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PLGA纳米颗粒作为基因递送载体的研究进展

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转化医学电子杂志(E—J Transl Med)2014,1(6 155 ・综述・ 文章编号:2095-6894(2014)06.155-04 PLGA纳米颗粒作为基因递送载体的研究进展 张瀚尹 ,粱高峰 。,韦芳 ,闰彬 ( 河南科技大学医学技术与工程学院,河南洛阳471003; 东南大学医学院,江苏南京210009) Advance research on PLGA nanoparticles as gene delivery carriers ZHANG Han—Yin .HANG Gao—Feng‘ ,WEI Fang‘,YAN Bin School of Medical Technology and Engineering,Henan Universi— ty of Science and Technology,Luoyang 471003,China; Medical School,Southeast University,Nanjing 210009,China 【Abstract】To explore safe and efficient gene delivery carriers is of the hot topic in the field of gene therapy.In this paper,re— search progress on PLGA nanoparticles as gene delivery carriers in the recent years were reviewed.We described the present research status in PLGA nanoparticles and their preparation method.Dis— cussion in・depth for the application of PLGA nanoparticles in bio- medical research was also given in the article.Meanwhile,prob— lems existing in PLGA nmaoparticles as a delivery carriers were pointed out while its prospect was also proposed. 【Keywords】gene delivery;PLGA nanoparticles;gene therapy 【摘要】寻找安全、高效的基因递送载体一直是基因治疗领 域的研究热点之一.本文对近年来PLGA作为递送载体及相 关问题进行了综述.首先简述了PLGA纳米颗粒的性质及制 备方法,然后对其作为递送载体的研究概况进行了探讨,最后 指出了目前PLGA作为递送材料存在的问题,并对其前景进 行了展望. 【关键词】基因递送;PLGA纳米颗粒;基因 【中图分类号】Q782 【文献标识码】A O 引言 目前,基因疗法已经逐渐成为临床治疗中的一种 重要手段,作为基因治疗的一个关键环节,基因的递 送近年来备受关注.其方式有病毒载体法和非病毒 载体法两大类.病毒载体法转染率高,使用范围广, 但制备较复杂,有一定的毒性,可能产生免疫反应和 排斥反应¨-2].由于这些缺点,了其在生物医学 收稿日期:2014-09—18;接受日期:2014-09-30 基金项目:国家自然科学基金(U1404824);河南科技大学博士启动基 金(09001635);河南科技大学青年科学基金(2013QN44);河南科技 大学SRTP项目(2012214) 作者简介:张瀚尹.在读硕士.E・mail:drfl000@163.corn 通讯作者:梁高峰.博士,副教授.E—marl:lgfen 90448@163.corn 中的应用.