昆士兰大学赵春霞教授研究团队——基于纳米乳液的药物传递

天然和仿生颗粒专刊文章

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Natural and Biomimetic Particles in Bio-applications

客座编辑：马光辉、魏炜、赵春霞

Nanoemulsions for drug delivery

Russell J. Wilson, Yang Li （李洋）, Guangze Yang （杨光泽）, Chun-Xia Zhao （赵春霞）

DOI: 10.1016/j.partic.2021.05.009

Keywords: Nanoemulsions; Surfactants; Drug delivery; Nanomedicine; Peptide surfactant

乳液是一种液相以小液滴的形式分散在另一液相中的液–液分散剂。纳米乳液是一种粒径从几十纳米到几百纳米的乳液，由于其具有体积小、比表面积大、活性疏水组分分散性好、吸附性强等优点，在医药、食品、化妆品等领域具有广阔的应用前景。表面活性剂在纳米乳液的制备和稳定中起着至关重要的作用。

近日，昆士兰大学赵春霞教授团队在Particuology上发表的综述文章，重点关注了不同类型的表面活性剂，包括小分子表面活性剂、颗粒表面活性剂、磷脂表面活性剂、肽表面活性剂和蛋白质表面活性剂，深入探讨了纳米乳液的制备方法，纳米乳液作为纳米药物在药物传递中的应用，以及讨论了纳米乳液的临床应用。

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研究背景

乳液是两相液体系统，即其中一个液相（被称为内相或分散相的小液滴）被分散到第二液相（被称为外相或连续相）中。由于它们可以帮助混合非极性分子和极性分子提升产品的质地、味道、气味并提高疗效，因此乳液在许多行业都有巨大潜力。乳液可以随时调整配方以满足产品需求，比如将油分散在水中或将水分散在油中。然而，由于它们在热力学上是不稳定的系统，因此在处理乳液时必须考虑加入表面活性分子（又称为乳化剂）来稳定液滴，以避免分相。

纳米乳液是一种分散相粒径从几十纳米到几百纳米的乳液。表面活性剂作用于两个不混溶相之间的界面，以降低表面张力，并在体系试图达到最小吉布斯自由能状态时作为防止乳液聚合的屏障。由于纳米乳液易于溶解疏水性药物，从而可以减轻严重的药物副作用，并且可以轻易地被修饰为新一代智能纳米材料，因此其具有成为高效纳米药物的潜力。

基于以上背景，昆士兰大学赵春霞教授团队对纳米乳液及其药物传递的研究进展进行了系统全面的回顾，内容主要涵盖以下方面：（1）不同种类的纳米乳液体系及其制备和稳定性；（2）表面活性剂的种类及其医学应用；（3）乳液在药物传递领域的应用。

纳米乳液种类、制备及稳定性

种类

乳液最简单的形式是由一个亲水相或一个疏水相分散在对方相中（图1(A)）。总的来说，乳液类型按分散相和连续相可以被分为：（1）水包油 （O/W），小油滴在水中分散；（2）油包水（W/O），小水滴在油中分散；（3）水-油-水（W/O/W），将W/O乳液分散在水中；（4）油-水-油（O/W/O），将O/W乳液分散在油中。水包油乳液是理想的疏水药物载体；水包油包水双重乳液适用于在水相和油相中分别装载亲水性和疏水性活性物质。同时，通过各种组合，这些简单的体系还可以变得更加复杂。

传统上，双重乳液（如W/O/W和O/W/O）的形成是一个两步过程，需要形成初始内部乳液，然后围绕初始乳液形成第二乳液。双重乳液的形成和稳定还面临着额外的挑战，比如在形成第二乳液时为了保护初始乳液的完整性，需要亲脂和亲水的表面活性剂来稳定每个油水界面。除此之外，由于相之间的扩散，双重乳液更容易降解和聚合。近期，使用微流控设备生成的均匀双重乳液在食品科学领域的应用及其作为颗粒制备的微反应器或模板得到了广泛的关注。

