纳米药物的EPR效应,存在吗?
奇物论 2021-06-06

基于 EPR 效应的纳米药物设计争论已经持续了 15 年以上。然而,这些争论可能将两个不同的问题与两个不同的临床意义混合在一起:

(1) EPR 效应是否存在于临床前小鼠癌症模型和人类癌症患者中?

(2) 与游离药物相比,纳米药物是否通过EPR效应增强积累以提高临床抗癌疗效?


成果简介

鉴于此,密歇根大学Duxin Sun、Wei Gao和百时美施贵宝公司Simon Zhou等人使用五种临床使用的纳米药物,在三种临床前癌症模型中对纳米药物的设计标准进行研究。


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研究数据显示,当乳腺肿瘤与正常乳腺组织进行比较时,在所有三种类型的临床前小鼠癌症模型中,EPR 效应都增强了纳米药物、游离药物溶液和临床胶束制剂的肿瘤积累。作为一种生理现象,当将肿瘤与正常组织进行比较时,肿瘤组织中肯定存在EPR效应,这无需进一步争论和证实。EPR 效应(与正常组织相比)不仅在使用数千个纳米颗粒递送系统的各种临床前癌症模型中得到反复证实,而且在使用不同纳米显像剂制剂的人类癌症患者中也得到证实。


然而,这种 EPR 在肿瘤与正常组织中的作用不仅在纳米药物(长循环或短循环)中观察到,而且在具有高蛋白质结合的小分子中也观察到。与正常组织相比,EPR 效应导致具有高蛋白质结合的小分子(如:伊文思蓝、阿霉素)的肿瘤积累增加了 2 至 6 倍。之前就有研究表明,与正常组织相比,使用具有高蛋白质结合能力 (68%) 和高亲和力的伊文思蓝具有肿瘤 EPR 效果。伊文思蓝的高蛋白结合能力和高亲和力导致更长的血液循环时间,通过肿瘤EPR效应增强肿瘤积累。然而,人们普遍忽视的是,尽管结合亲和力低,但大多数抗肿瘤小分子也具有高蛋白结合能力(>70-98%)。例如,多柔比星具有高蛋白结合(~75%)和低结合亲和力(Ka:7.50×103 M-1)。一旦药物进入血液循环,大部分药物会与血浆蛋白结合,并在几秒钟内分布到全身。


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图|纳米制剂 EPR累积仅在皮下和原位乳腺癌中实现,但在转基因自发性乳腺癌中未实现


在正常组织中,未结合的药物会扩散到组织中,在那里药物可以与不同器官中具有不同容量和亲和力的组织结合,这决定了不同器官中的浓度。相反,在肿瘤组织中,由于渗漏的血管系统,未结合的药物和血浆蛋白结合的药物都可以通过渗漏的肿瘤血管系统,导致比正常组织更高的肿瘤积累。该药物还可以与肿瘤组织结合以在肿瘤中高保留。因此,药物在肿瘤中的蓄积取决于药物与血浆蛋白的结合水平、蛋白结合亲和力、肿瘤组织结合能力和结合亲和力,以及肿瘤EPR效应。还值得注意的是,与正常组织相比,不同的小分子可能具有不同的首选肿瘤积累,因此不能一概而论纳米药物会比游离药物溶液或胶束制剂具有首选的肿瘤积累,这可能是药物依赖性的。


因此,与临床疗效最相关的问题是,与游离药物溶液或临床胶束制剂(如紫杉醇)相比,纳米药物是否通过 EPR 效应增强了药物在肿瘤中的积累。虽然在皮下和原位癌症模型中证实了通过 EPR 效应增强纳米药物(长循环和短循环)与游离药物或临床胶束制剂在肿瘤中的积累,但在转基因小鼠自发性癌症(更能模拟人类癌症)中未观察到增强效果。纳米药物和游离药物或临床胶束制剂之间在自发性癌症中的肿瘤积累没有差异是因为:与正常组织相比,它们通过 EPR 效应增强了肿瘤积累的水平相似。如果类似的情况发生在人类癌症中,与游离药物或临床胶束制剂相比,目前的纳米药物不会期望提高抗癌功效。这与纳米制剂和游离药物之间相似功效的临床观察结果一致。


