北理工团队制备全活性纳米药物，单次给药单次光照即可高效抑瘤，正携手业界推动新药落地

来源：生辉 2023-06-13 10:06

近日，北京理工大学张金凤研究员和团队

近日，北京理工大学张金凤研究员和团队提出一种名为全活性纳米药物（Full-API Nanodrug, FAND）的概念，借此构建出一款全活性纳米药物（AFeC FANDs）。

该药物是一种可用于癌症治疗的新型纳米药物，它基于美国食品药品监督管理局（FDA，Food and Drug Administration）批准的光敏剂前药氨基酮戊酸（ALA，Aminolevulinic acid）、以及人体必需元素 Fe3+ 和天然生物活性分子姜黄素（Cur）组装而来。

▲图 | 张金凤（来源：张金凤）

作为一种创新型药物制剂，这款药物不仅具备高达 100wt% 的活性药物成分含量（Active pharmaceutical ingredient, API）、以及出色的 pH 响应性释放能力，还能通过多步内源性串联生物合成，在单次给药的情况下实现高效的肿瘤连续时空诊疗。

对于利用一系列内源性代谢物协同抑瘤来说，这项工作提供了第一个范例。同时，这种基于 FDA 批准的药物、以及人体必需元素所构建的全活性纳米药物 FAND，还具有制造成本低、毒副作用小、制备方法简便等特点，对于促进纳米药物的实际转化具有重要意义。

具体来说，全活性纳米药物 FAND 可以实现药物在肿瘤部位智能可控释放，仅通过单次给药、以及单次激光治疗即可有效抑制肿瘤，并且能适用于不同药物分子和不同疾病模型。

（来源：Nature Communications）

此外，全活性纳米药物 FAND 不仅能通过活性组分筛选，构建基于小分子化疗药物、以及生物大分子多肽/蛋白/核酸药物的自组装 FAND，还可用于恶性肿瘤、心脑血管疾病及神经退行性疾病等疾病的早期诊断和精准治疗。

张金凤表示：“我们力争突破传统纳米药物活性成分含量低、毒副作用大、制备工艺复杂、成本高的限制，同时本项工作涉及的活性成分都是临床批准或人体必须的元素，可大大缩短其临床前安全性评估和成本。”

实际上，国家药监局发布的 2020 年第 44 号通告《关于发布化学药品注册分类及申报资料要求的通告》，对化学药注册的做了详细描述及分类。

其中，化学药品 2 类是指境内外均未上市的改良型新药，即指在已知活性成份的基础上，对其结构、剂型、处方工艺、给药途径、适应症等进行优化，且具有明显临床优势的药品。

同年 12 月，国家药监局发布的《化学药品改良型新药临床试验技术指导原则》对于改良型新药的临床优势的描述是：“临床优势即患者未被满足的临床需求。在目标适应症中，对比已有的标准治疗，新药或新的治疗手段可显著提高疗效；或在不降低疗效的同时，显著降低当前用药患者的不良反应或用药的相关风险，或显著提高患者用药依从性。”

所以，临床优势——是改良型新药必须具备的特点，它主要是指“有效性、安全性、依从性”。

“而我们提出的全活性纳米药物 FAND 体系：因其 API 含量较高，故在疾病治疗上具备有效性；因其无载体且均为已知活性成份，故其具备良好的用药安全性；因其给药次数少，故其具备改善的患者依从性。综上，我们相信该体系在药物制剂市场将会大有可为。”

日前，相关论文以《全 API 纳米药物（FAND）通过多步串联内源性生物合成实现肿瘤连续时空治疗》（Continuous Spatiotemporal Therapy of A Full-API Nanodrug via Multi-Step Tandem Endogenous Biosynthesis）为题发在 Nature Communications 上，方芳是第一作者，张金凤担任通讯作者 [1]。

▲图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

传统纳米药物递送系统，依旧存在若干不足

据了解，面对癌症等重大疾病发生率及致死率居高不下的现状，医药原始创新成为国家重大战略需求。

新药研发涉及多个环节，除了新机制、新靶点和新药物分子的发现，药物递送贯穿以上各个环节，故其不仅属于医药领域学科前沿，也是世界各大制药公司的竞争热点。

近几十年来，随着纳米科学与技术的飞速发展，将活性药物成分以及药物载体比如脂质体和聚合物等，通过物理或化学的方式结合，以形成具有纳米尺度的药物制剂，可以极大提高难溶性小分子药物、难入胞蛋白药物、以及易降解核酸药物的成药性。

与分子态药物相比，纳米药物递送系统具有载体比表面积大、尺寸小、表面可修饰等特性，这让它可以延长体内循环时间、增加生物利用度和药物稳定性、以及实现药物在特定器官或组织的富集，进而提高治疗效果、降低毒副作用和治疗成本。

因此，作为创新型药物制剂的重要形式，纳米药物递送系统不仅为生物医药的发展提供了前所未有的机遇，也改变了癌症等重大疾病的治疗格局，在疾病诊断、药物和基因递送及疫苗研发等领域具有广阔的前景。

迄今为止，已有多种纳米药物获得临床批准。例如，1995 年 FDA 批准的第一款抗癌纳米药物 Doxil®，是一种聚乙二醇化盐酸阿霉素脂质体纳米颗粒，可用于治疗成人癌症包括卵巢癌、多发性骨髓瘤和卡拉西氏肉瘤，可以延长药物半衰期以及降低心脏毒性。

2005 年，作为全球唯一一款上市的白蛋白结合型紫杉醇纳米粒 Abraxane® 登陆美国市场，它被获批用于多种适应症包括转移性乳腺癌二线治疗、非小细胞肺癌一线治疗、以及晚期胰腺癌一线治疗。

