抗腫瘤納米藥物：百尺竿頭，如何更進一步？

　　迷你飛船”在血管中潛行，通過血管壁上的小孔潛入腫瘤組織，通過抗體識別并進入腫瘤細胞；一旦進入細胞，這些“飛船”便釋放它們攜帶的貨物——抗癌藥物，摧毀腫瘤細胞：任務至此圓滿完成。

　　早在21世紀初，這種關于納米藥物的設想就經常以動畫片的形式向人們表明，納米藥物或將是對抗腫瘤的靈丹妙藥，可以找到并進入腫瘤組織，將腫瘤細胞一網打盡。

　　然而，波士頓布萊根婦女醫院的內科醫生兼生物材料學家Omid Farokhzad卻說，他現在一看到類似的視頻，就感到非常尷尬。他解釋道：“15年前，我們認為，如果將一些腫瘤靶向分子結合在納米顆粒表面，它就可以進入腫瘤細胞。但是現在看來，這個想法非常幼稚。”

　　被動（左上）/ 主動靶向（右上）輸送納米藥物，淋巴回流系統受損（右下）促使納米藥物在腫瘤部位滯留。（圖片來源：Science Translational medicine）

　　從理論上講，納米藥物可以往患者身體任何需要治療的部位精準地輸送一種或多種藥物，不僅可以增強藥物療效，同時還可以避免傳統化療由于藥物全身作用導致的副作用，而納米藥物所有這些優勢都得益于納米顆粒的大小。納米藥物領域一個最核心的假設就是：如果納米顆粒足夠小，它們就可以從腫瘤周圍疏松多孔的血管泄漏到腫瘤組織中，但是這些顆粒又足夠大，不會通過正常血管滲透進入正常組織。基于這樣一種被動靶向的策略，這個領域已經有一系列成功的臨床試驗，它們都利用納米顆粒攜載藥物，避免它們在心臟及其他非靶標部位積累，從而降低對正常組織的毒副作用。

　　與此同時，研究人員一直在嘗試提高納米顆粒針對腫瘤組織的主動靶向能力，但這更難實現。迄今為止，人類腫瘤復雜混亂的生物學特性使大多數努力都付之東流。

　　因此研究人員開始嘗試新手段，他們根據納米顆粒與細胞、組織相互作用的數據對納米藥物進行再造。他們也在竭盡全力研究為什么納米藥物對某些病人和腫瘤有效，對另一些卻無效。在擺脫了這個領域不切實際的空想之后，納米藥物研究人員現在希望研發出一種名副其實的更有效的靶向治療方法。

　　臨床療效喜憂參半

　　在剛剛過去的2016年，納米藥物領域遭受重創，似乎讓納米技術科學家們開始發自內心地自我反思。5月，由于臨床試驗結果令人失望，股票業績不佳導致無力償還債務，位于馬薩諸塞州（譯注：華人習慣稱為麻省）劍橋市的一家世界頂級納米藥物公司——BIND Therapeutics宣布破產。這家由Farokhzad和MIT杰出化學工程師、企業家Robert Langer共同創立的公司，在創立之初就備受關注。觀察人士對他們使用先進的化學工程及計算機自動設計技術進行高分子納米顆粒設計的做法贊譽有加，這些技術可以讓高分子納米顆粒通過表面的腫瘤靶向分子，主動攻擊腫瘤細胞。

　　納米藥物研究人員對BIND公司的策略報以很高的期望，結果卻功虧一簣，讓人扼腕嘆息，然而隨后5月發表的一篇關于納米藥物領域的薈萃分析綜述論文給研究人員帶來了更深的恐慌。多倫多大學納米技術科學家Warren Chan和他的同事分析了過去10年、超過100篇關于納米藥物的文章，結果發現無論是否具有主動靶向能力，所有的納米顆粒平均只有約0.7%的注射劑量進入腫瘤。Chan說：“這個效率低到讓我吃驚，因為一談到‘納米’，人們立刻就會想到‘靶向’，這是納米藥物研究人員潛意識里的假設。”

　　當然這篇綜述也受到了一些質疑。一些研究人員認為，這篇綜述將不同腫瘤、不同藥物及不同納米顆粒的數據放在一起分析不合理。MIT的生物醫學工程師Sangeeta Bhatia則認為，盡管不到1%的富集量聽起來似乎并不多，但是“如果這么多的藥物都在正確的細胞（即癌細胞）中，那也是非常有用的。”

