近日，北京理工大學(xué)張金鳳研究員和團隊提出一種名為全活性納米藥物（Full-API Nanodrug, FAND）的概念，借此構(gòu)建出一款全活性納米藥物（AFeC FANDs）。

該藥物是一種可用于癌癥治療的新型納米藥物，它基于美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA，F(xiàn)ood and Drug Administration）批準的光敏劑前藥氨基酮戊酸（ALA，Aminolevulinic acid）、以及人體必需元素 Fe3 和天然生物活性分子姜黃素（Cur）組裝而來。

圖 | 張金鳳（來源：張金鳳）

作為一種創(chuàng)新型藥物制劑，這款藥物不僅具備高達 100wt% 的活性藥物成分含量（Active pHarmaceutical ingredient, API）、以及出色的 pH 響應(yīng)性釋放能力，還能通過多步內(nèi)源性串聯(lián)生物合成，在單次給藥的情況下實現(xiàn)高效的腫瘤連續(xù)時空診療。

對于利用一系列內(nèi)源性代謝物協(xié)同抑瘤來說，這項工作提供了第一個范例。同時，這種基于 FDA 批準的藥物、以及人體必需元素所構(gòu)建的全活性納米藥物 FAND，還具有制造成本低、毒副作用小、制備方法簡便等特點，對于促進納米藥物的實際轉(zhuǎn)化具有重要意義。

具體來說，全活性納米藥物 FAND 可以實現(xiàn)藥物在腫瘤部位智能可控釋放，僅通過單次給藥、以及單次激光治療即可有效抑制腫瘤，并且能適用于不同藥物分子和不同疾病模型。

（來源：Nature Communications）

此外，全活性納米藥物 FAND 不僅能通過活性組分篩選，構(gòu)建基于小分子化療藥物、以及生物大分子多肽/蛋白/核酸藥物的自組裝 FAND，還可用于惡性腫瘤、心腦血管疾病及神經(jīng)退行性疾病等疾病的早期診斷和精準治療。

張金鳳表示：“我們力爭突破傳統(tǒng)納米藥物活性成分含量低、毒副作用大、制備工藝復(fù)雜、成本高的限制，同時本項工作涉及的活性成分都是臨床批準或人體必須的元素，可大大縮短其臨床前安全性評估和成本。”

實際上，國家藥監(jiān)局發(fā)布的 2020 年第 44 號通告《關(guān)于發(fā)布化學(xué)藥品注冊分類及申報資料要求的通告》，對化學(xué)藥注冊的做了詳細描述及分類。

其中，化學(xué)藥品 2 類是指境內(nèi)外均未上市的改良型新藥，即指在已知活性成份的基礎(chǔ)上，對其結(jié)構(gòu)、劑型、處方工藝、給藥途徑、適應(yīng)癥等進行優(yōu)化，且具有明顯臨床優(yōu)勢的藥品。

同年 12 月，國家藥監(jiān)局發(fā)布的《化學(xué)藥品改良型新藥臨床試驗技術(shù)指導(dǎo)原則》對于改良型新藥的臨床優(yōu)勢的描述是：“臨床優(yōu)勢即患者未被滿足的臨床需求。在目標適應(yīng)癥中，對比已有的標準治療，新藥或新的治療手段可顯著提高療效；或在不降低療效的同時，顯著降低當前用藥患者的不良反應(yīng)或用藥的相關(guān)風(fēng)險，或顯著提高患者用藥依從性。”

所以，臨床優(yōu)勢——是改良型新藥必須具備的特點，它主要是指“有效性、安全性、依從性”。

“而我們提出的全活性納米藥物 FAND 體系：因其 API 含量較高，故在疾病治療上具備有效性；因其無載體且均為已知活性成份，故其具備良好的用藥安全性；因其給藥次數(shù)少，故其具備改善的患者依從性。綜上，我們相信該體系在藥物制劑市場將會大有可為?！?/span>

