基于納米材料的刺激響應(yīng)策略在腫瘤治療中的研究進(jìn)展

程凱，周潔綜述，陳鈺，陳道楨審校

0 引言

癌癥是導(dǎo)致人類死亡的重要原因之一，化療仍是治療癌癥的主要方法之一。常規(guī)化學(xué)藥物遞送方法具有非特異性生物分布和低選擇性的缺點，故體內(nèi)正常細(xì)胞也暴露于化療藥物的毒性作用下，甚至大多情況下，僅有一小部分藥物到達(dá)腫瘤部位發(fā)揮作用[1]。許多化療藥物對心、肺和腎具有長期毒副作用[2]。此外，大多數(shù)化療藥物具有水溶性差[3]、穩(wěn)定性差[4]以及反復(fù)接觸后產(chǎn)生多藥耐藥性[5]的特點，進(jìn)而導(dǎo)致腫瘤的轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)。因此，亟待開發(fā)新的藥物遞送系統(tǒng)以克服這些缺點從而提高腫瘤治療的功效[6]。鑒于此，納米技術(shù)已被廣泛研究并用于癌癥的診斷和治療中，目前已經(jīng)開發(fā)出各種生物相容好、可生物降解的材料，包括嵌段共聚物[7]、脂質(zhì)體[8]、樹枝狀大分子[9]、水凝膠[10]、外泌體[11]和蛋白質(zhì)[12]等，但如何高效靶向腫瘤細(xì)胞以及在到達(dá)靶向腫瘤部位后控制藥物釋放是目前存在的一個巨大挑戰(zhàn)。因此，科學(xué)家們開發(fā)了多種刺激響應(yīng)性納米材料，其能夠響應(yīng)腫瘤微環(huán)境（TME）或外部觸發(fā)器中呈現(xiàn)的各種刺激，進(jìn)而有效靶向并釋放運載藥物。與傳統(tǒng)的聚合物納米載體相比，刺激響應(yīng)性納米材料可以成功降低藥物釋放劑量頻率，將腫瘤細(xì)胞部位藥物濃度保持更長的時間。本文綜述了近年來用于腫瘤治療的常用刺激響應(yīng)策略納米材料以及探討未來可能的發(fā)展方向。

1 納米材料刺激響應(yīng)性策略

納米材料的刺激響應(yīng)性策略是根據(jù)設(shè)計不同結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的納米材料，針對不同的條件發(fā)生構(gòu)象變化以釋放其包載的藥物起到對腫瘤的殺傷作用。主要分為針對體內(nèi)腫瘤微環(huán)境如pH、氧化還原、ROS、酶以及溫度等響應(yīng)和針對外環(huán)境條件如光、磁和超聲等響應(yīng)。

