納米氧化鈰在腫瘤和炎癥組織中的EPR效應(yīng)研究進(jìn)展

楊通旺綜述，吳 剛審校

（包頭醫(yī)學(xué)院研究生學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014040）

納米氧化鈰在腫瘤和炎癥組織中的EPR效應(yīng)研究進(jìn)展

楊通旺綜述，吳 剛審校

（包頭醫(yī)學(xué)院研究生學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014040）

鈰/藥理學(xué)； 腫瘤/病理學(xué)； 納米結(jié)構(gòu)； 炎癥； 通透性； 綜述

鈰是含量最豐富的一種稀土元素，而二氧化鈰（CeO2）是鈰的天然和最穩(wěn)定存在形式。納米氧化鈰則是一種納米稀土金屬氧化物，其既是納米材料也是一種重要的稀土金屬氧化物，因而同時具有納米材料和稀土金屬氧化物的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)。納米氧化鈰由于其特殊的尺寸和結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出許多與常規(guī)氧化鈰不同的特殊效應(yīng)，如表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和抗氧化應(yīng)激效應(yīng)。納米氧化鈰的這些特殊的不同于常規(guī)氧化鈰的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，使得納米材料被廣泛應(yīng)用于諸如環(huán)境工程、化工、醫(yī)藥制藥和化妝品領(lǐng)域[1]?，F(xiàn)對納米氧化鈰在腫瘤及炎癥組織中的EPR效應(yīng)研究作一綜述。

1 納米粒子在腫瘤和炎癥組織中的EPR效應(yīng)

1.1 腫瘤和炎癥組織的血管缺陷 通過注射聚合樹脂獲得的血管鑄型的電鏡圖片顯示腫瘤血管和正常血管系統(tǒng)之間有著顯著的不同[2]。同時，腫瘤組織中的血流量也與正常組織中的顯著不同。正常組織中的血流受注射血管緊張素Ⅱ調(diào)節(jié)的血壓的影響較小，相對一致不變。在相同的處理下，腫瘤組織中的血流量卻顯著增加，且腫瘤組織中血流的方向也可能突然改變，血流可能以不穩(wěn)定的方式停止或者開始，并能出現(xiàn)過度外滲[3]。腫瘤血管的內(nèi)皮細(xì)胞比正常血管內(nèi)皮細(xì)胞大，細(xì)胞間隙開口增大允許大分子向腫瘤組織的間質(zhì)性空間滲漏[4]。

1.2 腫瘤和炎癥組織的淋巴功能缺陷 應(yīng)用罌粟種子油的碘化乙基脂肪酸（碘油）作為X射線造影劑發(fā)現(xiàn)，正常組織通過淋巴回流得到快速恢復(fù)，而腫瘤組織中碘油不能從沉積的部位（腫瘤組織）輕易地被恢復(fù)，這表明腫瘤組織的淋巴恢復(fù)功能受到損壞[5]。利用腫瘤的這種特異性滯留碘油的有利條件，通過將親脂性聚合物連接的抗癌藥物SMANCS（新抑癌菌素連接上共聚SMA）以一種碘油的形式來治療包括肝、腎和膽囊在內(nèi)的各種腫瘤[6]。

1.3 血管效應(yīng)分子 Dvorak等[7]從腫瘤細(xì)胞中分離出來一種腫瘤特異性血管通透性因子（vascular permeability factor，VPF），后來VPF被證明是血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），這是一種在炎癥和腫瘤中共有的血管效應(yīng)分子，并在炎癥和腫瘤中高表達(dá)。VEGF事實(shí)上也能夠增加正常血管的血管通透性，這個過程涉及內(nèi)皮細(xì)胞NO和一氧化氮合成酶。

1.4 納米粒子的EPR效應(yīng) 由于腫瘤和炎癥組織血管缺陷，使得納米粒子和大分子物質(zhì)可向這些組織滲漏，而淋巴回流功能的受損又降低了其將納米粒子和大分子物質(zhì)清除出腫瘤和炎癥組織的可能，使得納米粒子和大分子物質(zhì)得以在腫瘤和炎癥組織滯留的現(xiàn)象就稱之為增強(qiáng)的通透性和潴留作用（enhanced permeability and retention effect，EPR）[8]，也稱為EPR效應(yīng)。納米粒子在腫瘤和炎癥組織中的EPR效應(yīng)使得其可以選擇性地在腫瘤和炎癥組織中累積，從而達(dá)到靶向運(yùn)輸?shù)男Ч脖环Q之為納米粒子的被動靶向運(yùn)輸。

