基质金属蛋白酶响应性高分子胶束的制备及其在肿瘤药物或基因治疗上的应用

Polymeric micelles possess stable core-shell structures, which can be used as anti-cancer drug/gene delivery carriers with elongated circulation in the bloodstream, enhanced accumulation in the tumor tissue, and achievable stimuli-responsive controllable release. However, as for the drugs which need to enter cells for controllable release or better therapeutic efficacy, it is still a challenge to fabricate carriers that can achieve both stable extracellular delivery and efficient cellular internalization. To overcome this dilemma, in this proposal, we will design matrix metalloproteinase (MMP)-responsive block copolymers which are afforded by the MMP-cleavable linkage. Furthermore, we will construct MMP-responsive polymeric micelles on the basis of the block copolymers for efficient anticancer drug/gene delivery under the catalysis of overexpressed enzymes, MMP, in the tumor tissue. With the PEG detachment from the polymeric micelles under the cleavage of MMP, the hydrophobic cores with a few positive charges can interact with cell membrane directly, which facilitate the cellular internalization, in addition, promote pH-sensitive drug release in the endosome for drug delivery, or improve the endosome escape and transfection efficiency for gene delivery. This research will explore the laws of MMP-responsive polymeric micelles as anti-cancer drug/gene delivery vectors, solve the dilemma of polymeric micelles between stable extracellular delivery and efficient cellular internalization, and provide a novel model in the field of anticancer drug/gene delivery systems.

具有稳定核壳结构的高分子胶束，在抗肿瘤药物传输中，有着在体内长循环、在肿瘤部位富集、以及可实现响应性控制释放的优点。但对很多需要进入细胞才能更好的发挥效用的药物来说，在胶束载体设计方面，一直存在着体内稳定传输和高效进入细胞并释放其所负载药物的矛盾。本研究拟充分利用肿瘤组织过度表达的基质金属蛋白酶（MMP），设计MMP响应性寡肽联接的两嵌段聚合物，并将其进一步转化为MMP响应性抗肿瘤药物胶束载体和聚离子复合物胶束非病毒基因载体。随着MMP将胶束的亲水性壳层聚环氧乙烷（PEG）逐渐切断，略带正电荷的疏水性核直接与细胞膜接触，大大促进了载药胶束的细胞内吞及细胞内pH响应性药物释放，或者大大提高聚离子复合物胶束基因载体的细胞内吞、内涵体逃逸及基因转染效率。本项目将进一步探索酶响应性高分子胶束在作为抗肿瘤药物或基因载体方面的设计和应用规律，为肿瘤治疗中更加高效的载体设计提供新型的模板。

在纳米药物载体领域，具有稳定核壳结构的嵌段聚合物胶束占有绝大部分份额。其中重要的科学问题之一是实现在血液循环中的稳定传输的同时，在病变组织进入细胞释放药物。表面聚乙二醇(PEG)修饰作为主要手段，但PEG的存在会妨碍细胞内吞及其后内涵体逃逸。本项目的研究目的是利用病变组织过度表达的酶（肿瘤组织中的基质金属蛋白酶MMP）实现在病变组织细胞外去PEG化，从而实现高效的细胞内吞。此外，针对其后的内涵体逃逸，设计更加高效的内涵体逃逸分子。针对该目标，对相关成果及科学意义，分为三个部分总结如下：1. 将基质金属蛋白酶(MMP)可切断的寡肽引入到嵌段聚合物中，以此联接聚乙二醇(PEG)和聚氨基酸阳离子。并以此嵌段聚合物作为酶响应非病毒基因载体。随着MMP将PEG切断，增加细胞内吞以及内涵体逃逸，从而将最终的基因转染效率提高了近30倍。该研究实现了嵌段聚离子复合物胶束的细胞外去PEG化，有望进一步推动嵌段聚合物非病毒基因载体在体内应用。2. 制备了MMP可切断多肽连接的两亲性嵌段聚合物PEG-peptide-PCL（PCL为聚己内酯），PCL末端进一步通过穿膜肽修饰。调节嵌段聚合物长度，实现了囊泡结构的聚合物载体体系。MMP响应性切除PEG，囊泡出现塌缩，释放亲水性抑制剂，同时内层的穿膜肽翻转到粒子外层，促进细胞内吞和细胞内疏水药物释放。该载体极其巧妙地实现了药物梯次释放与适时功能实现。通过该多功能载体，实现了对高转移性肿瘤的新型治疗方法，先抑制其转移再杀死肿瘤细胞。该工作对新型的多功能形貌可变的高分子纳米组装体的发展，新型载药体系的设计策略等方面有着重要的科学意义。3. 利用Passerini多组分反应将具有高效质子海绵效应的分子和易于与内涵体膜结合的长链烷基结合到一个单体中，聚合后得到的聚合物表现出了非常高效的内涵体逃逸效率。该研究工作提出的高效内涵体逃逸分子设计策略，对药物的胞内高效输送有着重要的意义。该项目执行期间，发表标注该项目基金号的影响因子大于4的论文14篇，其中1篇论文获得“SCI Highly Cited Paper”。在国际会议（Macro2014）作口头报告1次，国内会议（高分子年会，化学年会，纳米医学会议）作口头报告3次。