非病毒载体法转染率虽然不及病毒载体, 但是其安全性高、毒性低、不易产生免疫反应和排斥 反应,相对而言具有更大的优势.基因递送技术目前 已成为生物医学研究中一项重要且常用的技术,运 用该技术可以进行外源基因的高效表达、蛋白结构与 功能的研究以及生产目的蛋白;基因表达机制的 研究,实现细胞的表型改变或转化;基因治疗与转基 因动物的研究;RNA干扰以及核酸类药物的研究等. 理想的基因递送载体应满足以下几个方面的要 求_3]:①保护基因不被破坏和降解;②容易和靶细胞 结合;③容易穿过细胞膜;④容易与基因解离;⑤载体 本身容易被降解;⑥载体和降解后的产物对机体无毒 副作用. PLGA因其无毒、可降解、易于制备和功能化等 方面的良好性能,成为一种较好的基因递送材 料 -6],PLGA即聚乳酸-羟基乙酸共聚物(poly(1ac— tic—CO—glycolic acid),PLGA),是由乳酸和羟基乙酸聚 合成,它水解后的产物为乳酸和羟基乙酸,是一种生 物相容性好、易生物降解且广泛用于生物医药和生物 工程的高分子材料 J.人体正常代谢时也会产生 这两种物质,因此PLGA本身是无毒的,不会对机体 造成毒副作用.根据实际应用和研究表明,小分子量 的PLGA更适合作为基因递送载体,本文主要介绍 PLGA纳米颗粒作为基因递送载体的研究进展. 1 PLGA纳米颗粒的制备方法 PLGA纳米颗粒的制备方法有很多种,包括乳化 溶剂挥发法 J、复乳化溶剂扩散法_1 、喷雾干燥 法¨川、复乳化溶剂挥发法¨纠等.复乳化溶剂挥发法 是最常用于制备基因片段包裹PLGA的方法.而这 些方法的选择取决于所需要的颗粒直径和包裹率. 以聚合物为原料制备微球最常用的方法是先制备成 O/W、W/O、W/O/W、O/W/O等型乳液后,再根据具 体的用途选择适当方法使液滴固化成微球.制备方 法的选择对颗粒直径有很大的影响.此外,制备过程 中,有机相与水相的比例、PLGA的性质、表面活化剂 的选择、pH值、搅拌的方式等均会对纳米颗粒的粒径 156 产生影响[ I1引. 1.1乳化溶剂挥发法称取一定量的PLGA固体, 溶解于丙酮溶液中,将所得PLGA溶液用针头以一定 的流速滴加到1%吐温一80乳化剂水溶液中,同时以 一定速度搅拌并超声.完成并形成乳液后,于磁力搅 拌器上搅拌,当有机溶剂完全挥发后得到纳米粒混悬 液.将所得纳米粒混悬液于3 000 r/min低速离心, 先除去大颗粒沉淀,再在10 000 r/rain高速下冷冻离 心1 h,用蒸馏水洗涤沉淀.将沉淀物超声分散于5O mL蒸馏水中,真空冷冻干燥24 h即可得到PLGA纳 米颗粒. 1.2 复乳化溶剂扩散法①称取30 mg的PLGA固 体溶于2 mL二氯甲烷中,置于冰上;②量取2%的 PVA水溶液30 mL,置于冰上;③将溶液①冰浴超声 30 s,形成初级乳化液,随后将初乳倒入到溶液②中 以同样的条件超声2 min,得到复乳;④将复乳在通风 橱中,1 000 r/min置于恒温磁力搅拌器上搅拌3 h, 充分挥发二氯甲烷;10 000 r/min,5 min,离心洗涤纳 米颗粒3次;将洗涤好的纳米颗粒放人冻存管中真空 冻干,保存于一20cI=备用. 1.3喷雾干燥法将PLGA先制备成乳液后,用输 送泵把乳液从直径约0.5 mm的喷嘴送出,在压缩空 气流速为20 L/min,喷料速度500 mL/h的流动条件 下雾化,压缩空气将PLGA雾化成极小的液滴,液滴 与热空气被共同吹人一个腔体中,并利用吹人的 120 ̄C空气瞬时加热,使液滴瞬间除去大部分水分,液 滴中的溶剂挥发,并通过废气管排出,干燥的PLGA 纳米颗粒于收集瓶中收集. 1.4复乳化溶剂挥发法将一定量需制备的样品溶 于5%PEG水溶液中,将一定量PLGA溶于二氯甲烷 /丙酮(体积比3:1)混合溶液中,再将样品的PEG水 溶液加入PLGA溶液中超声l min,形成W/O型乳 液,将该乳液加入一定浓度的PVA水溶液中,冰浴并 以一半功率超声10 min,形成复乳液.将该复乳液置 于常温下磁力搅拌3 h,然后在4℃,20 000 r/min低 温高速离心20 min收集纳米粒,使用蒸馏水洗涤纳 米粒三次,冷冻干燥48 h,可得到PLGA纳米颗粒. 