1.1 內(nèi)源性刺激響應(yīng)策略

1.1.1 pH響應(yīng)性策略 腫瘤細(xì)胞微環(huán)境的pH值（弱酸性，pH6.5～7.2）低于正常組織和血液（pH 7.4）且腫瘤細(xì)胞內(nèi)內(nèi)涵體和溶酶體的pH進(jìn)一步降低（pH4.0～6.0）[13]。因此，研究人員設(shè)計pH響應(yīng)策略遞送藥物，在生理pH下穩(wěn)定，通過感知腫瘤微環(huán)境的pH變化發(fā)生膨脹、表面電荷反轉(zhuǎn)或化學(xué)鍵斷裂等，從而在腫瘤部位特異性釋放運載藥物，這顯著增強(qiáng)了藥物治療效果并降低其不良反應(yīng)。人們常通過連接pH響應(yīng)斷裂化學(xué)鍵制備納米聚合物，常用的pH響應(yīng)鍵包括2，3-二甲基馬來酸酐、苯甲基亞胺鍵、硫代丙酸酯鍵、腙鍵、亞胺鍵、原酸酯鍵、縮酮、檸康酸酐、乙縮醛和環(huán)乙縮醛等。最近，Liu等[14]設(shè)計了一種雙pH響應(yīng)多功能納米系統(tǒng)，將酸可裂解的腙鍵與多柔比星（DOX）連接后綴合透明質(zhì)酸（HA）以合成聚合物前藥HA-DOX，隨后將PHIS/R848涂覆在納米芯外部以形成HA-DOX/PHIS/R848納米顆粒。在腫瘤微環(huán)境pH6.5下，聚乙烯L-組氨酸（poly（L-histidine）, PHIS）電離將其疏水性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性，進(jìn)而觸發(fā)R848的釋放以發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用，隨后在約pH5.5（內(nèi)切/溶酶體的pH）下HA-DOX中腙鍵破裂，加速釋放DOX以發(fā)揮細(xì)胞毒性作用。該系統(tǒng)可以在細(xì)胞外釋放R848并將DOX靶向遞送至乳腺癌細(xì)胞，從而實現(xiàn)免疫療法和化學(xué)療法對乳腺癌的協(xié)同作用。雖然pH響應(yīng)性策略可以有效負(fù)載藥物遞送至腫瘤微環(huán)境中，但是腫瘤與周圍正常組織之間的pH變化不是非常顯著，且不同類型的腫瘤可能具有略微不同的pH水平。為了滿足靶向腫瘤微環(huán)境和細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞器的各種應(yīng)用要求，今后還需要設(shè)計出更加敏感的多重pH響應(yīng)聚合物。

1.1.2 氧化還原響應(yīng)性策略 GSH是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸組成的三肽，是生化過程中的主要還原配體[15]。GSH在腫瘤細(xì)胞質(zhì)中最豐富（2～10 mmol/L），遠(yuǎn)高于其細(xì)胞外濃度（2～20 μmol/L），且腫瘤組織GSH濃度比正常組織高至少4倍[16]。二硫鍵是氧化還原響應(yīng)策略最常用的化學(xué)鍵，在體內(nèi)穩(wěn)定，進(jìn)入腫瘤細(xì)胞質(zhì)后被高濃度GSH還原為硫基，使納米載體構(gòu)象改變，釋放包載的藥物[17]。Ma等[18]將二硫鍵與親水性抗癌藥物多柔比星（DOX）和疏水性藥物紫杉醇（PTX）化學(xué)結(jié)合。由于其兩親性表征，前藥可在微流體納米沉淀下自組裝成納米顆粒，這種新型前藥納米粒子具有89%的超高藥物負(fù)載度并在氧化還原條件下釋放DOX和PTX。通過評估MDA-MB-231、MDA-MB-231/ADR和MEF細(xì)胞系中的細(xì)胞活力，觀察到前藥納米顆粒能有效殺死癌細(xì)胞，并選擇性地殺傷MDA-MB-231/ADR。MEF細(xì)胞由于缺乏氧化還原條件而幸免。這證實了前藥納米粒子在血液或健康細(xì)胞中沒有治療作用，但可以選擇性地殺傷具有氧化還原條件的癌細(xì)胞。除二硫鍵以外、二硒鍵也是氧化還原響應(yīng)性化學(xué)鍵且鍵能更小，敏感度更強(qiáng)。Behroozi等[19]報道了一種基于兩親性三嵌段共聚物的新型可脫殼膠束，其中使用二硒化物作為氧化還原敏感鍵。二硒鍵位于親水-疏水鉸鏈處，通過氧化還原反應(yīng)使膠束完全塌陷，從而在腫瘤環(huán)境中有效釋放藥物。該系統(tǒng)能夠在小鼠腹膜內(nèi)注射后延遲腫瘤生長并降低乳腺癌腫瘤模型中的毒性?？傊?，以上結(jié)果表明基于膠束的刺激響應(yīng)策略非常適合藥物遞送。盡管人們在氧化還原刺激響應(yīng)性聚合物納米載體領(lǐng)域已取得顯著成就，但由于復(fù)雜的生物環(huán)境和腫瘤細(xì)胞的異質(zhì)性，難以實現(xiàn)基于氧化還原分子機(jī)制的可控性。

