RC-591

“点击蓝字 关注我们丁娅中国药科大学教授，博士生导师，博士。2007 年于南京大学化学化工学院分析化学专业获博士学位，2008 年起在南京大学生命科学学院从事生物学博士后研究，2013 年赴美国 University of Massachusetts-Amherst 化学系做访问学者。长期从事药物分析新材料和新技术领域研究，在 Angew Chem Inter Ed, Adv Drug Delivery Rev, Coord Chem Rev, Adv Funct Mater, Nano Today, ACS Nano, Nano Lett, Acta Pharm Sin B, Anal Chem, Biomaterials 等高水平学术期刊发表 SCI 论文 70 余篇，授权专利 10 余项。获高等学校科学研究优秀成果奖·自然科学奖一等奖、江苏省科学技术奖三等奖；获评江苏省优秀博士论文指导教师。《有机光谱分析》教材编委。主持国家自然科学基金项目 4 项、江苏省重点研发计划 1 项、其他省部级基金项目 5 项。担任《中国药科大学学报》《药学学报》编委，J Pharm Anal 青年编委，Chin Chem Lett 通讯编委，中国医药生物技术协会纳米生物技术分会常务委员，中国生物材料学会影像材料和技术分会委员，中国抗癌协会纳米肿瘤学专业委员会委员，中国医药生物技术协会药物分析技术专委会委员。基于金属有机框架的 siRNA 递送系统研究进展PPS 罗子江 #，赵一涵 #，丁娅 *（中国药科大学药学院，江苏 南京 210009）[摘要]：小干扰 RNA（siRNA）介导的 RNA 干扰（RNAi）技术已被广泛研究，但其临床应用仍面临挑战，包括药代动力学性质不佳、易发生酶降解、细胞摄取率低和非特异性基因沉默等问题。开发具有高沉默效率、良好生物相容性且易于功能化的 siRNA 递送载体，对于推动 siRNA 疗法的临床转化至关重要。综述了一种极具潜力的非病毒载体——金属有机框架（MOF）在 siRNA 递送方面的最新研究进展，旨在为高效 siRNA 递送平台的设计提供思路与参考。1RNA 干扰研究概况随着基因组测序和生物信息学技术的飞速发展，2015 年精准医疗被提出，标志着医疗领域进入了一个新的时代 [1-2]。通过对癌症患者基因组进行测序和分析，可以精准识别致病基因，实现个体化癌症治疗，从而最大限度地提高治疗效果，并降低毒副作用。在精准医疗领域，RNA 干扰（RNA interference，RNAi）技术已发展成为一种有效的细胞内基因敲低手段，在多种疾病的临床前研究或临床治疗中得到广泛应用，包括恶性肿瘤、乙型肝炎、肥胖及多发性神经病变等 [3-6]。1998 年的一项研究揭示了小干扰 RNA（short interfering RNA，siRNA）在降低靶基因表达水平方面的有效性。双链 RNA（double stranded RNA，dsRNA）或短发夹 RNA（short hairpin RNA，shRNA）被摄取入胞后，被核糖核酸内切酶（dicer enzyme，简称 Dicer）切割成长度为 21 至 25 个碱基对的 siRNA[7]。这些 siRNA 作为 RNAi 技术的效应分子，在细胞质中与 Ago 蛋白等结合，形成 RNA诱导沉默复合体（RNA-induced silencing complex，RISC）。在 ATP 的激活下，siRNA 发生解旋，反义链根据碱基互补配对原则，特异性地识别并切割靶基因 RNA，实现基因沉默 [8]（见图 1）。通过化学修饰和特定序列设计，siRNA 疗法能够高效且特异地降解多种靶标 mRNA。这一过程依赖于 ATP 供能，通过自然的生物调节途径发挥降解作用，显著抑制特定基因的表达。因此，siRNA 疗法以其高度的特异性、高效性及安全性等优势而备受关注 [9]，并有望广泛应用于多种疾病的治疗。2018 年，美国食品药品监督管理局（FDA）批准了首个 siRNA 药物Onpattro ™（patisiran），用于治疗转甲状腺素蛋白淀粉样变性的多发性神经病 [10]。然而，由于 siRNA带负电荷且相对分子质量较大（约 10 000），穿透细胞膜的能力受到严重限制。即使少量 siRNA 进入细胞质后，也难以从内涵体中逃逸并发挥作用。同时，在生理条件下，裸露的 siRNA 易被核酸酶降解，稳定性差且半衰期短（小于 15 min），难以在靶细胞中累积并发挥作用 [11]。因此，siRNA 药物需要通过载体来提高其稳定性和细胞内浓度。其中，病毒载体具有较高转染效率 [12]，但工艺复杂且存在潜在的生物危险性，而非病毒载体通常制备工艺简单、安全可控，得到广泛的研究与发展 [13]。目前，常用的非病毒载体包括脂质体或脂质类似物、聚合物、无机纳米粒，以及功能性偶联物等[14]。目前上市的 4 种 siRNA 药物中，除 1 种以脂质体作为载体外，其余均采用 N-乙酰半乳糖胺载体，可以形成多糖-siRNA 单缀合物，实现向肝细胞的特异性递送。然而，无论是脂质体还是 N-乙酰半乳糖胺载体，在面对非肝细胞递送的需求方面仍缺乏优势。此外，由于非病毒载体仍存在靶向性差、不易降解、体内稳定性差，以及疾病治疗范围窄等缺点，无法同时克服 siRNA 体内递送所面临的多重挑战，限制了此类药物的临床转化 [15]。因此，理想的 siRNA 载体应同时具备以下特征：1）在体循环中保持 siRNA的稳定性；2）能克服血液和细胞膜屏障，精准递送siRNA 至靶细胞；3）快速从内涵体逃逸并实现高效基因沉默；4）具有良好的生物安全性 [16-17]。