　　也有人很認同Chan振聾發聵的呼吁：應該以更加令人信服的證據表明納米顆粒是否可以顯著提高藥物的靶向輸送效率，是否可以在臨床病人身上產生顯著療效。邁阿密大學醫學院的生物醫學工程師Shanta Dhar認為：“對納米藥物領域的研究人員而言，Chan的統計結果展現了一個非常黑暗、悲觀的事實，但是我們必須面對現實，并勇往直前。”

　　當然，2016年納米藥物領域也有一些好消息。例如6月愛爾蘭都柏林Jazz Pharmaceuticals的子公司Celator宣布：他們一項使用納米藥物治療急性髓性白血病的3期臨床試驗結果很樂觀。這家公司將兩種抗癌藥物同時包載在脂質體納米顆粒中，形成的納米藥物可以在一定程度上提高化療藥物抗癌療效。馬里蘭州貝塞斯達美國國家癌癥研究所腫瘤納米技術研究中心主任Piotr Grodzinski解釋說，由于這種癌癥病人總生存率極低，因此哪怕一點小小的提高都值得關注。

　　Grodzinski認為，在缺乏傳統治療手段的疾病領域，納米藥物將大有作為：“納米藥物需要應用在那些以現有手段無法診斷或者治療的疾病上。”

　　納米藥物體內輸送屏障：單核巨噬系統吞噬、非特異性分布、瘤內壓、血液流變學限制、細胞攝取及內涵體逃逸、多藥耐藥性（圖片來源：Nature Biotechnology）

　　在適合的領域大顯身手

　　耶魯大學生物醫學工程師Mark Saltzman認為惡性膠質瘤就是這樣一種疾病。這種腦癌患者的生存率數據令人沮喪，大多數患者在確診一年以內就會死亡。Saltzman希望設計一種可以靶向膠質瘤干細胞的納米藥物，因為在傳統的化療或放療過程中，膠質瘤干細胞由于藏身于大腦深處而躲過一劫，并最終導致腫瘤復發，因此讓藥物到達大腦深部對治療惡性膠質瘤至關重要。

　　然而將藥物輸送到大腦非常困難。大腦血管壁的細胞連接比機體任何其他循環系統都要緊密，從而形成了一種可以讓物質選擇性通過的結構——血腦屏障，它允許葡萄糖及其它必需營養物質通過，卻可以阻擋毒素及納米顆粒的進入。同時，大腦還擅長將已經進入其中的藥物排出腦外。

　　堅固的血腦屏障使Saltzman放棄了傳統的給藥方式——將納米顆粒注射到血液中讓它們自己到達目標部位。相反，這位耶魯的研究者試圖繞到血腦屏障之后，直接將納米顆粒注射到腦部組織液中，然后采用一種叫做對流增強傳輸的方式將藥物送達大腦深處。這種方法需要在藥物注射時施加一定的梯度壓力，使腦部組織液形成對流，從而輸送藥物。

　　其他研究人員已經證明，這種方法可以提高脂質體納米顆粒的輸送效率，同時脂質體納米顆粒也足夠大，可以停留在大腦中避免被排出腦外。但是由于脂質體納米顆粒不具有藥物緩釋的能力，Saltzman轉而嘗試一種由聚乳酸-羥基乙酸共聚物（Poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA）制成的納米顆粒。在手術縫合線和植入器械中，PLGA是一種常用的高分子。由于腦組織細胞間隙寬度和腫瘤組織細胞間隙一樣，僅為幾十納米，因此Saltzman不得不用PLGA制備比以往更小的納米顆粒，使其得以通過腦組織細胞間隙進入大腦深部。

　　2013年，Mark Saltzman的研究小組報道，70 納米大小的PLGA納米顆粒可以在大腦組織中擴散，同時還可以攜載并釋放藥物。他們篩選了一系列抗癌藥物，找到了可以有效殺傷膠質瘤干細胞的藥物，并將它與納米顆粒結合形成納米藥物，結果發現這種靶向腦部膠質瘤干細胞的納米藥物制劑可以使小鼠顱內的腦膠質瘤（由人腦膠質瘤干細胞生長而來）縮小。

