靶向性,特别是当药物连在葡萄糖的6位时,对GLUT-1有最强的识别能力。李海姣等[37]合成了一种葡萄糖-胆固醇偶联物,将胆固醇部分嵌入脂质体的磷脂双分子层内,形成靶向性的载体,起到脑靶向作用。同样是利用对GLUT的识别,Fernández 等[38]利用葡萄糖的修饰将多巴胺运输至中枢神经。因此,需要注意的是,葡萄糖修饰的靶向肿瘤药物可能具有潜在的脑毒性,这点在今后的研究中也需要特别关注。

另外还有一些基于其他机制的糖结合抗癌靶向药物载体研究。Shann等[39]设计了一种甘露糖化的pH敏感的聚合体微粒 (ManNPs),用于siRNA的肿瘤靶向运输。这种载体也是通过共价键来结合糖。它的肿瘤靶向是基于另一种机制,靶向一种甘露糖受体——CD206。这种受体最初由巨噬细胞 (macrophage) 和树突细胞 (dendritic cell) 表达,且在肿瘤相关巨噬细胞表达量增加。实验者通过事先合成的微粒与预先处理过的甘露糖反应,将甘露糖固定在微粒表面。实验表明,这种甘露糖化的纳米粒与非靶向的对照品相比,将siRNA运送到目标位置的能力提高了4倍。通过同时使用ManNPs和D-甘露糖,发现ManNPs的摄取被部分阻碍,说明了ManNPs的内化作用部分是由甘露糖受体CD206介导的。

由于分布在肝实质细胞表面的ASGPR可以特异性识别半乳糖残基。因此,半乳糖残基可以通过与ASGPR结合用于肝癌靶向治疗。Villa等[40]将新开发的一种聚乙烯醇 (PVA) 为基础的微泡与半乳糖化的脱乙酰壳聚糖配合物进行反应,通过共价键连接,制得一种载体。通过该载体,将装载的Dox靶向运输至过度表达ASGPR的HepG2肝癌细胞。通过实验证 明半乳糖化的程度对选择性和生物黏附性都有影响。半乳糖化的壳聚糖不会影响微泡的Dox释放速度,却可以明显增加HepG2细胞对微泡的摄取。从而证明了该载体的靶向能力。而Ma等[41]合成了一种包含近红外 (near infrared,NIR) 荧光染料 (fluorescence dye,MPA) 与半乳糖以共价键结合的药物载体 (GAL- MPA),并分别评估了这种药物载体的光学、细胞生存、细胞亲和力和载体生物分配性质。结果表明,这种药物载体不仅因为连接了MPA而具有近红外荧光,而且由于半乳糖残基的靶向性,使得这种载体具有低生物毒性和高的肝细胞亲和力,从而更易于在生物医学应用中用于肿瘤的靶向成像和治疗。

3 结论和展望

由于癌细胞倾向于无氧糖酵解的生理特性,其对葡萄糖的需求量很高,葡萄糖转运蛋白高度表达,使葡萄糖修饰药物或药物载体对肿瘤组织具有靶向作用。同时,癌细胞的异常糖基化导致对表面含有糖分子的配体具有很高亲和性的凝集素受体大量表达等机制,也是一些糖结合物具有靶向性的原因。无论是葡萄糖直接修饰药物、诊断试剂,还是修饰药物载体以获得肿瘤靶向性,其用途包括药物的传递、生物标记、成像和生物检测等多方面。由于糖类往往具有生物相容性好、毒副作用低和来源广泛等特点,因此利用糖类物质修饰药物或载体的肿瘤靶向具有很好的应用前景。

此外,葡萄糖糖基化的新位点的开发 (如C4位) 需要进一步的研究,已确定的一些糖基化位点是否会受连接的药物或载体的影响也要视情况而定; 对于糖结合物靶向转运体和进入细胞的过程需进一步确证; 新载体的修饰以及它们潜在的脑部毒性等问题也是今后研究的方向之一。

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