2基于金属有机框架的 siRNA 递送系统的构建 策略金属有机框架（metal-organic framework，MOF）是由有机配体和金属离子（或纳米簇）配位自组装而成的具有高比表面积的多孔材料，例如沸石咪唑酯骨架结构（zeolitic imidazolate framework，ZIF）、MIL（materials of Institute Lavoisier）系列框架、UiO（University of Oslo）系列材料、多孔配位网络（porous coordination network，PCN）等 [18]。迄今，锌、铜、铁、铬、铝、锆等多种金属离子均可作为MOF的中心离子。具有可供配位的官能团（如芳香羧酸类和含氮杂环类等）的有机物常作为 MOF的有机配体参与组装 [19]。MOF 因其制备工艺简单、生物可降解以及生物相容性良好等优点，在药物递送方面应用广泛。与其他非病毒纳米载体相比，MOF 在递送siRNA 方面也表现出显著优势：1）MOF 结构可调性强，有助于装载符合 siRNA 尺寸和理化性质的颗粒，保护 siRNA 免受酶降解；2）高孔隙率和高比表面积赋予了 MOF 负载 siRNA 的潜力，且表面易于功能化，可促进核酸被细胞摄取；3）MOF 结构大多具有酸敏感性，在肿瘤微环境或溶酶体条件下实现 siRNA 的可控释放；4）基于 MOF 中含氮杂环配体的质子海绵效应，可促进核酸从内涵体逃逸，提高转染效率；5）MOF 具备优异的生物相容性和可降解性，可实现体内用药的安全性 [20-22]。 本文总结了 MOF 在 siRNA 递送方面的最新研究进展，包括 MOF 与 siRNA 相互作用机制、MOF对 siRNA 的包载方式，以及 MOF-siRNA 递送系统在除肿瘤外其他疾病治疗中的探索，旨在为高效siRNA 递送平台的设计提供思路与参考。2.1 金属有机框架与 siRNA 相互作用机制脂质体、聚合物等非病毒载体递送 siRNA 时，通常通过静电相互作用来包封 siRNA[23-24]，稳定性受电荷影响，难以实现可控释放。MOF 除静电相互作用外，还可通过金属配位作用、主-客体相互作用、π-π 堆积等多种方式有效负载 siRNA 分子 [25]。2.1.1 静电相互作用  由于 siRNA 带负电荷，阳离子聚合物或脂质通常通过静电吸附的方式来包封siRNA[26-27]，从而显著提高转染效率。然而，基于静电吸附的高电荷纳米载体，容易在生理条件下与其他生物大分子形成电解质聚集体，或与血清或血浆蛋白发生非特异性相互作用 [28]，造成 RNA 泄漏。为获得稳定的递送载体，需要考虑影响复合颗粒的尺寸、分散度、稳定性，以及制备工艺参数，如pH值、反应浓度、载体-siRNA 比率等。MOF 具有较弱的正电性、尺寸适宜且分散均匀，同时具备生理稳定性和生物相容性，因此是 siRNA 递送的良好载体。其中，MOF 负载 siRNA 最常见的策略是通过超声等物理方式将 siRNA 包载入 MOF 多孔框架中 [29]。同时，该多孔框架对 siRNA 产生物理限制，稳定其结构的同时包封率显著增加。因此，相较于阳离子聚合物等载体，MOF 制备工艺简单，具有优异的稳定性、生物相容性和生物可降解性。2.1.2 金属配位作用  仅依赖于静电作用的阳离子递送载体包封效率低且易导致细胞毒性，从而限制其临床应用。近年来，基于非静电相互作用的包封策略被广泛研究，如配位键作用和氢键作用。MOF表面和内部的金属离子（Ca2+、Zn2+、Fe3+）可与RNA 磷酸基团发生配位作用，稳定其结构。例如，MIL 家族表面的 Fe3+ 可与低氧诱导因子（HIF）-2α siRNA 的磷酸基团通过氢键和多个配位键作用形成复合物，保护 HIF-2α siRNA 免受核酸酶的降解 [30]。此外，UiO 表面 Zr3+ 的空轨道也可以与 siRNA 骨架上的磷酸残基形成多个配位键，从而将 siRNA 成功结合至颗粒表面。MIL 和 UiO 家族在表现出较高的 siRNA 包封效率的同时，仍保持物理和化学稳定性，并在系统给药后表现出良好的生物安全性 [31]。2.1.3 主-客体相互作用  主-客体相互作用通常发生在多孔 MOF 材料中，通过固体核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）化学位移变化结果，可观察到 MOF 材料与 siRNA 客体分子之间的空间联系[32]。当具有多重拓扑孔道结构的 MOF 与 siRNA 分子的尺寸精确匹配时，可实现更加稳定的负载 [33-34]。例如，Zr-MOF 的六角形介孔通道可通过主-客体相互作用容纳直径为 3 nm 的 siRNA 分子 [35]，通过分子模拟技术，在 Zr-MOF 孔模型中展示了 siRNA 分子能量最小化的最终构型，在热力学上进一步证明了 MOF 孔道对 siRNA 的稳定作用。2.1.4 π-π 堆积  除了上述 3 种相互作用外，π-π 堆积也是 MOF 与 siRNA 的一种独特的相互作用机制。π-π 堆积是一种广泛存在于天然或合成材料中的非共价相互作用，特指涉及含有 π 键的芳香族基团的相互作用 [36]。根据芳香环排列的位置与相互作用方式不同，可将 π-π 堆积分为 3 类：边对面结构、偏移堆叠，以及面对面堆叠。其中前 2 种堆叠方式能量较低，具有结构稳定性，因此是 π-π 堆积的主要形式 [37]。根据不同的配体类型，可将 MOF 分为芳香羧酸类和含氮杂环类 [38]，由于 π-π 堆积在维持材料结构稳定性方面具有重要作用，因此芳香羧酸类 MOF 通常通过 π-π 堆积方式自组装并实现药物递送。