在人类癌症患者中,与游离药物或临床胶束制剂相比,纳米药物可增强肿瘤积累的证据有限。然而,相反的一点是一项临床研究表明,在与艾滋病相关的卡波西肉瘤 (ARKS) 的病变中,Doxil 的肿瘤积累比阿霉素溶液高 5.2 到 11.4 倍。然而,这项研究没有比较 Doxil 与阿霉素溶液在正常真皮组织中的积累,正如该研究所示,正常皮肤组织也表现出 Doxil 在表皮和真皮组织中的优先积累。因此,ARKS 病变中梭形细胞可能优先摄取 Doxil,因此纳米药物在 ARKS 皮肤病变中较高的肿瘤积累可能不是由于 EPR 效应。


因此,游离药物相比,EPR 可以增加所有纳米药物的肿瘤积累也不能一概而论。纳米药物的设计应该是药物特异性和纳米载体特异性的。此外,肿瘤小分子的积累还取决于肿瘤EPR效应、药物结合能力和对血浆蛋白的亲和力,以及对肿瘤组织的药物结合能力和亲和力。

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图|小分子伊文思蓝、多柔比星在乳腺癌中通过 EPR 效应增强的积累


第二个纳米药物设计标准是通过减少RES清除产生长循环纳米药物,通过减少正常器官积累来降低药物毒性,并进一步增强EPR效应以提高抗癌功效。然而,本文数据和其他数据表明,当纳米药物与皮下或原位癌症模型中的游离药物溶液相比,通过强 EPR 效应增强肿瘤积累时,长循环纳米药物设计是有帮助的,但在自发性癌症模型中则不然。此外,长循环的稳定纳米药物并不能普遍减少正常器官中的药物分布以降低毒性,而是改变(减少、增加或不改变)不同器官中的组织分布,从而改变安全性/有效性特征。


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图|对于长循环稳定的阿霉素脂质体纳米制剂和短循环的紫杉醇快速释放纳米药物,观察到 EPR 效应在小鼠转基因自发性乳腺癌和原位乳腺癌与正常乳腺组织中的积累增强


此外,短循环纳米药物的组织分布/渗透以依赖于载体的方式变化,这也是 Abraxane 和 Genexol-PM 具有独特功效/安全性的原因。Abraxane 将药物输送到肿瘤巨噬细胞,从而提高其疗效。因此,需要彻底评估纳米药物的生物分布,以了解其独特的功效和安全性,这可以提高临床前模型临床转化的成功率。临床研究表明,Genexol-PM、Paclical 和 Abraxane 具有相似的血浆药代动力学,该研究发现 Genexol-PM、Abraxane 和 Paclitaxel 具有相似的血浆浓度分布,但不同组织之间的生物分布不同。


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图|紫杉醇纳米制剂在肿瘤组织中的分布观察


小结:

总而言之,基于 EPR 效应的纳米药物设计争论可能将两个具有不同临床意义的不同问题混合在一起。当纳米药物与肿瘤中的游离药物溶液或临床胶束制剂进行比较时,长循环和短循环纳米药物并没有增加转基因自发性乳腺癌中的肿瘤积累,无论它们的纳米大小和组成如何,尽管它们在皮下和原位乳腺癌中有所作用。在自发性乳腺癌中,纳米药物与游离药物溶液或临床胶束制剂之间在肿瘤积累方面缺乏差异,这应引起人们对基于 EPR 效应的纳米药物设计的关注,该设计将临床前癌症模型转化为癌症患者,以提高其抗癌功效。相比之下,当乳腺癌组织与正常乳腺组织进行比较时,纳米药物、游离药物溶液和临床胶束制剂在三种类型的临床前小鼠癌症模型中通过 EPR 效应增强了乳腺癌组织与正常乳腺组织中的肿瘤积累。此外,长循环纳米药物并没有进一步增加转基因小鼠自发性乳腺癌中的肿瘤积累,也没有普遍减少组织分布以降低所有正常器官的毒性。相反,长循环纳米药物会改变(减少、增加或不改变)不同器官的分布,这与它们在人类癌症患者中的疗效/安全性改变有关。相比之下,短循环快速释放纳米药物降低血液浓度,从而降低血液学毒性,并改变正常器官的组织分布,这也与其临床疗效/安全性的改变有关。这些数据揭示了为什么不同临床前癌症模型中的纳米药物设计标准可能对其在癌症患者中的临床疗效/安全性的临床转化成功或不佳。


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图|当前纳米医学设计标准的总结及其对癌症患者临床疗效/安全性的临床转化


参考文献:

Xin Luan. et al. Reappraisal of Anticancer Nanomedicine Design Criteria in Three Types of Preclinical Cancer Models for Better Clinical Translation. Biomaterials. 2021

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961221002660




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