整体来讲，相比分子态紫杉醇注射液 Taxol®，Abraxane® 的进步主要体现在两方面：一是顺应性及不良反应的改善；二是有效性及适应症的拓展。

2018 年，由美国 Alnylam 制药公司开发的全球首款小干扰核酸药物 siRNA 纳米脂质体 Onpattro® 获 FDA 批准，其通过干扰异常形式转甲状腺素蛋白（TTR，transthyretin）的 RNA 产生，来治疗遗传性转甲状腺素蛋白淀粉样变性引起的周围神经疾病成人患者。该药是 FDA 批准的首款采用 RNAi 疗法的药物，同时也是唯一一款获批用于周围神经疾病的治疗药物。

近几年，在应对新冠肺炎的鏖战之中，Moderna 和 Pfizer-BioNTech 生产的两款基于脂质纳米颗粒的 mRNA 疫苗，发挥了重要作用并引发极大关注。

新冠纳米疫苗的成功应用，进一步证明纳米药物递送系统的社会经济效益。预计到 2025 年全球纳米医药市场规模将超 3000 亿美元，并将保持 10% 的增速稳定增长。

尽管纳米药物前景广阔，但是要想实现大规模生产应用，基于载体的传统纳米药物递送系统，仍然存在诸多“瓶颈”问题：

其一，大部分载体本身是惰性的，其活性药物成分含量也就是载药量往往小于 10 wt%；

其二，已批准可被用于临床的载体材料种类非常有限，对于惰性载体的潜在降解性、长期系统毒性和免疫原性，也依旧需要深入研究；

其三，在载体制备过程中，涉及到复杂的工艺、以及多项化学处理步骤，不仅有带来副产物的风险，且不利于放大级联生产。

以上挑战极大限制了传统惰性载体型纳米药物递送系统的产业化进程和临床转化。看到这些问题之后，张金凤开展了本次研究。

（来源：Nature Communications）

一对师生的两次“第一个”

本次论文由张金凤招收的第一个博士生方芳主要负责，这也是方芳在读博期间的第一个课题。

张金凤说：“实际上，我们此次提出的全活性纳米药物全新概念并不是临时起意，而是经历了一个不断拓展和完善的阶段，期间历经纳米药物递送系统从‘无载体’到‘自递送’再到‘全活性’等过程。”

如前所述，基于载体的传统纳米药物递送系统，在实际应用中面临诸多挑战。而作为国际上最早一批开始关注无载体纳米药物（Carrier-free nanodrug）的科研团队之一，张金凤此前构建了多种无载体纳米药物递送体系。

在药物递送中，很多活性药物分子不仅发挥着疾病治疗的作用，同时也承担着自载体的功能，因此将纳米药物递送与自组装技术相结合，可以在不借助其他纳米载体的情况下，实现细胞或活体内药物分子的自发递送。在这种情况下，作为一种安全高效的药物制剂新范例，自递送纳米药物被科学家们正式提出。

基于以上两种体系，该团队开展了大量探索性的工作 [2]。尽管极具前景，但是无载体或自递送纳米药物依然存在一定局限性。

首先，传统自组装方式制备的无载体或自递送纳米药物，主要通过疏水作用、氢键、π-π 堆积、静电作用和范德华力等非共价键的弱作用力自组装形成。加上缺乏载体的保护，导致所制备的纳米药物在血液循环中，存在稳定性较差、以及容易提前泄漏等缺点，这不仅会导致肿瘤局部药物积累量的降低，还会造成化疗药物对正常细胞进行非选择性杀伤，从而引起药物毒副作用；

其次，由于缺乏载体的存在，无载体或自递送纳米药物的进一步功能化受到限制。

因此，如何通过最简化的活性组分组装，实现纳米药物递送系统的智能化、多功能化及诊疗一体化，是一个值得思考的问题。

而张金凤课题组此次提出全活性纳米药物（Full-API nanodrug, FAND）概念，不仅含有无载体或自递送纳米递药系统，同时也囊括基于治疗性载体的纳米制剂，以及新兴的具备本征生物治疗活性的细胞、病毒、细菌等来源的仿生载体递药系统，从而极大拓展了高效低毒型纳米药物制剂的范畴和构建思路。

（来源：Nature Communications）

已和多家医药公司建立战略合作

另据悉，大部分前药发挥效应都是在体内经过酶或化学作用，释放出可以达到预期药理活性的特定单一药物分子。

但是，在该团队所构建的 AFeC FANDs 体系中，内吞释放的 ALA 通过 PpIX-Heme-CO/Fe2+/BV-BR 的代谢途径，再经过一系列的生化反应，能以内源性生物合成的方式，生成多种具备抗肿瘤活性的下游产物，它们分别是 PpIX、CO、Fe2+、BV、BR。

其中，PpIX 可用于荧光成像和光动力治疗；CO 可用于气体治疗，并能协同 PpIX 诱导线粒体氧化损伤；Fe2+ 能和释放的 Fe3+ 协同增强铁死亡，借此造成细胞膜裂解；BV 不仅可以作为原位光热剂，还能被还原为抗肿瘤药物 BR，从而进一步与 Cur 协同，借此引起胞浆内的化疗-热损伤，进而触发自噬介导的细胞死亡。

从时间角度和空间角度来看，此次制备的 AFeC FANDs 可以造成肿瘤细胞的连续多重损伤，不仅能有效杀伤 A549 人肺癌细胞，同时在荷瘤小鼠层面，仅通过单次给药（10mg/kg）、以及单次激光照射，即可实现显著的肿瘤抑制效果。

以上结果说明，相比传统的“前药-单一活性成分生成策略”，此次提出的“前药-多重活性代谢产物策略”，将为前药设计和创新药物研发提供新的思路。