细胞药物递送系统的研究进展

摘要

细胞药物递送系统利用细胞的独特生理功能，将药物靶向递送到病变区域，是目前最复杂和智能的药物递送系统。与传统的药物递送系统相比，细胞药物递送系统在体内长循环、靶向性、生物相容性，突破生理屏障等方面具有独特优势，细胞药物递送系统是实现多功能药物递送的最佳载体。本文介绍分析了常见的细胞药物递送系统如红细胞、免疫细胞、干细胞和肿瘤细胞等。

化疗药物、基因药物、蛋白多肽类药物普遍存在溶解性差、稳定性差及靶向性差等问题，不仅降低了药物的疗效，而且造成了严重的毒副作用。纳米药物通过将药物整合到药物载体上，降低了药物与正常组织接触的机会，提高了药物的安全性。但是，传统的药物递送系统，使用合成的载体材料在一定程度上提高了难溶性药物的溶解度和生物利用度，但是仍然存在被机体清除、靶向效率不足、载体安全性及组织渗透性差等难题。即使是临床批准上市的的PEG长循环脂质体也可激活机体的补体系统，导致过敏反应。利用机体自身的细胞作为药物载体，可克服传统药物递送系统面临的局限，有望成为新一代的智能药物递送系统（图1）。

1 红细胞

简介：红细胞占到人体细胞的25%，血细胞的99%以上，是血液中最丰富的细胞。红细胞呈边缘凸中央凹的圆饼状，直径约7μm，在体内的循环时间高达120天（图2）。因此，红细胞具有天然的生物相容性、低免疫原性、负载量高、长循环等特性，可用作长循环药物载体研究。

制备技术：利用红细胞运输药物，依据细胞来源方式和载药方式，主要分为四种：（A）装载到红细胞内部，通过低渗负载技术、穿膜肽修饰技术和脂质体膜融合技术，可以将药物装载到红细胞的内部，对于降低药物的免疫原性具有积极意义；（B）装载到红细胞表面，通过化学偶连或者亲和配体偶连到红细胞膜表面；（C）创造新的红细胞，通过造血干细胞扩增技术和基因编辑技术，定向分化为携带治疗性蛋白药物的红细胞；（D）体内红细胞搭便车，通过制备具有靶向红细胞的融合蛋白或者纳米载体，注射到体内后，直接吸附到红细胞的表面（图3）。[2]

临床信息：EryDel公司利用低渗负载技术将地塞米松磷酸钠（Dex 21-P）负载到红细胞的内部，治疗共济失调毛细血管扩张症，具有良好的治疗效果，未见明显不良反应。

Erytech公司利用红细胞包覆酶和抗原技术，将L-天冬酰胺酶包载到红细胞内部，目前，该药物联合化疗已经开展了在转移性胰腺癌、转移性乳腺癌以及急性淋巴性白血病的研究。

Orphan Technologies公司利用红细包覆胞胸苷磷酸化酶用于改善罕见的高半胱氨酸尿症和相关疾病（表1）。[1]

表1 红细胞药物递送载体临床试验信息

2 免疫细胞

简介：免疫细胞是指参与免疫应答或与免疫应答相关的细胞。包括淋巴细胞、树突状细胞、单核/巨噬细胞、粒细胞、肥大细胞等。免疫细胞可以分为多种，在人体中各种免疫细胞担任着重要的角色。与红细胞相比，免疫细胞具有良好的炎症趋向性，可以将药物主动靶向递送到炎症部位，在降低药物不良反应，增加炎症部位的药物浓度具有独特优势，上述优势是传统药物载体难以实现的。

单核细胞/巨噬细胞：临床上，90%以上肿瘤患者的死亡是肿瘤转移导致的，主要原因是转移灶数量多，体积小，异质性分散于被侵入器官，传统的药物载体很难实现精准的转移灶靶向。Li等人利用单核细胞/巨噬细胞靶向肺转移灶的特性，通过在细胞内部或者细胞表面装载化疗药物美登素，在转移灶部位高表达Legumain酶的作用下释放出化疗药物，抑制乳腺癌肺转移，取得了良好的治疗效果（图4）。[3,4]

中性粒细胞：中性粒细胞是血液中最丰富的免疫细胞，占到免疫细胞的40%-75%，也是炎症发生后，最先到达炎症部位的免疫细胞。

胶质母细胞瘤是颅内原发性恶性肿瘤，肿瘤侵袭式增长，手术无法清除干净残留的肿瘤细胞，肿瘤复发率高，患者生存率低。传统的药物载体很难突破血脑屏障，将药物靶向递送到颅内的肿瘤区域。Zhang 等人以中性粒细胞为药物载体，负载紫杉醇脂质体，将紫杉醇靶向递送到颅内的肿瘤区域，提高了肿瘤区域的药物浓度，延长了荷瘤小鼠的生存期（图5）。[5]