日前，相關(guān)論文以《全 API 納米藥物（FAND）通過多步串聯(lián)內(nèi)源性生物合成實現(xiàn)腫瘤連續(xù)時空治療》（Continuous Spatiotemporal Therapy of A Full-API Nanodrug via Multi-Step Tandem Endogenous Biosynthesis）為題發(fā)在 Nature Communications 上，方芳是第一作者，張金鳳擔(dān)任通訊作者 [1]。

圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Communications）

傳統(tǒng)納米藥物遞送系統(tǒng)，依舊存在若干不足

據(jù)了解，面對癌癥等重大疾病發(fā)生率及致死率居高不下的現(xiàn)狀，醫(yī)藥原始創(chuàng)新成為國家重大戰(zhàn)略需求。

新藥研發(fā)涉及多個環(huán)節(jié)，除了新機制、新靶點和新藥物分子的發(fā)現(xiàn)，藥物遞送貫穿以上各個環(huán)節(jié)，故其不僅屬于醫(yī)藥領(lǐng)域?qū)W科前沿，也是世界各大制藥公司的競爭熱點。

近幾十年來，隨著納米科學(xué)與技術(shù)的飛速發(fā)展，將活性藥物成分以及藥物載體比如脂質(zhì)體和聚合物等，通過物理或化學(xué)的方式結(jié)合，以形成具有納米尺度的藥物制劑，可以極大提高難溶性小分子藥物、難入胞蛋白藥物、以及易降解核酸藥物的成藥性。

與分子態(tài)藥物相比，納米藥物遞送系統(tǒng)具有載體比表面積大、尺寸小、表面可修飾等特性，這讓它可以延長體內(nèi)循環(huán)時間、增加生物利用度和藥物穩(wěn)定性、以及實現(xiàn)藥物在特定器官或組織的富集，進而提高治療效果、降低毒副作用和治療成本。

因此，作為創(chuàng)新型藥物制劑的重要形式，納米藥物遞送系統(tǒng)不僅為生物醫(yī)藥的發(fā)展提供了前所未有的機遇，也改變了癌癥等重大疾病的治療格局，在疾病診斷、藥物和基因遞送及疫苗研發(fā)等領(lǐng)域具有廣闊的前景。

迄今為止，已有多種納米藥物獲得臨床批準。例如，1995 年 FDA 批準的第一款抗癌納米藥物 Doxil?，是一種聚乙二醇化鹽酸阿霉素脂質(zhì)體納米顆粒，可用于治療成人癌癥包括卵巢癌、多發(fā)性骨髓瘤和卡拉西氏肉瘤，可以延長藥物半衰期以及降低心臟毒性。

2005 年，作為全球唯一一款上市的白蛋白結(jié)合型紫杉醇納米粒 Abraxane? 登陸美國市場，它被獲批用于多種適應(yīng)癥包括轉(zhuǎn)移性乳腺癌二線治療、非小細胞肺癌一線治療、以及晚期胰腺癌一線治療。

整體來講，相比分子態(tài)紫杉醇注射液 Taxol?，Abraxane? 的進步主要體現(xiàn)在兩方面：一是順應(yīng)性及不良反應(yīng)的改善；二是有效性及適應(yīng)癥的拓展。

2018 年，由美國 Alnylam 制藥公司開發(fā)的全球首款小干擾核酸藥物 siRNA 納米脂質(zhì)體 Onpattro? 獲 FDA 批準，其通過干擾異常形式轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白（TTR，transthyretin）的 RNA 產(chǎn)生，來治療遺傳性轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白淀粉樣變性引起的周圍神經(jīng)疾病成人患者。該藥是 FDA 批準的首款采用 RNAi 療法的藥物，同時也是唯一一款獲批用于周圍神經(jīng)疾病的治療藥物。

近幾年，在應(yīng)對新冠肺炎的鏖戰(zhàn)之中，Moderna 和 Pfizer–BioNTech 生產(chǎn)的兩款基于脂質(zhì)納米顆粒的 mRNA 疫苗，發(fā)揮了重要作用并引發(fā)極大關(guān)注。