Jansen等[9]在固態(tài)腫瘤中發(fā)現(xiàn)了有活性的血管生成素。促血管生成素-1（Ang-1）、促 Ang-2/酪氨酸受體 2（tie2）是血管內(nèi)皮生長因子之外的一條重要血管生成信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[10]。給予血管生成素，納米粒子在腫瘤和炎癥組織中的EPR效應(yīng)確實(shí)得到改善。需氧細(xì)胞在代謝過程中產(chǎn)生的活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）包括O2-、H2O2及HO2·、·OH等，血管生成素本身對EPR效應(yīng)沒有影響，但ROS是Ang-1/tie2受體通路的一個重要介質(zhì)，Ang-1通過NAPDH氧化酶復(fù)合體產(chǎn)生ROS，ROS促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)的轉(zhuǎn)移和PAK-1的磷酸化而對Erk1/2的磷酸化起到負(fù)性調(diào)節(jié)的作用[11]。通過向不同的細(xì)胞中加入血管生成素，發(fā)現(xiàn)其抑制了H2O2引起的細(xì)胞和基因毒性[12]。雄性小鼠注射Ang-2，其血壓升高且含有AT1aR的丘腦室旁核神經(jīng)元中ROS的生成增加[13]。也就是血管生成素是通過ROS來影響納米粒子在腫瘤和炎癥組織中的EPR效應(yīng)。

影響腫瘤和炎癥組織EPR效應(yīng)的分子還有很多，如血紅素氧合成酶-1、CO，TGFβ抑制劑和TNFα都在小鼠模型中表現(xiàn)出增強(qiáng)對的EPR效應(yīng)。在微生物感染或炎癥期間產(chǎn)生的氧自由基和NO也能在局部組織增強(qiáng)納米粒子EPR效應(yīng)。并且，同樣功能的分子還在不停地被發(fā)現(xiàn)，而腫瘤和炎癥組織中納米粒子的EPR效應(yīng)的分子機(jī)制也將進(jìn)一步被闡明。

2 CeO2 通過血管效應(yīng)分子影響EPR效應(yīng)

目前并無發(fā)現(xiàn)納米CeO2本身直接對血管的通透性影響的報道，因而不能直接證明納米氧化鈰對納米粒子在腫瘤和炎癥組織中EPR效應(yīng)的影響。但納米氧化鈰與影響血管通透性的血管效應(yīng)分子卻有著復(fù)雜的聯(lián)系。CeO2晶體具有螢石立方結(jié)構(gòu)，其中Ce4+占據(jù)八面體空隙，O2-占據(jù)四面體空隙。由于納米氧化鈰粒徑小表面能高，晶體表明產(chǎn)生氧空位，隨著氧空穴的產(chǎn)生與消除，氧化鈰中的鈰離子在+3和+4兩種價態(tài)間可逆轉(zhuǎn)換，在氧化鈰被還原時，位于四面體空隙的氧會逸出，所剩余的2個電子被離其最近的2個Ce4+獲得，Ce4+被還原成Ce3+[14]。這就賦予了氧化鈰獨(dú)特的氧儲存和釋放能力，并在細(xì)胞和生物體內(nèi)表現(xiàn)出類似SOD的清除氧自由基功能。而納米氧化鈰的這種獨(dú)特的清除氧自由基特性也在越來越多的實(shí)驗中得到了證明。納米氧化鈰在A549，CACO2和HepG2細(xì)胞系中抑制了H2O2引起的基因毒性[15]。通過支氣管滴注大劑量的納米CeO2時，雖然在肺部也產(chǎn)生了急性炎癥損傷，但是NO卻顯著下降[16]。