另外，含氮杂环的卟啉类 MOF 也通过 π-π 堆积作用结合带负电荷的 siRNA，从而将 siRNA 包载于 MOF 中 [39]。金属配位作用、π-π 堆积方式和主-客体相互作用是 MOF 用于 siRNA 递送的独特方式，为显著提高 siRNA 的体内稳定性提供了新的作用模式。为了开发更多适用于递送 siRNA 的 MOF，未来的研究可集中于材料结构优化和制备工艺简化等方面，以提高 siRNA 递送的稳定性与高效性，达到精准靶向与可控释放的目的。2.2 MOF 对 siRNA 的包载方法 众所周知，药物递送载体的理化特性，如组成、尺寸、电荷和形貌，在组织渗透和聚集方面起着关键作用 [40]。一般情况下，小尺寸、刚性的载体具有较高的组织通透性，而大尺寸、柔性的载体则具有更好的组织蓄积和滞留能力。为解决上述不同特性之间的矛盾，同时增强组织渗透和蓄积能力，对 MOF 性能的控制不能仅局限于其尺寸、电荷和孔隙率的准确程度，还需要考虑其表面的生物亲和力和体内代谢行为的相关影响。因此，MOF 的可控合成和载药方法对于药物递送效率至关重要。目前，MOF 的可控合成和载药方法主要包括一锅法、两步法和生物矿化法。2.2.1 一锅法  一锅法是一种简单、高效、快速的方法，被广泛应用于 MOF 合成和药物负载 [41]。通过控制 MOF 的反应时间、反应体系浓度、温度及 pH值，可以有效调控颗粒的成核大小和速率，从而调节颗粒的尺寸 [42-43]。在综合考虑 MOF 尺寸、电荷、形貌及表面功能化对其性质的影响后，有研究通过简便、快速、合理的一锅法，在温和的条件下成功将 siRNA 药物包封在 2-甲基咪唑（MIM）和锌离子组成的 MOF 材料中，并包封在海藻酸钠（SA）纳米粒中，制得递送系统 SA@MOF-siRNA，用于小鼠结肠炎治疗（见图 2）[44]。该系统具有高包封率（＞ 80%）和渗透性，可以穿透肠道黏膜层，在肠道疾病治疗领域具备转化潜力。此外，活性物质作为配体直接参与 MOF 的合成，可以提高递送系统的治疗效果。例如，有学者以抗氧化剂单宁酸（tannic acid，TA）为配体，将金属离子、配体及核酸混合均匀后，通过一锅法成功将 siRNA 负载于金属 - 酚类 MOF 结构（TFSB）中 [45]。2.2.2 两步法  两步法是指先合成 MOF，再将 siRNA 装载其中，通常包括表面修饰和表面装载两种方式。表面修饰是指将药物直接修饰在颗粒表面从而实现负载 [46]，而表面装载是指利用 MOF 的表面孔道装载药物。MIL、UiO 家族具有高孔隙率和可控的表面官能团，其大孔隙用于负载化疗药物，而表面的金属离子有利于通过配位键作用结合 siRNA。该负载方法简单快速，将游离 siRNA 与 MOF 在水溶液中简单混合，便可得到负载 siRNA 的颗粒 [31]。此外，ZIF 家族还可通过 siRNA 与配体的预先孵育，然后逐渐加入含Zn2+ 溶液，以实现两步法制备负载 siRNA 的 ZIF 纳米颗粒 [47]。然而，基于表面金属配位键作用的两步装载方式使 siRNA 暴露在颗粒表面，在生理条件下存在着被核酸酶降解和被有机溶剂破坏的潜在风险。2.2.3 生物矿化法  传统载药方式较难合成具有特定尺寸、形貌，以及均匀分散的 MOF-siRNA 复合颗粒，一般需要在有机溶剂中反应或者对 MOF 材料进行表面功能化，增加了合成的复杂度，同时具有潜在的安全隐患 [43]。生物矿化 [47] 是生物分子与无机离子相互作用，产生硬质生物材料的过程。基于这一自然生物矿化过程的机制，多功能的纳米载体已被开发并尝试用于各种疾病的治疗。生物矿化法合成的材料具有以下优势。1）生物相容性。在仿生矿化过程中，纳米材料通过模拟活体条件进行合成，从而避免了被人体免疫系统排斥。2）生理稳定性。仿生矿化技术的合成环境与生理环境非常相似，从而确保了生物矿化纳米颗粒的生理稳定性。3）生物降解性。生物矿化纳米材料的主要成分源自机体内存在的物质，在人体中易于代谢，并可被吸收与再利用。4）高效负载生物大分子。由于生物矿物与生物分子之间广泛的相互作用，矿化材料可以促进核酸负载至纳米粒中 [48-49]。 近年来，基于生物矿化机制开发的多功能纳米递送核酸平台被广泛应用。牛血清白蛋白（BSA）结构含有大量的侧链氨基酸，具有羧基、羟基以及巯基基团，容易与 MOF 中的金属离子发生螯合，从而形成包裹蛋白质的纳米颗粒 [50]。BSA 的生物矿化法合成简便、快速、成本低廉且易被肾脏代谢，在核酸药物负载、递送等方面具有潜力。例如，将siRNA 原位封装于 pH 响应性的 ZIF-8 后，进一步用 BSA 生物矿化方法合成的二氧化锰涂层进行修饰 [51]，从而提高颗粒的负载率和主动靶向性，同时实现疾病治疗和磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）。虽然这种合成方法与两步法相比，可以更好地保护 siRNA 不被核酸酶降解，但其生物矿化的机制暂不清楚，如金属离子与生物分子的构象变化、结合位点等；此外，该方法制备的治疗系统在肿瘤微环境内的主动靶向效果仍有待提高。3角鲨烯作为疫苗佐剂的应用3.1 抗肿瘤治疗3.1.1 通过沉默癌基因实现精准抗癌  癌症易感基因如 PLK1、Survivin、SNHG15 等，在非小细胞肺癌、胃癌、黑色素瘤、乳腺癌、甲状腺癌等多种癌症中均过表达，但在正常分化成熟组织中低表达 [52]。通过 RNAi 疗法来精准靶向并沉默癌症易感基因，有望在癌症治疗领域带来突破性进展。