1.1.3 ROS響應(yīng)性策略 ROS是指由人體產(chǎn)生的一類氧衍生化學(xué)物質(zhì)，包括過氧化氫（H2O2），單線態(tài)氧（1O2），超氧化物（O-2）和羥基自由基（HO）。ROS可以通過一系列反應(yīng)從一種形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形態(tài)[20]。過量的ROS會增加細(xì)胞DNA突變的風(fēng)險，這與多種癌細(xì)胞的進(jìn)展密切相關(guān)[21]。腫瘤細(xì)胞常處于氧化應(yīng)激狀態(tài)，釋放過多ROS，使其耐藥性增加[22]。ROS響應(yīng)性策略是使納米給藥系統(tǒng)與腫瘤細(xì)胞中的ROS反應(yīng)，一方面實現(xiàn)腫瘤靶向性，另一方面可降低微環(huán)境中ROS水平，達(dá)到更好的治療效果。Li等[23]開發(fā)了一種ROS響應(yīng)性硼酸載體，其具有裝載全身血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）siRNA遞送的脂質(zhì)包膜，從而介導(dǎo)siRNA到腫瘤部位下調(diào)VEGF，產(chǎn)生顯著抗血管生成作用和抑制體內(nèi)腫瘤生長作用。Shim等[24]合成了ROS響應(yīng)性聚氨基硫縮酮（PATK）以實現(xiàn)前列腺癌細(xì)胞內(nèi)高效、安全的基因傳遞，其在暴露于前列腺癌細(xì)胞中的高水平ROS時，DNA/PATK復(fù)合物被有效地分解，使細(xì)胞中DNA的細(xì)胞內(nèi)釋放增強(qiáng)。該研究表明，用癌癥靶向肽功能化的ROS響應(yīng)性PATK是癌癥靶向基因遞送安全，有效以及有前途的基因載體。此外，Xu等[25]已成功開發(fā)出一種新的ROS響應(yīng)性和腫瘤穿透性多前體藥物納米平臺，用于靶向癌癥治療。包括：（1）可以響應(yīng)ROS以觸發(fā)釋放完整治療分子的多前藥內(nèi)核；（2）聚乙二醇（PEG）外殼以延長血液循環(huán)；（3）表面編碼的內(nèi)化RGD（iRGD）以增強(qiáng)腫瘤靶向和組織穿透。這些ROS響應(yīng)性NPs在體外和體內(nèi)均顯示出對腫瘤細(xì)胞生長的顯著抑制。雖然人們在ROS響應(yīng)策略領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但仍有一些關(guān)鍵問題需要解決。首先，材料應(yīng)該是“無活性的”，因為ROS在健康細(xì)胞中是動態(tài)平衡的且若ROS水平急劇下降會對身體造成風(fēng)險[26]。其次，ROS響應(yīng)性材料的降解速率和動態(tài)ROS濃度需要維持一種較好的平衡，這對于及時檢測信號分子，按需釋放負(fù)載藥物起著至關(guān)重要的作用。