制备

乳液形成于将剪切力作用于两个不混溶相并使分散相形成微小液滴。使用剪切力来制备乳液主要分为高能和低能方法。高能乳化技术需要在系统中输入大量的机械力才能产生单分散液滴， 其制备方法包括高压均质、微流化和超声。低能乳化法利用特殊的化学、物理、热或溶剂条件诱导形成纳米乳液，其制备方法包括溶剂置换乳化法、相变温度法、自乳化法和多态相变法。通常来说，制备纳米乳液需要两步过程，首先形成粗乳液，然后高压均质或超声将大液滴破碎成纳米尺寸，从而形成纳米乳液。

稳定性

纳米乳液是一个热力学不稳定系统。随着时间的推移，趋向于分成两个离散的相。表面活性剂可以提高其稳定性，从而在本质上使乳液保持动力学稳定。一个设计良好的乳液可以保持其原始性质长达数月或数年。由Derjaguin，Landau，Verwey和Overbeek提出的DLVO理论将乳液的稳定性描述为两种独立力的组合，包括：（1）范德华吸引力，（2）双层静电排斥力。DLVO理论阐述了当吸引力占主导时，乳液发生胶体失稳，其主要通过四种途径发生（图1(B)）:（1）聚合：两个或多个液滴合并以降低界面能；（2）絮凝：将附近完好的液滴聚集成团聚体；（3）分层/沉淀：液滴在溶液中随密度梯度上升或下降；（4）奥氏熟化：以小液滴消失为代价的大液滴生长。这些途径可以同时发生，但也可被静电斥力和空间位阻所抑制，这对药物传递应用是至关重要的。

图1（A）按分散相和连续相划分乳液类型。（B）乳液的不稳定机制和途径。

表面活性剂

小分子类

小分子表面活性剂是应用最广泛的乳化剂，因为它们价格便宜、易于合成，其表面性质也很好理解（图2(A)）。小分子表面活性剂具有头尾形态 （head-tail），通常是由亲水的头和疏水的尾组成的。表面活性剂的头、尾基团的亲水性和疏水性可以用亲水亲脂平衡（HLB）来表示。当HLB值<10时，其代表油溶性表面活性剂（W/O），当HLB>10时，其代表水溶性的表面活性剂 （O/W）。小分子表面活性剂可以被分为阴离子型、阳离子型和非离子型。

颗粒类

颗粒表面活性剂近年来越来越受欢迎，因为它们能产生非常稳定的乳液，用途广泛，价格便宜。已经发现的具有表面活性的颗粒种类繁多，包括二氧化硅、粘土、氧化铁、羟基磷灰石和氧化石墨烯。由于颗粒表面活性剂具有更强的稳定性和生物相容性，因此可作为小分子表面活性剂的替代品，被应用于药物传递领域。

磷脂类

磷脂是细胞膜的主要成分，与小分子表面活性剂相似，具有头尾形态，特征是一个带负电的磷酸盐亲水头和两个脂肪酸疏水尾。由于其良好的生物相容性，磷脂表面活性剂已广泛应用于食品、化妆品和制药。磷脂很容易从农产品中获得，如大豆和蛋黄中的卵磷脂可以赋予乳化混合物良好的长期稳定性。磷脂通过两种方式稳定乳液：（1）提供液滴之间的静电排斥力，（2）作为空间位阻增加凝聚所需的热力学能量。

肽类

肽表面活性剂由疏水区和亲水区组成，根据其不同的设计模式可分为两类：（1）端对端式 （end-by-end），也称为类脂肽（SLPs），具有与天然磷脂相似的结构（亲水头，疏水尾） （图2(B)）；（2）并排式 （side-by-side），亲水及疏水氨基酸简短排列使其形成α螺旋或者β折叠形态。SLPs能自组装成纳米管、纳米囊泡等大型三级结构，近年来得到了广泛的研究。与传统的SLPs相比，并排式肽表面活性剂通常可以形成α螺旋或者β折叠, 并形成有规律的氢键、疏水和亲水排列。Middelberg的团队报道了一种刺激响应型肽表面活性剂 AM1（图2(C)）。AM1的设计来源于细菌衍生的两亲肽Lac21，并将氨基酸序列的第9位和第20位残基替换为组氨酸，使界面上的肽之间可形成金属离子介导的交联，形成界面网络。通过改变pH值和金属离子浓度，它可以在“自由移动” 状态和 “膜”状态之间切换。这种特性使乳液或泡沫具有响应刺激功能，拥有很大应用潜力。