研究人员通过 ZIF-8 纳米颗粒装载 PLK1 siRNA，同时采用同型癌细胞膜包裹颗粒，进行异位荷瘤小鼠模型尾静脉给药。该递送系统被肿瘤细胞摄取后，在溶酶体酸性条件下发生解离，释放出 2-甲基咪唑，通过质子海绵效应破坏溶酶体膜，实现了 siRNA 逃逸，从而下调肿瘤中过表达的 PLK1 癌基因，抑制肿瘤生长。该仿生 MOF-siRNA 递送系统具有制备工艺简单、负载和靶向效率高等特点，为核酸递送提供了新平台 [53]。基于 ZIF-8 高效的核酸装载能力，有研究通过一锅法将 Survivin siRNA 装载到 ZIF-8 内部，同时表面覆盖血小板膜。体内实验结果显示，与未治疗组相比，递送系统组具有主动靶向性，在肿瘤治疗方面展现了卓越的效果 [29]。因此，MOF 作为一种高效的核酸递送载体，可靶向沉默癌症易感基因，实现精准治疗。同时，MOF 表面易包被细胞膜等内源性物质，赋予载体靶向性，可帮助其逃避免疫系统清除、延长体内循环时间并提高基因沉默效果。3.1.2 降低化疗耐药性  由多种化疗药物引发的多药耐药性（multiple drug resistance，MDR），导致细胞内药物外排增加，药物水平降低，造成癌症复发和预后不良，死亡率增加 [54]。因此，亟需克服化疗耐药的新策略。顺铂是癌症治疗的广谱化疗药物之一，其引发耐药性的分子机制尚未被完全阐明，可能有以下几种机制：1）MDR 基因表达上调；2）肿瘤细胞转移和耐药信号通路异常激活；3）外排转运蛋白表达上调，导致癌细胞对顺铂摄取减少；4）癌基因突变等 [55]。 通过 RNAi 疗法可直接沉默 MDR 基因，解决顺铂的耐药问题。有研究通过 UiO 共递送顺铂和 MDR siRNA 至癌细胞中，沉默了 MDR 基因，从而克服癌细胞对顺铂的耐药性，增强了顺铂的疗效 [31]。此外，有研究发现肿瘤组织中 OUM1/PTPRZ1 信号通路异常，从而促进肿瘤细胞的增殖、迁移和耐药 [56]。因此，研究者利用 MOF 的酸响应释放特性和表面结构易功能化的特点，通过 Mn-MOF 递送可干扰 OUM1 和 PTPRZ1 的 siRNA，来抑制 OUM1/PTPRZ1 通路，从而抑制肿瘤细胞增殖和迁移，降低其对顺铂的耐药性，增强化疗效果 [57]。同时，在肿瘤微酸性条件下，MOF 结构被破坏，响应性释放锰离子，从而诱导类芬顿反应，产生大量活性氧，实现化学动力学治疗。3.1.3 多模式联合增强抗癌疗效  虽然 siRNA 可精准下调相关基因，但由于机体复杂的代偿平衡，siRNA 疗法在临床上的抑瘤效果仍未达到预期。为提高 siRNA 疗法的有效性，通常需要采用联合治疗方法。与单一治疗相比，联合治疗不仅可提高抗癌疗效，还可以一定程度地规避多药耐药现象，并抑制肿瘤的转移和复发 [58]。然而，多种治疗策略的联合会增加递送系统设计的复杂性、引发不良反应或面临其他未知的困难。因此，将多种治疗策略进行有机整合，兼具临床应用意义和挑战性。研究人员通过一锅法研制了一种可负载热休克蛋白 siRNA 的新型多功能锆-铁卟啉 MOF 诊疗平台（siRNA/Zr-FeP-MOF）。该平台具有光敏剂卟啉的结构，在近红外激光照射下，光敏剂卟啉催化内源性过氧化氢和氧气生成大量活性氧，从而破坏溶酶体膜，实现溶酶体逃逸；同时，siRNA 抑制热休克蛋白的表达，增强体系的光热治疗效果。该平台基于光敏剂的光动力治疗与基因治疗、光热治疗的协同作用，可显著抑制体内肿瘤生长 [39]。同时，其还具备一种三模态肿瘤成像能力，包括光学成像、计算机断层扫描成像和光声成像，可实现精准肿瘤诊断（见图 3）。3.2 治疗炎症相关疾病 退行性骨关节炎（degenerative osteoarthritis，OA）是一种高发病率疾病，也是临床上最为常见的关节炎类型，可导致关节功能障碍和慢性残疾 [59]。然而，单一治疗药物疗效差、生物利用度低，且靶向性是目前尚未解决的问题。其中，乏氧与炎症紧密相关 [60]，OA 病变组织中的 HIF-2α 过表达导致软骨发生退化，病灶难以完全根除。研究人员设计了一种 pH 响应性 MOF，共递送抗炎药物姜黄素（CCM）和 HIF-2α siRNA，在 OA 酸性微环境中颗粒结构发生裂解，释放 CCM 和 HIF-2α siRNA，从而下调促炎细胞因子水平，沉默 HIF-2α 以缓解软骨退化，协同抑制炎症反应 [30]。 类风湿性关节炎（rheumatoid arthritis，RA）是一种自身免疫性疾病，其发病机制是自身抗原与抗体结合形成免疫复合物，沉积于关节部位，诱导炎症并募集促炎 M1 型巨噬细胞，加剧炎症反应。目前，治疗 RA 的药物包括非甾体抗炎药、糖皮质激素、抗氧化剂TA，以及抗风湿药（传统化学药物或细胞因子）[61]。然而，抗风湿药难以靶向递送至关节炎病灶处，疗效较差且具有潜在的全身毒性。TA 作为一种抗氧化剂，可对 RA 起到缓解作用，有研究首次将其作为 MOF 的配体，使颗粒自身具有抗氧化活性 [45]。同时，该 MOF 装载的 siRNA 下调肿瘤坏死因子（TNF）-α，使巨噬细胞表型发生转化，从根源抑制病情。在胶原诱导的关节炎小鼠模型中，该治疗方法展现出良好的抗 RA 效果，且具备较高的生物相容性。4结语与展望基因治疗作为一种生物医学手段，在癌症、病毒感染和免疫疾病等领域具有广阔的应用前景，其中 RNAi 疗法由于其对特定基因的精准下调而备受关注。尽管现已开发出多种 siRNA 递送载体，但脱靶效应、免疫原性，以及核酸装载效率低等问题，严重限制了这些载体的临床应用。