2作为递送载体的研究 2.1递送小分子药物 目前的药物治疗中,药物的 分子大小会影响到体内各种酶对其的降解作用,也会 使其不能很好地参与到血液循环之中,因而不能发挥 应有的疗效.但如果采用一种靶向给药系统,这就会 使药物定向地到达靶组织,从而更好地发挥药效.许 多研究表明,对于顺铂、紫杉醇、5一氟尿嘧啶、姜黄素 转化医学电子杂志(E—J Transl Med)2014,1(6) 等小分子治疗药物,PLGA纳米颗粒可以有效地包 裹,并使其发挥更好的作用.Danhier等¨ 以偶联了 具有肿瘤靶向性的RGD分子(一类含有精氨酸一甘氨 酸 天冬氨酸序列的短肽)的PLGA纳米微球作为紫 杉醇(PTX)的递送载体,研究了它对小鼠肿瘤的生长 抑制作用.结果表明,注射了RGD—PLGA-PTX的实 验组经过18天肿瘤直径达18 mm,注射PLGA—PTX 组用了12 d,而仅注射磷酸缓冲液的对照组只用了7 d肿瘤直径即达18 mm.这些实验说明RGD—PLGA— PTX在抑制肿瘤生长上具有显著的效应.此外,我国 学者李井泉等¨ 在用PLGA-5一Fu的进一步研究发 现,随着给药剂量的增加,纳米颗粒的抑制作用逐渐 加强,呈剂量效应.这些研究均为PLGA纳米颗粒此 后更广泛地用于生物医学领域递送小分子药物奠定 了理论依据. 2.2递送siRNA 目前某些基因异常相关的疾病, 尤其是恶性肿瘤的基因治疗日益成为临床上研究的 热点.而在这一领域中,RNA干扰以其高效的序列特 异性基因沉默技术而得到了广泛关注 .作为潜在 的治疗药物,其在抗病毒、抗肿瘤和神经系统疾病 防治等方面具有巨大潜力¨ J.但是,同很多生物 大分子药物一样,低毒高效的递送方式是siRNA药 物进入临床研究的关键环节,因此该技术的应用重点 就转化到了如何开发一种高效的递送载体上.Park 等_2 通过PLGA纳米颗粒包裹的COX-2 siRNA和地 塞米松实现了风湿性关节的有效治疗,结果表明,PL— GA纳米粒子可帮助siRNA有效逃避溶酶体的降解 作用,并且PLGA无免疫原性,不会引起机体的免疫 排斥反应.Zhou等_2¨采用偶联特异性肽链的PLGA 包裹的siRNA在动物体内实现了靶向肺部的高效 siRNA的递送,有效的延长了siRNA在体内的循环时 间,提高了治疗的效果.实验结果证实,经过特异性 抗体或受体修饰的PLGA/siRNA体系具有更好的治 疗效果,而且用药量更少,有望成为一种高效的肿瘤 治疗药物. 2.3递送pDNA 非病毒载体基因疫苗是指使用 非病毒递送载体将治疗基因表达载体——质粒基因 (plasmid DNA,pDNA)递送入细胞内,从而使质粒调 控基因表达,进而使表达产物发挥治疗作用.Liang 等 采用复乳化挥发法制备了携带miRNA表达载 体的PLGA纳米颗粒,该纳米粒子具有较高的基因转 染效率、较低的细胞毒性,在HePG2细胞中获得了较 高的miRNA的表达,有效的抑制了HepG2细胞周期 的进程.在当前药剂学的研究课题中,将裸DNA直 接注入病变组织,而不依赖于其他物质的参与,这一 转化医学电子杂志(E—J Transl Med)2014,1(6 方法固然简便,无毒无害,但由于裸DNA直接暴露于 血清之中,易受到各种酶的作用,因此转染效率低,作 用不稳定.这样,寻找一种高效的基因载体就显得极 为重要.PLGA纳米颗粒可运载不同大小的基因片 段,可以抵抗核酸酶的降解作用,从而延缓基因降解, 并且还能以内吞、融合、脂交换等多种作用方式进入 细胞,这就使得PLGA纳米颗粒在pDNA的导人中具 有极大的应用空间,同时,PLGA纳米颗粒载体还克 服了病毒载体的安全性问题,这一点至关重要. 2.4体内应用研究PLGA纳米颗粒作为一种非病 毒载体,相较病毒载体更有优势,因其安全、可持续性 释放及良好的生物相容性、可降解性、稳定性等生物 学特性,被认为是一种更有前景的基因递送载体.目 前在临床医学研究方面已有广泛应用,包括疫苗、组 织修复、抗肿瘤等,特别在肿瘤治疗中展现出巨大潜 力.