新冠納米疫苗的成功應(yīng)用，進一步證明納米藥物遞送系統(tǒng)的社會經(jīng)濟效益。預(yù)計到 2025 年全球納米醫(yī)藥市場規(guī)模將超 3000 億美元，并將保持 10% 的增速穩(wěn)定增長。

盡管納米藥物前景廣闊，但是要想實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用，基于載體的傳統(tǒng)納米藥物遞送系統(tǒng)，仍然存在諸多“瓶頸”問題：

其一，大部分載體本身是惰性的，其活性藥物成分含量也就是載藥量往往小于 10 wt%；

其二，已批準可被用于臨床的載體材料種類非常有限，對于惰性載體的潛在降解性、長期系統(tǒng)毒性和免疫原性，也依舊需要深入研究；

其三，在載體制備過程中，涉及到復(fù)雜的工藝、以及多項化學(xué)處理步驟，不僅有帶來副產(chǎn)物的風(fēng)險，且不利于放大級聯(lián)生產(chǎn)。

以上挑戰(zhàn)極大限制了傳統(tǒng)惰性載體型納米藥物遞送系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化進程和臨床轉(zhuǎn)化?？吹竭@些問題之后，張金鳳開展了本次研究。

（來源：Nature Communications）

一對師生的兩次“第一個”

本次論文由張金鳳招收的第一個博士生方芳主要負責(zé)，這也是方芳在讀博期間的第一個課題。

張金鳳說：“實際上，我們此次提出的全活性納米藥物全新概念并不是臨時起意，而是經(jīng)歷了一個不斷拓展和完善的階段，期間歷經(jīng)納米藥物遞送系統(tǒng)從‘無載體’到‘自遞送’再到‘全活性’等過程?！?/span>

如前所述，基于載體的傳統(tǒng)納米藥物遞送系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中面臨諸多挑戰(zhàn)。而作為國際上最早一批開始關(guān)注無載體納米藥物（Carrier-free nanodrug）的科研團隊之一，張金鳳此前構(gòu)建了多種無載體納米藥物遞送體系。

在藥物遞送中，很多活性藥物分子不僅發(fā)揮著疾病治療的作用，同時也承擔(dān)著自載體的功能，因此將納米藥物遞送與自組裝技術(shù)相結(jié)合，可以在不借助其他納米載體的情況下，實現(xiàn)細胞或活體內(nèi)藥物分子的自發(fā)遞送。在這種情況下，作為一種安全高效的藥物制劑新范例，自遞送納米藥物被科學(xué)家們正式提出。

基于以上兩種體系，該團隊開展了大量探索性的工作 [2]。盡管極具前景，但是無載體或自遞送納米藥物依然存在一定局限性。

首先，傳統(tǒng)自組裝方式制備的無載體或自遞送納米藥物，主要通過疏水作用、氫鍵、π-π堆積、靜電作用和范德華力等非共價鍵的弱作用力自組裝形成。加上缺乏載體的保護，導(dǎo)致所制備的納米藥物在血液循環(huán)中，存在穩(wěn)定性較差、以及容易提前泄漏等缺點，這不僅會導(dǎo)致腫瘤局部藥物積累量的降低，還會造成化療藥物對正常細胞進行非選擇性殺傷，從而引起藥物毒副作用；

其次，由于缺乏載體的存在，無載體或自遞送納米藥物的進一步功能化受到限制。

因此，如何通過最簡化的活性組分組裝，實現(xiàn)納米藥物遞送系統(tǒng)的智能化、多功能化及診療一體化，是一個值得思考的問題。

而張金鳳課題組此次提出全活性納米藥物（Full-API nanodrug, FAND）概念，不僅含有無載體或自遞送納米遞藥系統(tǒng)，同時也囊括基于治療性載體的納米制劑，以及新興的具備本征生物治療活性的細胞、病毒、細菌等來源的仿生載體遞藥系統(tǒng)，從而極大拓展了高效低毒型納米藥物制劑的范疇和構(gòu)建思路。

（來源：Nature Communications）

已和多家醫(yī)藥公司建立戰(zhàn)略合作

另據(jù)悉，大部分前藥發(fā)揮效應(yīng)都是在體內(nèi)經(jīng)過酶或化學(xué)作用，釋放出可以達到預(yù)期藥理活性的特定單一藥物分子。