与其他非病毒载体相比，MOF 具备高孔隙率、高比表面积，以及可控的结构骨架和可生物降解等特性，为解决上述问题提供了新的材料。本文总结了 MOF-siRNA 递送系统的构建策略和研究进展，为提升 siRNA 疗法的有效性和安全性提供了新的方法和思路。由于 MOF材料在生物医药领域的应用刚刚起步，可供选择的性能优良的配体种类还比较匮乏，材料本身可能造成的免疫原性、长期毒性和体内代谢等方面的研究还不够充分，MOF-siRNA 递送系统临床转化的实现还需要较长的时间和过程。因此，进一步探索基于生物活性物质（如氨基酸、小分子药物）构建的MOF，寻求提高药效和生物安全性的方法，深入探讨 MOF 材料作为药物载体的可行性和潜力，对推动 MOF-siRNA 药物的临床转化具有重要意义。参考文献：[1]  Zhang J, Chen B, Gan C, et al. 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Lancet, 2017, 389(10086): 2338-2348.美编排版：朱玲欣感谢您阅读《药学进展》微信平台原创好文，也欢迎各位读者转载、引用。本文选自《药学进展》2025年第3期。《药学进展》杂志由国家教育部主管、中国药科大学和中国药学会共同主办，中国科技核心期刊（中国科技论文统计源期刊）。刊物以反映药学科研领域的新方法、新成果、新进展、新趋势为宗旨，以综述、评述、行业发展报告为特色，以药学学科进展、技术进展、新药研发各环节技术信息为重点，是一本专注于医药科技前沿与产业动态的专业媒体。《药学进展》注重内容策划、加强组稿约稿、深度挖掘、分析药学信息资源、在药学学科进展、科研思路方法、靶点机制探讨、新药研发报告、临床用药分析、国际医药前沿等方面初具特色；特别是医药信息内容以科学前沿与国家战略需求相合，更加突出前瞻性、权威性、时效性、新颖性、系统性、实战性。根据最新统计数据，刊物篇均下载率连续三年蝉联我国医药期刊榜首，复合影响因子1.216，具有较高的影响力。《药学进展》编委会由国家重大专项化学药总师陈凯先院士担任主编，编委由新药研发技术链政府监管部门、高校科研院所、制药企业、临床医院、CRO、金融资本及知识产权相关机构近两百位极具影响力的专家组成。联系《药学进展》↓↓↓编辑部官网：pps.cpu.edu.cn；邮箱：yxjz@163.com；电话：025-83271227。欢迎投稿、订阅！往期推荐聚焦“兴药为民·2023生物医药创新融合发展大会”“兴药为民·2023生物医药创新融合发展大会”盛大启幕！院士专家齐聚杭城，绘就生物医药前沿赛道新蓝图“兴药强刊”青年学者论坛暨《药学进展》第二届青年编委会议成功召开“兴药为民·2023生物医药创新融合发展大会”路演专场圆满收官！校企合作新旅程已启航我知道你在看哟

尹莉芳中国药科大学药剂学教授，博士生导师，中国药学会药剂专业委员会副主任委员、国家药品监督管理局药品审评中心咨询专家委员会委员、国家药典委员会委员、中国药学会工业药剂学专业委员会委员、中国药学会科普工作委员会委员、国家科学技术奖励办评审专家、科技部国际合作同行专家、江苏省缓释智能制剂及关键功能性辅料开发与评价工程研究中心主任、江苏省药物研究与开发协会化学药物专委会副主任委员、江苏省药品监督管理局药品审评专家等。获得江苏省科学技术奖一等奖、二等奖各一项。尹莉芳教授长期专注缓控释给药系统的研究及产业化，药物新剂型、仿创药物研发及产业化，基因药物成药性研究等领域，主持国家“重大新药创制”科技重大专项，以及国家自然科学基金委、教育部、江苏省科技厅等机构的项目共 30 余项。在缓控释制剂、固体制剂方向产业化经验丰富，与国内外数十家企业合作，近年来主持企业项目近 100 项，完成一类创新药西达本胺片、改良型新药甘草酸二胺肠溶片等数十个品种申报，获得硝苯地平控释片、二甲双胍缓释片等 30 余款药物的新药证书或生产批件。以第一发明人申请发明专利 40 余项，获得授权 20 项，专利权转让 3 项。主编、参编生物药剂学与药物动力学、药剂学、工业药剂学等学科相关教材 8 部，以第一作者或通信作者在 ACS Nano、Adv Sci 等期刊上发表高水平论文 80 余篇。长效注射剂的改良与创新：现状与未来 PPS 张汶彦 1, 2，胡鑫蕾 1, 2，刘莉莎 1, 2，杨磊 1, 2，尹莉芳 1, 2*（1. 中国药科大学药学院，江苏 南京 210009；2. 江苏省缓释智能制剂及关键功能性辅料开发与评价工程研究中心，江苏 南京210009） [ 摘要 ] 目前，药品研发领域日益多元化，改良型新药作为重要分支，在提升药物疗效、缩短研发周期及提升市场竞争力方面展现出显著优势。综述了长效注射剂在改良型新药研发领域的现状和发展趋势。文章系统探讨了长效注射剂的制剂开发策略，涵盖油基长效注射液、注射用混悬液、微球、脂质体及原位凝胶等多种剂型，旨在为长效注射剂的改良与创新提供科学依据和参考。1引言随着医药科技的不断发展，新药研发领域呈现多元化趋势。相较于探索全新靶点与结构的创新药，改良型新药能够依托已知研究数据，有效缩短临床研发周期，延长药物的生命周期，并激发新的市场竞争活力，正逐步成为医药企业研发的新热点 [1]。当下国家产业政策环境鼓励发展改良型新药，力争实现改良和创新并举。国内正处于从仿制药向创新药、改良型新药转型的过渡期。各类注射剂、缓控释固体口服制剂和口腔速溶膜剂等高端复杂制剂已成为国内改良型新药突破的热点方向 [2-3]。其中，长效注射剂（ long-acting injection， LAI）因其独特的临床优势和较高的研究壁垒，正逐渐成为企业改良型新药立项与研发的核心重点。