对于抗肿瘤研究,孙国臣 合成BCNU—PLGA纳 米颗粒,用于观察其对大鼠脑c6质瘤的治疗作用, 结果发现该药物表现出显著的抗肿瘤增值、侵袭和抗 血管生成作用.刘杰等 用体外培养的肝癌细胞系 HepG2的细胞分别与采用特殊工艺方法制备的阿霉 素PLGA纳米颗粒(ADM-PLGA-NP)及ADM原药共 同培养一段时间,以研究ADM原药和载药纳米颗粒 (ADM—PLGA—NP)在治疗肝癌上的差异.结果显 ADM.PLGA—NP在细胞内具有更强的ADM药物分子 荧光强度,且稳定性好,易于被HepG2细胞吞噬摄 取,从而使ADM能从纳米颗粒中缓慢释放出来,已 达到长期给药的目的,从而更有效地抑制肝癌细胞的 生长. 另外,在很多动物实验研究中,发现PLGA在神 经再生、血管修复、治疗压力性尿失禁、骨愈合、局部 麻醉、防辐射等方面也有显著作用.田洪居等 通 过向小鼠坐骨神经旁注射罗哌卡因PLGA纳米颗粒 (ROP—PLGA-MS),以研究该纳米颗粒的局麻效果. 结果显示小鼠在罗哌卡因PLGA微球坐骨神经旁植 入后3 h,给药侧肢体开始出现明显的感觉阻滞效果, 较对照侧对热伤害刺激的反应明显迟钝,1O一18 h 达到药效高峰,30 h起药效开始减退;48 h后药效接 近?肖退,神经阻滞时间约30 h.结果发现ROP—PLGA— MS纳米颗粒能有效延长罗哌卡因时效,且血药浓度 低,毒性小.这对临床局麻药物研究方面产生了深远 影响.孙伟光等 制成氨磷汀纳米颗粒用于防辐 射,该纳米颗粒能对各个组织器官实行有效的防护, 大大降低了辐射造成的损伤.氨磷汀纳米颗粒制剂 解决了一直以来氨磷汀类药物口服无效的问题,在防 辐射方面具有较好发展前景.孙阳等 自制s PL一 157 GA,通过兔子实验,研究其对兔肝癌的成像效果,结 果表明该纳米颗粒能有效增强兔肝脏肿瘤与正常组 织间的信号强度对比,对肝癌的早期诊断和治疗具有 重要临床意义.此外,在组织工程方面,Kim等 将 SOX9基因通过PLGA纳米粒子递送至人骨髓间充质 干细胞内,有效的增强了SOX9基因的表达,显著提 高了间充质干细胞在体内形成软骨的能力,开辟了干 细胞应用于临床治疗的新途径. 3问题与展望 病毒感染法虽然具有很高的转染效率,但存在潜 在、未知的危险性,使其应用受到诸多.因此, 在基因递送载体和方法的研究中,人们越来越重视 非病毒载体和方法的开发与优化.大量的实验研究 证实:作为良好的基因递送载体,PLGA纳米颗粒为 基因治疗开创了一条全新的途径,特别是作为药物载 体与靶向技术的联合运用,在今后必将成为医药界学 者研究的热点.现在国外已有PLGA纳米颗粒上市, 国内也正在进行这类生物载体的相关研究,但是还存 在着一些瓶颈,例如递送的效率、靶向性、安全性等. 这些问题都需要生物医学研究者和临床医师们不断 进行深入的研究,并予以解决. 此外,不仅仅是作为递送载体,在组织工程方面, PLGA还可以用于细胞的生长支架,为细胞的增殖提 供三维空间和新陈代谢的微环境,并可以决定新生组 织的大小、器官的大小和形状.而PLGA的无免疫原 性、组织相容性好和无毒可降解的特性,在体外能够 支持细胞的生长、引导体内组织生长、帮助生物活性 分子转导以及其组成和结构可以通过剪裁来适应特 殊的需要,从而可以提高细胞的生长效率. 当然,基于PLGA的众多特殊性质,还可以用于 皮肤移植,伤口缝合,体内植入等方面,而更多的应用 领域还有待于进一步拓展和研究.相信随着科学技 术的不断发展,经过不断改性和特异性表面修饰的 PLGA纳米颗粒将会越来越完善,并在科学研究和临 床治疗中发挥更大的作用. 【参考文献】 [1]Wang JH,Faust SM,Rabinowitz JE,et a1.The next step in gene delivery:Molecular engineering of adeno-associated virus serotypes [J].J Mol Cell Cardiol,2010,50(5):793—802. 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