　　納米藥物治療鼠腦膠質瘤：顱內注射的納米顆粒（紅色）被腫瘤細胞（綠色）吞噬，（圖片來源：PNAS）

　　然而，小鼠的大腦比人的大腦要小得多。人大腦中的膠質瘤可以長到距離原發灶2 cm之外的區域，這意味著納米顆粒需要擴散到很大的區域才會有效。在豬的大腦上進行的實驗結果表明，這種對流增強藥物輸送的方式可以將納米藥物輸送到約1000 mm3 的腦部組織內。目前，他們正在申請在學校的醫學中心進行臨床試驗。

　　這種藥物輸送方法最吸引人的地方在于它可以輸送任何需要進入大腦深層部位才能發揮藥效的藥物，它還允許藥物以一種可控的方式隨著時間緩慢釋放，這是PLGA納米顆粒的優勢所在。如果這種腦部特異性輸送體系在臨床試驗中展現出潛力，那么科學家可以用它輸送新的抗癌藥物或者其他神經毒性藥物。Mark Saltzman說：“此前還沒有人在腫瘤存在的情況下將納米藥物直接輸入人的大腦中，因此，我們還有很多需要探索學習的地方，但是我們確信這種方法在動物身上確實有效。”

　　回歸基礎研究

　　Chan認為，每一個納米藥物領域的研究人員都應該嘗試這種回歸基礎的研究方法。他認為納米藥物領域的研究人員應該著力于確定他們研究結果的可重復性，并針對納米顆粒在人體內的作用方式進行基礎研究。他解釋說：“道理很簡單，如果你不知道發電機的工作原理，就嘗試制造汽車，那么造出來的汽車肯定開不了。如果你明白一個系統的工作原理，那你就可以改進它。”

　　目前這個領域的重大挑戰依然很多。比如，一個最常見的問題就是蛋白會結合納米顆粒并阻礙其發揮作用。“任何時候你將納米顆粒注射到血液中，都會有許多蛋白微弱地結合在納米顆粒表面，形成一層蛋白冠，”MIT的生物醫學工程師Kim Hamad-Schifferli說道，“要制備出一種不形成蛋白冠的納米顆粒是不可能的。”盡管納米技術科學家們煞費苦心，在納米藥物載體表面結合了腫瘤靶向分子，但是這層蛋白冠會覆蓋在這些靶向分子上，阻礙它們與受體結合，從而削弱靶向能力。

　　由于無法阻止蛋白冠形成，工程師們正在嘗試如何使這層蛋白冠為我所用。Farokhzad認為能否控制蛋白吸附至關重要：納米顆粒表面的蛋白可以影響納米顆粒在血液中的循環時間、免疫系統對納米顆粒的反應以及納米顆粒的最終去向。結合蛋白的納米顆粒要么通過腎臟排出，要么被一種叫做巨噬細胞的免疫細胞吞噬后進入肝臟、肺或者脾臟，這些都是無法避免的。Farokhzad正在系統研究納米顆粒的尺寸對蛋白冠化學性質的影響，而一個合適的納米顆粒很有可能通過吸附特定蛋白來引導其進入特定組織或者腫瘤。Hamad-Schifferli已經在體外研究中發現，蛋白冠可以改善納米顆粒促進或者抑制凝血的性能。

　　Chan也一直在進行納米顆粒體內命運的基礎研究，他說：“我們正在嘗試為人體設計納米顆粒，但是我們卻無法在人體內測試它們。”因此，他的實驗室開始與多倫多大學醫學中心合作，退而求其次，在病人離體樣品上進行實驗，如可以通過灌注營養液使剛切除的腫瘤存活足夠長的時間，允許他們研究納米顆粒通過這些腫瘤組織的方式。

　　對大多數生物材料研究人員而言，這樣的研究很難獨立完成，但是Chan認為，這些研究與臨床試驗很容易結合在一起。通過監控病人的臨床反應，并將之與納米藥物通過病人腫瘤組織的信息結合在一起，納米藥物公司也許可以知道納米藥物是否發揮作用的原因，這些信息可以促進他們優化納米顆粒。由于這種策略可以揭示人體腫瘤的基礎信息，因此越來越多的研究人員開始使用這種研究策略。