LAI 是指可以在注射给药后较长或指定时间内实现药物持续或受控释放的药物递送系统。此类制剂通常采用皮下或肌肉注射等全身给药方式，也可用于关节内及眼内等局部区域，在单剂量给药后能够提供数周至数月的稳定治疗药物浓度，进而减少给药频次并提高患者依从性。因此， LAI 在慢性及重大疾病的治疗中颇具优势，已广泛用于激素类、精神类和戒毒类药物的制剂改良 [4]。随着制剂技术的迅速发展， LAI 经历了从油溶液到微球（microsphere）、脂质体（liposome）和原位凝胶的变化，体现了从无到有、从简至精的演变过程。例如，利培酮通过多次剂型优化，从普通片剂转化为微球 LAI、原位凝胶 LAI，既满足了临床需求，又延长了产品的生命周期，展现出巨大的市场价值，成为国际市场上改良型新药的典范。 LAI作为仿制药向改良型新药转型必须跨越的技术门槛，将成为我国制药行业构筑核心竞争力的战略工具，并为我国制药行业的国际化铺设了一条高效且富有前瞻性的加速通道。本文综述了 LAI 的制剂策略，旨在为 LAI 的深度开发提供参考与启示。2长效注射剂的研发策略 LAI 的设计旨在通过不同的制剂策略延长药物在体内的停留时间，从而实现持续的药物释放。这些策略包括但不限于油基 LAI、注射用混悬液、微球、脂质体以及原位凝胶。每种制剂策略都有其独特的药物释放机制（见图 1），能够满足不同的临床需求。以下将详细介绍这些 LAI 的制剂策略，分析其原理、制备方法以及在临床应用中的表现，并探讨各类 LAI 在药物递送中的应用前景和研发难点。2.1油基长效注射剂油基 LAI 是将药物溶解或分散在油性溶剂中得到的制剂。传统上用于治疗需要长期用药的慢性疾病，如精神分裂症等。油基 LAI 通常通过肌肉或皮下注射给药，并在注射部位形成药物贮库，将药物缓慢释放到周围血液中 [5]。其缓释机制主要依赖于油性载体在注射部位的缓慢分解和药物在油水之间的分配。油基 LAI 通常由亲脂性药物、油性载体和共溶剂组成。还可以使用助溶剂降低油系统的黏度，同时增加药物的溶解度，苯甲醇是最常用的共溶剂。此外，可将固体药物颗粒分散在油性载体中以提高载药量 [6]。油基 LAI 是最早使用的 LAI 剂型，目前已批准上市的油基 LAI 见表 1。目前，油基 LAI 的研发难点主要集中在：药物在油相中的溶解度和稳定性、注射部位的不适感和药物释放的调整。油相的合理选择对解决以上问题至关重要。黏度是选择油性载体的关键参数，直接影响制剂的扩散程度和可注射性。具体而言，高黏度油能更好地保持制剂注射后的形状，从而减少扩散并延长药物释放时间；而低黏度油则具有良好的可注射性，可以降低注射过程中的疼痛与不适感 [7]。通常情况下，黏度在 60 mPa·s 以下的牛顿流体油溶液的可注射性较好，上市的注射剂产品黏度一般在 29~60 mPa·s 范围内 [8]。除黏度外，药物在油和组织液之间的分配、注射部位、注射量以及注射部位的制剂形状等因素也会影响药物的整体药代动力学特征 [9]。尽管该系统具有良好的长期稳定性和快速简便的制备工艺与灭菌流程，但其缓释时间通常不超过4 周，且仅能用于递送亲脂性药物，还可能引起注射部位的不适感及不良反应。因此，在探索该缓释系统的潜力时，需充分考虑其特定的药物适应性及安全性问题。2.2 注射用混悬液 注射用混悬液是一种通过减小药物粒径增加表面积，以增加药物溶解度、实现长效递送的制剂。根据粒径大小，注射用混悬液可分为微米晶（ 0.5 ~15 μm）混悬液和纳米晶（ 100 ~ 600 nm）混悬液 [10]。对于同种药物，一般药物颗粒的粒径越大，其缓释作用越强。注射用混悬液通常包含活性药物成分（API）、分散介质和稳定剂三部分，此外，处方中还可加入渗透压调节剂、 pH调节剂等辅料以满足制剂安全性、有效性、稳定性、顺应性的需求。用于注射用混悬液的药物通常是水溶性差、亟需提升溶解度与生物利用度的药物，比如某些难溶性的抗癌药物、抗生素和激素类药物。稳定剂包括助悬剂和润湿剂，常使用表面活性剂和高分子聚合物，用于润湿药物，增加分散介质的黏度，减缓药物微粒的沉降，阻止药物微粒聚集结块。注射用混悬液给药后能够在注射部位沉积，随后药物缓慢溶解并吸收入血。在这一过程中，少量已溶解药物和较小粒径的药物颗粒能被快速吸收而发挥药效，较大粒径的药物颗粒渐进性溶解成较小颗粒，持续不断地被吸收入血。不同粒径的药物协同作用，确保了药物在体内的长期稳定释放。目前已有多种注射用混悬液产品上市（见表 2）。相较于其他 LAI，注射用混悬液因辅料体系简单、工业生产便捷而受到科研界与产业界的广泛关注。然而，注射用混悬剂普遍存在药物释放周期较短、制剂体系稳定性较差等问题。当前针对注射用混悬液的研究主要集中于三大核心领域：一是优化药物释放性能；二是提高制剂体系的稳定性；三是粒度控制。粒度是关键质量属性，精确控制粒径分布范围对于优化药物释放和提高稳定性均有重要作用。增加药物的亲脂性、改变粒径和浓度可以延长药物释放时间。 Kenalog® 的活性成分曲安奈德是曲安西龙的亲脂性衍生物，其低水溶性使得曲安奈德混悬液在体内的作用时间更长 [11]。上市产品中，Invega Sustenna® 和 Invega Trinza® 通过调整粒径和浓度实现了不同缓释时间。注射用混悬液中颗粒有时会发生奥斯特瓦尔德熟化，导致重结晶和沉淀，影响注射和释放行为。使用稳定剂可以防止纳米晶体的聚集和重结晶，保持其粒径尺寸和分散性 [12]。2.3 微球微球是将固体或液体药物分散或溶解在聚合物材料中形成的微小球形颗粒，大多由生物可降解聚合物制成，可以在体内逐渐降解，最终被代谢排出体外 [13]。