但是，在該團隊所構(gòu)建的 AFeC FANDs 體系中，內(nèi)吞釋放的 ALA 通過 PpIX-Heme-CO/Fe2 /BV-BR 的代謝途徑，再經(jīng)過一系列的生化反應(yīng)，能以內(nèi)源性生物合成的方式，生成多種具備抗腫瘤活性的下游產(chǎn)物，它們分別是 PpIX、CO、Fe2 、BV、BR。

其中，PpIX 可用于熒光成像和光動力治療；CO 可用于氣體治療，并能協(xié)同 PpIX 誘導(dǎo)線粒體氧化損傷；Fe2 能和釋放的 Fe3 協(xié)同增強鐵死亡，借此造成細胞膜裂解；BV 不僅可以作為原位光熱劑，還能被還原為抗腫瘤藥物 BR，從而進一步與 Cur 協(xié)同，借此引起胞漿內(nèi)的化療-熱損傷，進而觸發(fā)自噬介導(dǎo)的細胞死亡。

從時間角度和空間角度來看，此次制備的 AFeC FANDs 可以造成腫瘤細胞的連續(xù)多重損傷，不僅能有效殺傷 A549 人肺癌細胞，同時在荷瘤小鼠層面，僅通過單次給藥（10mg/kg）、以及單次激光照射，即可實現(xiàn)顯著的腫瘤抑制效果。

以上結(jié)果說明，相比傳統(tǒng)的“前藥-單一活性成分生成策略”，此次提出的“前藥-多重活性代謝產(chǎn)物策略”，將為前藥設(shè)計和創(chuàng)新藥物研發(fā)提供新的思路。

（來源：Nature Communications）

當然，在實際研究中任何結(jié)論都不是一蹴而就的。張金鳳表示：“有時學(xué)生會沮喪地向我匯報‘不如預(yù)期’的實驗結(jié)果，但我總是積極地跟學(xué)生討論這些‘不尋?！臄?shù)據(jù)。”

她認為，科研不是循規(guī)蹈矩、一成不變的，更不要刻意追求數(shù)據(jù)的“完美”。對于這些不如預(yù)期的數(shù)據(jù)，有時從另一個方面來看，反而會激發(fā)創(chuàng)新意識和思辨能力。

嚴格意義上講，科研需要“反?！?、需要“錯誤”。同時，再結(jié)合實驗去證實設(shè)想、去偽存真，這才是做科研最有意思的地方。

而在不久前，上海弼領(lǐng)生物完成近 2 億元人民幣 A 輪融資，這一融資釋放了積極的信號，讓張金鳳對于自組裝 FAND 的進一步開發(fā)更具信心。

而張金鳳團隊已經(jīng)和多家醫(yī)藥公司建立戰(zhàn)略合作意向并簽訂了技術(shù)開發(fā)合同，致力于聯(lián)合開展創(chuàng)新藥物的研發(fā)。

她繼續(xù)表示：“接下來我們將沿著全活性納米藥物 FAND 的概念開展研究，系統(tǒng)地探索精準組裝、智能響應(yīng)、生物效應(yīng)、療效提升、規(guī)?；苽涞葍?nèi)容，希望可以為促進納米醫(yī)藥的實際應(yīng)用和臨床轉(zhuǎn)化帶來新方法。”

參考資料：

1.Fang, F., Wang, S., Song, Y.et al. Continuous Spatiotemporal Therapy of A Full-API Nanodrug via Multi-Step Tandem Endogenous Biosynthesis. Nat Commun 14, 1660 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-37315-0

2.Nano Lett. 2015, 15, 313-318; Nanoscale 2015, 7, 13503-13510; ACS Nano 2015, 9, 9741-9756; Biomaterials 2018, 181, 92-102; Nano Lett. 2019, 19, 2, 658-665; ACS Nano 2020, 14, 1533-1549; Biomaterials 2021, 268, 120557; Small 2022, 18, 2106215