蛋白质类

蛋白质也可以作为表面活性剂来稳定乳液。与小分子表面活性剂相比，蛋白质在油水界面上吸附的速度较慢，导致乳液形成过程早期容易发生液滴聚合。然而，由于蛋白质吸附在液滴表面后可形成广泛的蛋白质网络，具有强大的静电斥力和空间稳定性，因此蛋白质表面活性剂可以提供更强的稳定作用。目前已经发现或创造了一些具有特殊表面活性序列的蛋白质，如表面活性剂蛋白A、B、C和D，它们在肺中的空气–水界面起作用；以及DAMP4，一种用于纳米医学研究的工程蛋白。蛋白质表面活性剂作为载体已被广泛应用于疏水药物的传递，例如，纳米颗粒白蛋白（nabTM）技术已被用于开发nab药物，如2005年FDA批准的治疗转移性乳腺癌和非小细胞肺癌的白蛋白结合型紫杉醇 （Abraxane®）。另一个例子是1999年获FDA批准的固尔苏猪肺磷脂注射液（currosurf®），其含有1%的非热源肺表面活性剂SP-B和SP-C，用于恢复表面活性剂缺乏婴儿的肺表面活性。

图2（A）用于稳定乳液的不同类型的表面活性剂。左上：蛋白质表面活性剂，右上：小分子表面活性剂，右下：颗粒类，左下：磷脂表面活性剂；（B）端对端（end-by-end）肽表面活性剂的结构：（i）单头状，亲水头（蓝色）和疏水尾（黄色）；（ii）双头状，两端都有亲水头（蓝色），由疏水性链（黄色）连接；（iii）锥状，亲水头（蓝色）和疏水尾（黄色）；（C）肽表面活性剂Lac 21（上）和AM1（下）。肽模型为右旋，黄色为疏水残基（蛋氨酸、亮氨酸和缬氨酸），蓝色为可结合金属离子的组氨酸残基。

乳液与纳米级药物

乳化以及乳化形成的纳米颗粒可以被多种物理化学因素影响，主要包含（1）颗粒大小、（2）表面活性剂特性、（3）溶液特性以及（4）液滴表面特性（图3(A)）。新型乳液纳米药物必须控制这些因素，才能成功治疗疾病并满足严格的监管要求。颗粒大小是影响细胞对纳米颗粒反应的一个重要物理参数。粒径约为50 nm的纳米颗粒具有最大的细胞摄取能力，略大的（>60 nm）和较小的（<20 nm）的纳米颗粒可被肾脏和网状内皮系统迅速清除。乳液的表面性质决定其稳定性以及其与生物细胞组织之间的相互作用。

乳液的给药方式包括透皮、注射、眼滴、鼻吸以及口服 （图3(B)）。乳液制剂经常被应用于药物传递，因为它们增强了疏水物质的溶解度，改善了药代动力学特性，并减少了患者的不良反应。尽管纳米乳液作为药物传递平台技术具有明显的优势，但该系统在临床转化方面仍面临一些重大挑战。其中，扩大纳米乳液的工业级制备是主要的挑战。

乳液型纳米药物与传统药物相比具有明显的优势，包括提高药物的生物利用率和抗降解稳定性、减少药物在体内的快速清除以及特异性生物相互作用。然而，如何提高临床疗效仍然是一个巨大挑战。癌症是一种多样化疾病，目前已发现特定的癌症需要独特的纳米药物治疗策略来显著改善其疗效。近年来，研究者们已逐步开展了更多更有效、更安全的下一代乳液型纳米药物的研发工作。

图3（A）乳液纳米药物的理化性质; （B） 纳米乳液运用于药物传递的不同途径。

总结与展望

由于体积小、易于分散且可用于疏水性不同的组分等优势，纳米乳液在食品、化妆品和医药等领域展现出巨大的应用潜力。例如，纳米乳液已被临床用于疏水性药物的传递，且被用作疫苗的佐剂。利用高压均质化和超声波处理等工业方法，可以实现纳米乳液的大规模生产。