微球的尺寸通常在 10 ~ 250 μm 范围内（理想情况下为 10 ~ 125 μm），以便通过传统注射器针头注射，并减少巨噬细胞的吞噬作用和局部组织炎症 [14]。微球的释药机制主要包括扩散、溶解以及聚合物的侵蚀和降解 [15-16]。具体来说，药物释放途径包括表面释放、孔隙释放、聚合物屏障扩散、水溶胀屏障扩散，以及聚合物的侵蚀和降解 5种 [17]。一般而言，基于聚乳酸-羟基乙酸共聚物（ PLGA）的微球药物表现出 3 个释放阶段：突释、缓释和二次突释 [18]。近年来，已有多种微球制剂成功上市或申报新药审批，目前已批准上市的长效注射微球如表 3 所示。目前，关于微球的研究主要集中在制备技术、处方优化、新型材料和药物释放调控等方面。经典的微球制备方法工业化生产难度大、成本高， Nutropin®和Plenaxis®皆因生产成本问题退出市场 [19]。近年来，微流控技术、超临界流体技术等新型制备方法相继出现，研究者们不断研发与优化各类新型技术，以期实现微球制备过程的高精度控制、高效率生产和多功能化集成 [20-21]。在处方优化方面，选用不同种类和比例的辅料，可以显著提高微球的药物稳定性和生物利用度。Park 等 [22] 研究了不同添加剂 [ 碳水化合物、蔗糖、氨基酸、表面活性剂、泊洛沙姆 188、磷脂和二肉豆蔻酰磷脂酰胆碱（ DMPC）等 ] 对 W/O/W- 溶剂蒸发法制备的多肽微球稳定性的影响。结果表明，不同的稳定剂可以从水溶液、水/二氯甲烷界面、PLGA 表面和冻融冻干过程等不同方面调节多肽微球的稳定性。除 PLGA 之外，研究人员开发了其他具有相似生物相容性和药物释放控制能力的聚合物，如聚 [1， 3-双（对羧基苯氧基）丙烷-癸二酸 ]（PCPP-SA）、透明质酸（ HA）、三（乙二醇） -聚（邻酯） （ TEG-POE）等，这些材料可用于装载与 PLGA 不相容的药物 [5]。2.4 脂质体脂质体是基于胆固醇和天然磷脂的球形囊泡，能包裹药物并实现长效释放和定向递送。根据粒径和脂质双层膜数量，脂质体主要可分为单室脂质体（ ULV）、多层脂质体（ MLV）和多囊脂质体（MVL）等。脂质体中药物的缓释效果取决于脂质体的大小、结构、表面电荷和脂质组成。注射后，制剂在给药部位形成贮库或在循环系统中稳定存在，实现药物持续释放。Doxil® 是首个获美国 FDA 批准的注射用脂质体，运用 Stealth 技术实现长循环并缓释盐酸阿霉素 [23]。而 MVL 基于其多隔室结构，为实现更长的药物缓释时间提供了一种有效策略。 DepoFoam® 技术 是 由 Pacira 公 司 开 发 的 MVL 技 术。 MVL 由 数百个非同心、多面体的水室组成，每个室由连续的脂质膜网络隔开 [24]，可通过鞘内、皮下等多途径注射给药，并在给药部位形成贮库，通过最外层囊泡的逐渐降解实现持续药物释放。在囊泡重排过程中， MVL 的结构保持不变 [25]。目前已有 3 个基于DepoFoam® 技术的药品获得 FDA 批准上市。目前已批准上市的长效脂质体注射剂见表 4。目前长效脂质体注射剂仍面临药物装载效率、稳定性、工业化生产和药物释放控制等方面的多重挑战。优化生产方法和工艺步骤，并保证脂质体的均匀性和药物装载效率，是当前研究的重点。 Costa等 [26] 基于乙醇注入法，结合连续混合、流动和过程分析技术（ PAT），通过将溶有脂质的有机溶剂与水溶液分别以特定流速注入混合器形成脂质体，显著提高了脂质体的生产效率和质量一致性，同时证明该方法适用于大规模生产。 Yanar 等 [27] 基于微流控技术，使用毫米级流动反应器在连续流动条件下生产脂质体，并证明优化流体条件可以提高脂质体的尺寸均匀性和分散性，从而提升药物递送的效果。由于脂质体的内部空间受限，保证药物稳定性的同时提高装载效率是另一个难题。通过调整脂质成分和工艺条件，可显著提高药物装载效率和稳定性。 Pereira 等 [28] 研究了不同脂质组成对脂质体包封效率的影响。结果表明，使用流动性较高的不饱和脂质制备的脂质体具有最高的包封效率，而使用刚性饱和脂质制备的脂质体包封效率较低。2.5 原位凝胶原位凝胶是一种能在注射部位自发形成凝胶状药物贮库的可生物降解聚合物基液体或可注射半固体制剂。相较于嵌入体内指定部位的植入物系统，原位凝胶因其生物相容性好、患者依从性高和易于产业化而被青睐。原位凝胶通常由 API、溶剂和能形成贮库的基质材料制成。常用的溶剂包括 N- 甲基吡咯烷酮（ NMP）、二甲基亚砜（ DMSO）和苯甲醇等有机溶剂，基质材料通常为水不溶的生物可降解材料，如 PLGA、 PLA、聚己内酯（PCL）、乙酸异丁酸蔗糖酯（ SAIB）和聚原酸酯（ POE）等。根据制剂组成，原位凝胶可以通过沉淀（由溶剂交换、温度或 pH 诱导所致）、有机凝胶化（涉及溶致液晶形成）或单体 / 聚合物链的交联（由光照射、离子或酶等触发）形成原位贮库。其中，溶剂交换诱导的原位沉淀是目前研究最广、上市品种最多的原位凝胶形成方式。该方法通过将药物溶解或分散在溶有基质材料的有机溶剂中形成制剂。注射后，制剂与周围环境发生溶剂交换，使基质材料沉淀并形成固体或半固体贮库，实现药物缓慢释放 [29]。目前已上市的原位凝胶产品主要依托于以下几项技术：基于 PLGA 和 PLA 的 Atrigel® 技术、基于POE 的 BiochronomerTM 技术、基于 SAIB 的 Saber®技术、基于溶致液晶系统的 FluidCrystal® 技术，以及基于 PEG-PLA 嵌段共聚物的 BEPO® 技术。