1.1.4 酶響應(yīng)性策略 酶在生物的代謝過程中起重要作用，酶表達(dá)的失調(diào)和失活是許多疾?。ò[瘤）的病理學(xué)基礎(chǔ)[27]。利用酶作為響應(yīng)因素可對其底物表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性，產(chǎn)生特定的化學(xué)反應(yīng)[28]。 Kumar等[29]開發(fā)了基于介孔二氧化硅納米顆粒（mesoporous silica nanoparticle, MSN）的酶響應(yīng)材料，用于結(jié)腸特異性藥物遞送。使用瓜爾豆膠（一種天然碳水化合物聚合物）作為覆蓋層，在MSN的中孔通道內(nèi)裝載藥物，瓜爾膠通過非共價相互作用封閉后，MSN保持其離散的納米顆粒特性。MSN處于結(jié)腸微環(huán)境時結(jié)腸酶對瓜爾豆膠進(jìn)行酶促生物降解進(jìn)而釋放裝載藥物。流式細(xì)胞術(shù)和生化測定證實釋放的藥物在體外結(jié)腸癌細(xì)胞系中顯示出良好的抗癌活性。裝載藥物的系統(tǒng)在胃腸道的缺乏酶模擬條件下也表現(xiàn)出接近完美的“零釋放”特性。此外，Zhang等[30]開發(fā)了一種新型酶響應(yīng)性PEG化賴氨酸肽樹枝狀大分子-吉西他濱結(jié)合物（Dendrimer-GEM）基納米顆粒。其中甘氨酰苯丙氨酰亮氨?；拾彼崴碾模℅FLG）作為可被酶切割，能夠在腫瘤細(xì)胞環(huán)境中更快地釋放藥物，與游離藥物吉西他濱相比，表現(xiàn)出更強(qiáng)的治療效果和更低的毒性且組織學(xué)分析未觀察到明顯不良反應(yīng)。該研究證明聚乙二醇化肽樹突結(jié)構(gòu)可用作腫瘤治療的安全有效的納米藥物遞送載體。然而，酶響應(yīng)系統(tǒng)現(xiàn)在存在著細(xì)胞穿透性差的缺點[31]，限制了它們的臨床應(yīng)用。

1.2 外源性響應(yīng)性策略

1.2.1 光響應(yīng)性策略 研究發(fā)現(xiàn)，將具有適當(dāng)波長的光源應(yīng)用于含有光敏劑如偶氮苯、芪和三苯甲烷的聚合物或水凝膠，當(dāng)發(fā)色團(tuán)暴露于特定波長時，該發(fā)色團(tuán)會通過光反應(yīng)改變其構(gòu)象，此時包載的藥物可從納米載體中釋放出來[32]。通常，使用紫外線（Ultraviolet ray, UV）、可見光和近紅外（Near infra-red, NIR）光[33]用于光響應(yīng)納米載體的刺激物。此外，細(xì)胞攝入的光敏劑在特定光源照射下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氧自由基、單態(tài)氧等物質(zhì)或者產(chǎn)生熱能，損傷細(xì)胞膜和血管內(nèi)皮細(xì)胞，從而選擇性地殺傷病變細(xì)胞達(dá)到治療目的，這種方法主要包括光動力療法[34]（Photodynamic therapy, PDT）和光熱療法（Photothermal therapy,PTT）。許多研究設(shè)計了將光敏劑遞送到靶位點來增強(qiáng)PDT功效的智能納米粒子，例如將光敏劑通過化學(xué)共軛或物理包封摻入各種納米顆粒中：聚合物納米結(jié)構(gòu)[35]，蛋白質(zhì)構(gòu)建體[36]和無機(jī)納米粒子[37]，并且通過修飾腫瘤靶向配體，實現(xiàn)高選擇性殺傷。同時，使用納米粒子可以提高光敏劑的親水性和光化學(xué)穩(wěn)定性，這有助于提高體內(nèi)運輸效率和腫瘤細(xì)胞內(nèi)PDT功效，與光敏劑結(jié)合的一些納米顆粒（金納米顆粒，量子點，上轉(zhuǎn)換納米顆粒），不僅作為藥物載體，而且作為能夠?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)移到附著的光敏劑的初級光吸收劑，從而間接激活光敏劑[38]。研究表明光熱吸收劑可以轉(zhuǎn)換NIR區(qū)域的光能（700～950 nm） 進(jìn)行有效的熱療以傷害腫瘤[39]，這種精準(zhǔn)定位在腫瘤部位的高熱可進(jìn)行很好的治療而不影響鄰近的正常組織，從而大大提高治療功效，減少不良反應(yīng)。還有一些類型的納米顆粒同時具有光動力學(xué)和光熱效應(yīng)，可將PDT和PTT組合用于同步光誘導(dǎo)進(jìn)行細(xì)胞殺傷[40]。有研究表明，輕度PTT效應(yīng)能夠增加細(xì)胞內(nèi)PS濃度并減輕腫瘤缺氧，故PTT的組合可以大大提高PDT效果，然后產(chǎn)生PTT協(xié)同PDT治療[41]。此外，這些納米顆粒大多數(shù)可用作熒光成像劑，從而使其在圖像引導(dǎo)治療和治療監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。綜上所述，多功能光響應(yīng)性納米粒子在提高抗癌功效方面具有巨大的潛力，同時可將癌癥光療的不良反應(yīng)降低。