由于其在临床方面的成功，纳米乳液已被进一步开发用于新兴的高端应用，如免疫治疗，结合多种功能的靶向治疗。例如，在油滴中封装药物或成像探针，用靶向配体或抗体修饰纳米乳液表面，用于靶向递送和免疫治疗。许多临床前研究还处于非常早期的阶段，更多关于纳米乳液与生物系统之间复杂的相互作用的基础理解和系统性研究将会加速它们真正的临床应用。

通讯作者

赵春霞教授

赵春霞，博士毕业于浙江大学化学工程系，现任阿德莱德大学终身教授，昆士兰大学荣誉教授，澳洲生物技术与纳米研究所课题组组长, 澳大利亚研究理事会卓越研究中心研究中心主任，澳大利亚研究理事会专家委员会委员，澳大利亚理事会未来研究员。主要从事生物纳米药物和器官芯片的研究。获得了总计四千万澳元的资助，主持六项国家项目，一项国家重大项目，以及其它项目20余项，6项专利技术。在国际知名期刊Science Advances, Nature Communications, Angewandte Chemie, ACS Nano 等发表100余篇文章。

# 近期代表性论文：

1. Guangze Yang, Yun Liu, Yue Hui, Tengjisi, Dong Chen, David A. Weitz, Chun-Xia Zhao*. Implications of Quenching to Dequenching Switch in Quantitative Cell Uptake and Biodistribution of Dye-Labeled Nanoparticles. Angewandte Chemie International Edition, 2021. (Published as Inside Cover and Hot Paper)

2. Yue Hui, Xin Yi, David Wibowo, Guangze Yang, Anton P.J. Middelberg, Huajian Gao, and Chun-Xia Zhao*. Nanoparticle elasticity regulates phagocytosis and cancer cell uptake, Science Advances, 2021

3. Yun Liu, Guangze Yang, Thejus Baby, Tengjisi, Dong Chen, David A. Weitz, Chun-Xia Zhao*. Stable polymer nanoparticles with exceptionally high drug loading by sequential nanoprecipitation. Angewandte Chemie International Edition, 2020, 59, 4720–4728. (Published as Hot Paper)

4. Yun Liu, Guangze Yang, Song Jin, Run Zhang, Peng Chen, Tengjisi, Lianzhou Wang, Dong Chen, David A. Weitz, Chun-Xia Zhao*. J-Aggregate-Based FRET Monitoring of Drug Release from Polymer Nanoparticles with High Drug Loading. Angewandte Chemie International Edition, 2020, 59,2–12

5. Guangze Yang, Yun Liu, Haofei Wang, Russell Wilson, Yue Hui, Alice Yu, David Wibowo, Cheng Zhang, Andrew Whittaker, Anton Middelberg, Chun-Xia Zhao*. Bioinspired Core-Shell Nanoparticles for Hydrophobic Drug Delivery. Angewandte Chemie International Edition, 2019, https://doi.org/10.1002/anie.201908357.

6. Yue Hui, Xin Yi, Fei Hou, David Wibowo, Fan Zhang, Dongyuan Zhao, Huajian Gao and Chun-Xia Zhao*. Role of Nanoparticle Mechanical Properties in Cancer Drug Delivery. ACS Nano, 2019, doi:10.1021/acsnano.9b03924 (Invited Review)

7. Hao-Fei Wang, Rui Ran, Yun Liu, Yue Hui, Bijun Zeng, Dong Chen, David A. Weitz and Chun-Xia Zhao*. Tumor-Vasculature-on-a-Chip for Investigating Nanoparticle Extravasation and Tumor Accumulation. ACS Nano, 2018, 12 (11), pp 11600–11609. 

8. Yue Hui, David Wibowo, Yun Liu, Rui Ran, Hao-Fei Wang, Seth Arjun, Anton P.J. Middelberg and Chun-Xia Zhao*. Understanding the Effects of Nanocapsular Mechanical Property on Passive and Active Tumor Targeting. ACS Nano, 2018, 12 (3): 2846–2857. 

供稿：原文作者

编辑：《颗粒学报》编辑部

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