ROS本身就是一個重要的血管效應(yīng)分子，ROS的降低使得依賴血管效應(yīng)分子的納米粒子在腫瘤和炎癥組織中的EPR效應(yīng)降低，血管內(nèi)皮細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞間隙的結(jié)構(gòu)也將的到改善，從而抑制腫瘤細(xì)胞增殖和炎癥的發(fā)展。不但ROS本身作為一種血管效應(yīng)分子對納米粒子在腫瘤和炎癥組織的EPR效應(yīng)產(chǎn)生影響，且血管生成素和內(nèi)皮細(xì)胞生長因子也都是通過ROS來影響EPR效應(yīng)的。納米氧化鈰保護(hù)腦卒中[17]和抑制腫瘤生長的原因可能就與納米氧化鈰由于EPR效應(yīng)在病變組織中聚集有關(guān)。納米氧化鈰是一種納米粒子，可以通過EPR效應(yīng)在炎癥和腫瘤組織累積，而納米氧化鈰的聚集就會通過降低ROS來阻止VEGF和血管生成素的作用，且血管的通透性受到抑制，從而抑制腫瘤的增長和炎癥的蔓延。

3 納米氧化鈰應(yīng)用及其安全性

作為一種新型納米材料，納米氧化鈰具有納米粒子的一般特性，當(dāng)其表面連接上藥物時，由于納米粒子的EPR效應(yīng)使得納米氧化鈰包被物能被動靶向運(yùn)輸至特定的部位。通過支氣管滴注發(fā)現(xiàn)，納米氧化鈰在肝和脾這些血流旺盛的組織中的聚集比其他組織高出兩個數(shù)量級[18]。納米氧化鈰的被動靶向運(yùn)輸克服了一些低溶解性和高毒性藥物由于高劑量使用引起的生物毒性，同時也延長了藥物半衰期，增加患者的依從性，延長藥物的生命周期并降低了醫(yī)療費(fèi)用。脫鐵蛋白由于其半衰期短使得其抗氧化的效率受到影響，而當(dāng)脫鐵蛋白結(jié)合上納米CeO2時，其類似SOD的抗氧化功能得到顯著改善[19]。同時納米氧化鈰的生物兼容性相對于其他的納米材料更好，在相對較短的時間內(nèi)沒有對細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞毒作用和基因毒性作用。支氣管內(nèi)滴注納米CeO2后，雖然也引起了急性炎癥的癥狀，但在7d內(nèi)開始恢復(fù)，并在28d實(shí)驗結(jié)束時恢復(fù)到實(shí)驗前水平[20]。

4 小 結(jié)

在體外模擬肺泡巨噬細(xì)胞的吞噬溶酶體的環(huán)境，將納米氧化鈰置于pH為4.5的環(huán)境中攪拌72 h也只融解了0.120%[18]。當(dāng)納米氧化鈰進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)時，特別是當(dāng)納米CeO2被運(yùn)輸至溶酶體這樣的酸性環(huán)境中時，即使是少量的氧化鈰溶解，也會在細(xì)胞能產(chǎn)生高濃度的Ce4+。而在東北紫杉醇細(xì)胞中Ce4+激活磷脂酶D，從而降解結(jié)構(gòu)性磷脂導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[21]。由于納米氧化鈰與細(xì)胞膜、DNA和胞內(nèi)細(xì)胞器的動力學(xué)反應(yīng)使得納米氧化鈰在卵母細(xì)胞中通過氧化應(yīng)激引起基因毒性[22]。當(dāng)納米氧化鈰與細(xì)胞膜緊密接觸時，納米氧化鈰通過直接的生物還原機(jī)制在大腸桿菌中產(chǎn)生細(xì)胞毒性[23]。通過細(xì)胞外大分子阻止納米粒子和納米粒子穩(wěn)定劑與細(xì)胞的直接接觸，納米氧化鈰在藍(lán)藻中引起間接的細(xì)胞毒性。而納米CeO2即使在1 nmol/L的環(huán)境相關(guān)濃度下也可通過催化ROS產(chǎn)生對線蟲的明顯毒性，使線蟲的平均壽命水平顯著降低[24]。納米氧化鈰在正常和腫瘤細(xì)胞系中的狀態(tài)和細(xì)胞毒性在很大程度上取決于其表面電荷[25]。由此，雖然納米氧化鈰的生物學(xué)效應(yīng)研究取得了一定的進(jìn)展，但仍處于起步階段，對于納米氧化鈰生物學(xué)效應(yīng)的詮釋，特別是對于具有爭議性的生物毒性的研究還需要科學(xué)家們的不懈努力。

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10.3969/j.issn.1009-5519.2015.20.019

A

1009-5519（2015）20-3096-03

2015-07-15）

楊通旺（1990-），男，湖南湘西自治州，在讀研究生，主要從事生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究；E-mail：123620677@qq.com。