1.2.2 磁響應(yīng)性策略 磁響應(yīng)性策略廣泛應(yīng)用于腫瘤靶向和成像[5]。與內(nèi)源性刺激響應(yīng)策略相比，它可以通過MRI進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，實現(xiàn)靶向組織的實時給藥[42]。磁響應(yīng)策略常使用超順磁氧化鐵納米粒（superparamagnetic iron oxide nanoparticles,SPIONs），一般由氧化鐵、四氧化三鐵及其他鐵氧體組成，具有粒徑小和毒性低等特點[43]。但SPIONs呈疏水性，易發(fā)生聚集，需在其表面修飾PEG，PEI和聚乙烯醇等以增加生物相容性[44]。Sun等[45]利用纖維連接蛋白（EDB-FN）特異性肽（APTEDB）共軛熱交聯(lián)超順磁性氧化鐵納米顆粒（APTEDB-TCL-SPIONs）負(fù)載多柔比星（Dox）形成Dox@APTEDB-TCL-SPIONs。通過磁共振成像指導(dǎo)藥物傳遞到乳腺癌干細(xì)胞樣細(xì)胞，與非靶向的Dox @ TCL-SPION相比，Dox @APTEDB-TCL-SPION能夠更有效地將Dox遞送至腫瘤，對BCSC腫瘤產(chǎn)生更顯著的生長抑制。Shevtsov等[46]設(shè)計出雜化殼聚糖-葡聚糖超順磁性納米粒子（CS-DX-SPIONs）。與葡聚糖包被的顆粒相比，基于殼聚糖的納米顆粒在U87，C6神經(jīng)膠質(zhì)瘤和HeLa細(xì)胞中的內(nèi)化增強(qiáng)。納米顆粒的保留使腫瘤圖像對比度顯著增強(qiáng)，同時T2值顯著下降，證明磁性納米載體不僅可以幫助將化學(xué)治療劑靶向遞送到腫瘤部位，而且還可以使用磁共振成像（MRI）為診斷提供對比增強(qiáng)特性。此外，SPIONs可以被激發(fā)產(chǎn)生熱量直接殺傷腫瘤細(xì)胞[47]。Tay等[48]構(gòu)建了一個磁成像（MPI）診治平臺，其中定量MPI圖像使磁熱療可定位到任意選擇的區(qū)域，最大限度地減少了對腫瘤附近（1～2 cm距離）的組織損傷。目前磁響應(yīng)性策略的主要問題仍是難以避免細(xì)胞毒性[49]。隨著技術(shù)的發(fā)展，使用生物安全磁響應(yīng)性策略納米材料達(dá)到對腫瘤細(xì)胞進(jìn)行體外遠(yuǎn)程精準(zhǔn)治療有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 多重刺激響應(yīng)策略