其中，由 Camurus 公司开发的 FluidCrystal® 是由一定浓度的两亲性分子与适宜溶剂混合形成的低黏度液晶前体，注射后与体液接触发生相变而形成高黏度的以凝胶形态存在的半固体液晶结构——溶致液晶凝胶 [30]。基于该技术的药物 Brixadi® 已被 FDA 和欧盟批准上市。目前已获批准上市的原位凝胶注射剂见表 5。与其他 LAI 相比，原位凝胶的制造过程简单可控，更适合工业化生产。但其开发中仍面临药物突释风险、制剂安全性和贮库形成控制等问题。原位凝胶的释放曲线通常是双相的，包括突释和缓慢释放阶段。突释阶段通常被认为是凝胶贮库形成前药物扩散引起的。影响突释的因素包括基质材料的性质、基质材料和溶剂与药物的相互作用以及药物本身的水溶性与晶型等 [31]。缓慢释放阶段则通过固化或半固化的基质材料释放药物，是药物扩散和基质材料降解作用的结合。 Cao 等 [32] 探索了不同溶剂对溶剂交换原位贮库系统释药速率的影响。结果显示，不同溶剂对突释有显著影响， DMSO （ 24.21%） ＜乙醇（ 36.85%） ＜ NMP（ 42.23%）。这种差异主要归因于药物在不同溶剂中的溶解度和溶剂的扩散速率不同。此外，注射后体内贮库的形态也显著影响药物的释放行为。3长效注射剂发展面临的挑战 3.1 高技术壁垒与市场垄断 LAI 的研发涉及复杂的制剂技术，包括药物与辅料选择、载体设计、工艺优化和质量控制。目前制剂关键技术多被国外企业所掌握，一些跨国制药公司拥有多项 LAI 核心专利，通过专利保护和品牌优势形成市场垄断，影响药物价格并抑制创新，导致新药物和新技术的推出速度减缓，从而限制了国内药企在这一领域的技术进步 [9]。此外， LAI 的生产需要特殊的设施和设备，如无菌生产环境和高级的药物释放检测仪器，增加了小型企业的研发投入成本。功能性辅料的垄断现状进一步加大了 LAI 开发成本和难度，以常用辅料 PLGA 为例，其市场主要由国外供应商如 Evonik 和 Corbion 等占据。这种垄断导致国内企业面临高昂的价格问题和供应链中断的风险。因此，实现辅料供应链的自主可控，开发高质量国产药用辅料，对于提升国内 LAI 的研发能力至关重要。3.2 体外释放方法的复杂性和局限性随着 LAI 制剂形式的多样化，不同的给药途径（如肌肉注射、皮下注射）以及制剂参数（如粒径、表面特性、聚合物降解速率等）都可能会影响药物在体内的释放方式和速率。因此，体外释放方法应根据具体的制剂特性和给药方式进行个性化调整，以确保释放模式的准确性和临床相关性。各国药典和相关指导原则尚未提供广泛适用的标准化评价方法。目前，较多使用的体外释放方法包括桨法和流通池法等 [33]，这些方法虽然适用于特定类型的LAI，但仍存在局限性 [34]。例如，桨法虽然易于操作，但难以有效模拟注射剂在体内复杂环境中的释放行为；而流通池法在一定程度上模拟了体内条件，但在长期研究中可能出现设备组件故障。监管机构批准的其他非药典释放方法如透析袋法、转瓶法、摇床法等受设备参数调整影响大，设备参数偏差可能掩盖药物释放行为的真实差异。理想的体外释放方法应具有良好的区分力和重复性，并与体内释放行为相关 [35]。因此，针对不同制剂形式的特性，开发出能够精确控制和重复模拟LAI 体内贮库形状的释放方法，将有助于提高 LAI的研发效率和临床应用效果。3.3 体内外相关性缺乏LAI 体内外相关性（ IVIVC）的建立在其研发中具有重要意义。基于 LAI 注射后体内行为的复杂性，目前缺乏通过体外释放预测体内过程的可靠模型，需要通过大量动物实验来探索体内释药机制 [35]。这不仅增加了研发难度，也对动物福利提出了挑战。建立合适的体外释放方法，构建可靠的 IVIVC 预测模型，也是 LAI 领域亟待解决的问题之一。近年来，针对 LAI 的 IVIVC 研究已有一定进展。许多新型模型和方法的开发为 IVIVC 的建立提供了新的方向 [36-41]。例如， Bibi 等 [38] 通过生理药代动力学（ PBPK）模型预测了人体内的药物行为，为后续研究提供了新思路。 Gan 等 [39] 利用基于生理的纳米载体生物药剂学模型预测了阿霉素脂质体的临床表现，展示了新模型在提高 IVIVC 方面的巨大潜力。 Malavia 等 [40] 开发了一种新型样品保持适配器，通过模拟 LAI 注射后在体内形成的药物贮库结构，显著提高了体外试验的临床相关性和可重复性。 FDA 也在积极探索这些建模与模拟方法，以支持 LAI 的临床开发和监管决策 [42]。整体来看， IVIVC 在 LAI 药物研发中的指导作用日益增强，未来在药物开发和监管过程中将扮演更加关键的角色。4结语与展望 通过技术创新和工艺优化， LAI 在提升药物稳定性、减少给药频次等方面已取得了显著成效，极大地改善了患者的治疗体验和生活质量，为改良型新药的研发提供了新方向。然而， LAI 的发展也面临着诸多挑战，如工业生产的复杂性、体内外相关性的验证难度大以及研发成本高昂等。因此，需要更加注重跨学科合作，将基础研究、产品开发、工艺优化和临床研究等多领域资源紧密结合，形成协同创新机制，加速 LAI 的研发进程和成果转化。未来，政府的政策引导、资金投入和监管指导将为LAI 的研发提供坚实保障；新型辅料的不断涌现、制造工艺的持续创新、智能化药物递送系统的研发及个性化医疗的深化，也会为 LAI 的改良提供更多可能性。参考文献 ： [1]     Nkanga C I, Fisch A, Rad-Malekshahi M, et al. 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