T细胞：T细胞可分为多种亚型，其中CD8+T淋巴细胞可直接靶向杀伤肿瘤细胞，目前临床上很火的CAR-T疗法就是基于以上原理，同时T淋巴细胞还可以作为药物载体，起到增强肿瘤治疗效果的作用。

Irvine等人制备了IL-15的蛋白质纳米凝胶，将其负载到T细胞表面，当T细胞识别相应抗原后，膜电位的改变，触发细胞因子的响应性释放，显著增强了肿瘤组织中的T细胞数量，提高了约16倍，显著增强额CAR-T疗法的实体瘤清除能力（图6）。[6]

NK细胞：NK细胞占到循环淋巴细胞的15%以上，其介导的抗肿瘤免疫反应属于先天性免疫，可高效识别肿瘤细胞，通过释放颗粒酶和穿孔素杀伤肿瘤细胞。

Won Jong Kim等人利用NK细胞识别肿瘤细胞的特性，在NK细胞的表面锚定负载Dox的胶束，当NK细胞识别肿瘤之后，释放酸性的颗粒酶，促进Dox的释放，增强肿瘤治疗效果（图7）。[7]

3 干细胞

干细胞是一类可以无限自我更新和多潜能分化的多能干细胞，目前作为药物载体，研究比较多的是间充质干细胞和神经干细胞。在炎症、组织修复和肿瘤发生时，干细胞倾向于迁移到肿瘤部位，利用干细胞的肿瘤归巢能力，可以将药物靶向递送到肿瘤细胞。

Kam W. Leong等人制备了间充质干细胞瘤球，同时负载蛋白类药物和化疗药物。构建的间充质干细胞瘤球不仅保留了肿瘤细胞的靶向性能，而且在肿瘤部位具有长期蓄积的能力，与单个间充质干细胞载药系统相比，干细胞瘤球显著增强了抗肿瘤疗效（图8）。[8]

4 肿瘤细胞

肿瘤细胞自身具有同源靶向的能力，但是利用活的肿瘤细胞作为细胞药物递送系统，存在致癌的问题，安全性令人担忧。Gu等人发现AML癌变细胞本本身具有靶向骨髓的能力，经过液氮处理的AML细胞（死细胞）靶向能力并没有受到影响。通过在死细胞内部负载化疗药物，可提高骨髓内的化疗药物浓度，同事利用死细胞自身携带的肿瘤抗原，增强肿瘤免疫反应，研究表明，上述设计，显著提高了荷瘤小鼠的生存期（图9）。[9]

总结与展望

细胞药物递送系统具有独特的长循环、主动靶向、突破生理屏障等特性，在疾病治疗中具有优势。与此同时，细胞衍生的外泌体、细胞膜等同样是目前研究的热点。但是，细胞药物递送系统仍然处于研究的初级阶段，目前，仅仅只有红细胞作为药物载体进入了临床试验阶段，还存在一些问题需要解决：（1）载药量的提升，单个细胞负载的药物量有限，达到给药剂量，一般需要注射大量的细胞，经济成本和安全性均需要考量；（2）稳定性，载药后，细胞的靶向能力和生物活性不应该受到影响，同时，药物也不应该受到细胞的影响；（3）安全性，细胞药物递送系统不应该对机体产生严重的毒副作用。（4）制备工艺的提升，细胞获取复杂，难度大，载药难。

尽管目前细胞药物递送系统面临诸多挑战，细胞药物递送系统具有的优势是不可替代的，未来上述技术必定会有重大进展。

参考文献

[1] Zhang C, et al. Cytopharmaceuticals: An emerging paradigm for drug delivery. J Control Release 2020, 328: 313-324.

[2] Muzykantov V, et al. Red blood cells: Supercarriers for drugs, biologicals, and nanoparticles and inspiration for advanced delivery systems. Adv Drug Deliv Rev 2016, 15: 88-103.

[3] Li YP, et al. Inflammatory monocytes loading protease-sensitive nanoparticles enable lung metastasis targeting and intelligent drug release for anti-metastasis therapy. Nano Lett 2017, 17(9): 5546-5554.

[4] Li YP et al. Bioengineered macrophages can responsively transform into nanovesicles to target lung metastasis. Nano Lett 2018, 18(8): 4762-4770.

[5] Zhang C, et al. Neutrophil-mediated anticancer drug delivery for suppression of postoperative malignant glioma recurrence. Nat Nano 2017, 12: 692-700.

[6] Irvine J D, et al. Enhancing T cell therapy through TCR-signaling-responsive nanoparticle drug delivery. 2018, 26: 707-716.

[7] Kim J W, et al. Harnessing the formation of natural killer–tumor cell immunological synapses for enhanced therapeutic effect in solid tumors. Adv Mater 2020, 32: 20200020.

[8] Leong K W, et al. Engineered mesenchymal stem cell/nanomedicine spheroid as an active drug delivery platform for combinational glioblastoma

Therapy. Nano Lett 2019, 3: 1701-1705.

[9] Gu Z, et al. Cryo-shocked cancer cells for targeted drug delivery and vaccination. Sci Adv 2020, 6(50): eabc3013.