如前所述，各種單一刺激響應(yīng)性存在不同的難以克服的缺點。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，研究人員把不同的刺激響應(yīng)策略組合形成多重刺激響應(yīng)策略以更智能，精準(zhǔn)的控制藥物的靶向和釋放。Lin等[50]制備了一種PH和GSH雙響應(yīng)性納米載體用于共同遞送多西紫杉醇（DTX）和RUB（一種靶向腫瘤干細(xì)胞的miR-34激活劑）治療紫杉烷抗性（TXR）前列腺癌。通過將DTX包封到pH響應(yīng)二異丙基氨基乙醇（DIPAE）和GSH響應(yīng)性RUB前藥綴合的膠束中來制備裝載DTX的P-RUB（DTX /P-RUB）膠束。自組裝DTX/P-RUB膠束在體外表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，并且可以通過增強(qiáng)的滲透性和保留（EPR）效應(yīng)有效地靶向腫瘤。在腫瘤細(xì)胞發(fā)揮內(nèi)吞作用后，由于DIPAE的質(zhì)子化和GSH誘導(dǎo)的二硫鍵裂解，導(dǎo)致快速釋放裝載的DTX和RUB。此時RUB上調(diào)細(xì)胞內(nèi)miR-34a，影響其參與的化學(xué)抗性蛋白質(zhì)的表達(dá)，從而使腫瘤細(xì)胞對DTX敏感并進(jìn)一步抑制TXR腫瘤進(jìn)展。利用這種雙重響應(yīng)策略，可以成功遞送其他疏水性藥物用于癌癥治療。Liu等[51]開發(fā)了一種高效的近紅外和pH響應(yīng)羧甲基殼聚糖-功能化還原氧化石墨烯/醛功能化聚（乙二醇）（CMC-rGO/CHO-PEG）水凝膠，CMC-rGO復(fù)合物的嵌入效應(yīng)改善了3D水凝膠中的rGO分布，有助于提高CMC-rGO/CHO-PEG水凝膠的光熱性能，其攜帶DOX可以在酸性環(huán)境（pH=6.5）下有效釋放。因此，這種rGO雜化的PEG水凝膠作為用于組合化學(xué)光熱療法的新型藥物釋放平臺具有巨大潛力。此外，光-磁雙響應(yīng)[52]、磁-氧化還原雙響應(yīng)[53]、氧化還原-ROS雙響應(yīng)[54]等多種多刺激響應(yīng)策略也被開發(fā)出來。綜上所述，通過將不同刺激響應(yīng)策略結(jié)合后，可克服前文提到的單一刺激響應(yīng)存在的缺點，起到互幫互補(bǔ)的作用，這種更加先進(jìn)、智能、一體化的策略是腫瘤治療的發(fā)展方向，具有巨大的潛能。

3 總結(jié)和展望

隨著納米技術(shù)和高分子材料技術(shù)的不斷發(fā)展，基于納米材料的刺激響應(yīng)策略在腫瘤治療的研究也更加深入。人們利用pH、氧化還原、ROS和酶等腫瘤微環(huán)境刺激響應(yīng)以及外部的光、磁等物理響應(yīng)開發(fā)了更加精準(zhǔn)，先進(jìn)、多功能的刺激響應(yīng)策略，直接靶向腫瘤組織釋放運載藥物，提高了給藥效率，減少了化療藥物對正常組織細(xì)胞的毒副作用，從而增強(qiáng)對腫瘤的治療效果。但基于納米材料的刺激響應(yīng)策略在臨床的應(yīng)用中仍有許多亟待解決的問題如：（1）如何全面評估納米顆粒中成分的免疫原性、最大耐受劑量和長期毒性等安全問題；（2）如何避免納米載體在血液循環(huán)中過早釋放藥物以及到達(dá)靶向組織后釋放藥物緩慢的問題；（3）如何提高制作工藝設(shè)計出高質(zhì)量、可復(fù)制、大規(guī)模的納米材料應(yīng)用生產(chǎn)等?？傊瑢τ谀[瘤治療，我們必須合理優(yōu)化納米粒子的各種物理化學(xué)特征（包括大小、形態(tài)、電荷、擴(kuò)散、穩(wěn)定性、表面功能化和納米生物體相互作用）以及平衡復(fù)雜的級聯(lián)遞送（包括血液循環(huán)、血管外滲、腫瘤穿透、細(xì)胞攝取、細(xì)胞內(nèi)易位和隨后在亞細(xì)胞靶位點釋放）。相信隨著腫瘤學(xué)和納米醫(yī)學(xué)的迅速發(fā)展，基礎(chǔ)實驗和臨床研究的不斷結(jié)合以及各個領(lǐng)域研究者的協(xié)力研究，以上這些問題都可以迎刃而解，成功將治療腫瘤的納米刺激響應(yīng)策略應(yīng)用于臨床。