　　分子影像讓觀察更精細

　　如果目標是馬上提高臨床療效，也許有更容易的方法：使用分子成像技術揭示病人對納米藥物的接受程度。個性化醫療幾乎成了所有癌癥研究領域的指導思想，在納米藥物領域也得到越來越多的應用。任何乳腺癌患者在確定她的體內是否有結合赫塞汀的受體之前都不會使用赫塞汀。因此，如果一個病人的腫瘤本身就將納米藥物拒之瘤外，那么也就不能使用納米藥物對這個病人進行治療。

　　位于馬薩諸塞州劍橋市的Merrimack Pharmaceuticals公司正在使用一種磁共振成像（MRI）造影劑Ferumoxytol來檢測納米藥物是否可以進入病人腫瘤組織。Ferumoxytol是美國FDA批準用于臨床的含氧化鐵納米顆粒的MRI造影劑。他們推測，如果Ferumoxytol可以進入腫瘤組織，那么治療性納米藥物也可以進入腫瘤組織。2014年，在圣地亞哥舉辦的美國癌癥研究學會年會上，這家公司展示了他們在12個晚期癌癥患者身上進行的一項先導試驗結果：造影劑納米顆粒可以進入的腫瘤也偏向于攝取他們的納米制劑MM-398——一種包載抗癌藥物伊立替康的脂質體。這家公司現在希望通過兩個1期臨床試驗去驗證該成像結果的預測效果：一個在患有乳腺癌或其他實體瘤的病人身上進行，另一個在患有轉移性腫瘤或者是無法用手術切除的腫瘤病人身上進行。

　　氧化鐵納米顆粒（左）預測納米藥物（右）治療效果（圖片來源：Science Translational medicine）

　　與此同時，日本東京大學的Kazunori Kataoka正在使用影像學技術更深入地研究被動靶向，目的是設計適合不同腫瘤以及不同腫瘤血管動力學的納米顆粒。

　　Kataoka此前已經開發了四種納米藥物，目前正在進行臨床試驗，分別由日本千葉市納米藥物制造商Nanocarrier和東京跨國化學藥物公司Nippon Kayaku負責，其中一種納米藥物正在胰腺癌病人身上進行3期臨床試驗，它可以響應腫瘤部位輕微偏酸的環境，促進藥物快速釋放。

　　在2016年2月發表的一項研究中，Kataoka轉而重點研究了不同大小的納米顆粒進入胰腺腫瘤的方式以及它們進入腫瘤時的情況。胰腺癌尤其難治，胰腺癌組織緊密，納米顆粒很難進入其中。給小鼠注射不同大小的磷酸鈣納米顆粒后，Kataoka的團隊在長達10小時的時間里，對小鼠的胰腺癌組織及腫瘤血管進行了每10分鐘一次的連續成像。這些納米顆粒不攜帶任何藥物，但是在小鼠體內可以通過顯微鏡進行觀察。

　　他們發現30 納米左右的小納米顆粒可以從血管滲透進入胰腺癌組織，但是大納米顆粒僅僅通過血液隨機的“納米噴發”進入腫瘤組織。Kataoka認為：“納米顆粒進入腫瘤的機理可能并不像人們此前認為的那么簡單。”同時，小納米顆粒可以進入腫瘤的緊密組織，但是大納米顆粒（即使通過納米噴發進入腫瘤）只能滯留在腫瘤外周。不過，他們在直腸結腸癌和卵巢癌腫瘤血管中并沒有觀察到類似“納米噴發”現象，這些腫瘤血管更疏松，因而大納米顆粒可以進入。這些信息提醒我們，針對胰腺癌應該選擇小納米顆粒，而針對其他腫瘤可能需要選擇大納米顆粒。Kataoka說，在合適的病人、合適的腫瘤中，理想的納米藥物能“像攜載小戰士的宇宙飛船一樣發揮作用。”

　　Godzinski認為，像這種新的機理研究將幫助研究人員為不同腫瘤、組織及病人量體裁衣地設計納米顆粒。認為納米藥物是一種可以輕松、精準地靶向腫瘤組織的納米子彈的觀念已經成為歷史，但是，研究人員樂觀地認為，基礎研究可以幫助他們設計出新的納米藥物，使它們更接近科幻小說中的版本。