基于二氧化硅納米粒子的抗腫瘤藥物遞送系統(tǒng)研究進展

鄭偉斌，張博雅，殷曉辰,2，王鑫，趙勤儉

0 引言

近年來癌癥發(fā)病率不斷攀升，目前的化療、放療和手術等治療手段存在不良反應多、易復發(fā)和多藥耐藥性強等局限，因此開發(fā)新的治療手段十分緊要。大量研究[1-3]表明基于無機納米粒子的納米藥物載體在腫瘤治療領域具有巨大潛力，其中二氧化硅納米粒子（Silica nanoparticle,SiO2NPs）因其獨特的物理化學性質引起了研究人員的廣泛關注。與其他納米粒子相比，SiO2NPs的孔隙結構有序可調[4]，比表面積大，表面功能基團易于修飾[5]，這些特性使SiO2NPs能夠高效負載藥物，并且實現藥物的靶向遞送與可控釋放，成為新型納米抗癌藥物載體的優(yōu)良候選者。

近年來，SiO2NPs的設計和合成迅速發(fā)展，在抗癌藥物負載、靶向遞送、生物成像方面的應用研究不斷深入。FDA認為：“基于二氧化硅納米材料普遍是安全的”[3]。被稱為“康奈爾點”（C點）的SiO2NPs已經通過FDA批準用于人體臨床試驗。本文將對SiO2NPs的制備及其在腫瘤醫(yī)學方面的應用，特別是抗癌藥物遞送和生物成像領域的研究進展進行綜述。

1 SiO2 NPs的制備

20世紀90年代，SiO2NPs首次被合成，隨著納米顆粒合成技術的不斷發(fā)展，目前已經能夠合成球形、棒狀、片層狀等不同形狀的SiO2NPs，其中球形SiO2NPs最具潛力，應用研究最為深入廣泛。球形SiO2NPs包括實心球形、中空球形以及具有核殼結構的SiO2NPs。

實心SiO2NPs通常用溶膠凝膠法制備，利用NaOH等刻蝕劑對SiO2NPs進行刻蝕可形成實心多孔氧化硅納米顆粒，其納米孔是裝載抗癌藥物的良好載體。

中空SiO2NPs的空心結構能夠更大限度地提高藥物裝載量，因此中空SiO2NPs深受研究人員的青睞。模板法是制備中空SiO2NPs的最常用方法。該法是以聚合物、無機物、金屬復合物或生物體作為模板，將氧化硅材料通過組裝、吸附、沉積以及溶膠-凝膠等方法包覆在模板表面，再通過有機溶劑溶解、高溫煅燒等方法將模板去除，得到中空SiO2NPs[6]。

核殼結構SiO2NPs由外層氧化硅殼和內部物質組成，它的制備策略是先制備內部物質，然后在其外部包覆一層氧化硅外殼，形成核殼結構。Chen等[7]使用“基于結構差異的選擇性蝕刻”策略成功制備出內核和外殼均為氧化硅材料的核殼結構SiO2NPs。FDA已批準核殼結構SiO2NPs的C點用于臨床試驗[8]。

2 SiO2 NPs用于藥物遞送系統(tǒng)

SiO2NPs穩(wěn)定的物理化學性質、高負載能力，以及獨特的光、電、磁特性，使它成為高效的藥物遞送載體，它將抗腫瘤藥物靶向遞送至腫瘤組織后，以刺激響應的方式釋放藥物，達到靶向遞送藥物、控制藥物釋放的目的，改善癌癥治療效果。

2.1 SiO2 NPs用于藥物靶向遞送

不具備靶向功能的傳統(tǒng)抗腫瘤藥物，無法有效提高腫瘤部位的藥物濃度，所以研究者一直致力于開發(fā)出能夠靶向腫瘤部位、提高藥物作用效率的藥物。目前常用的腫瘤靶向治療策略分為被動靶向與主動靶向兩類。其中被動靶向是基于腫瘤組織的滲透性和保留效應（enhanced permeability and retention,EPR）[9]，主動靶向是基于在腫瘤細胞上過表達的受體，利用受體和配體的特異性結合實現靶向。

SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)的被動靶向功能基于EPR效應。一方面，SiO2NPs能從腫瘤組織中通透性增強的血管里滲透出來，而在正常血管中不發(fā)生滲透；另一方面，腫瘤組織中淋巴引流效率降低，SiO2NPs在腫瘤組織中的停留時間增長。利用EPR效應，SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)能夠一定程度上將藥物靶向遞送至腫瘤組織，而想獲得更高的特異性，需要依靠主動靶向的方式。

主動靶向需要對SiO2NPs進行特殊設計。經過特定分子官能化的SiO2NPs能夠特異性結合腫瘤組織中過度表達的分子，實現主動靶向功能。目前，已發(fā)現小分子、肽、抗體和抗體片段以及核酸適體等多種分子可以用于修飾SiO2NPs，從而實現主動靶向。根據靶向受體的不同，可以將SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)的主動靶向策略分為腫瘤細胞靶向和血管靶向。

腫瘤細胞靶向是最常用的策略，官能化的SiO2NPs對腫瘤細胞的親和力增強，可將負載的藥物靶向遞送至腫瘤細胞。目前已經發(fā)現小分子（如葉酸）、核酸適體、抗體、多糖等物質修飾的SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)能夠特異性靶向癌細胞，提高腫瘤組織內的藥物濃度。圖1展示的是腫瘤細胞靶向策略的簡單示意圖。近日，Fang等[10]使用透明質酸修飾的SiO2NPs可識別胃癌細胞上過表達的CD44，介導特異性腫瘤靶向，遞送治療藥物多柔比星（DOX）和槲皮素，提高了腫瘤細胞對藥物的攝取。Zhang等[11]將SiO2NPs表面綴合西妥昔單抗以靶向在多種乳腺癌中過表達的表皮生長因子受體。部分用于基因治療的抗癌藥物需進一步靶向至腫瘤細胞核內才能順利發(fā)揮抗腫瘤作用。Wu等使用TAT（核定位信號肽）[12]修飾SiO2NPs，該SiO2NPs能夠順利穿過細胞核膜并將基因藥物遞送到細胞核中，達到基因治療的目的。

除腫瘤細胞靶向外，另一種策略是腫瘤血管靶向。由于大多數類型的腫瘤血管系統(tǒng)具備相似的性質，因此血管靶向的SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)通?？蓱糜诖蠖鄶殿愋偷哪[瘤?；谘馨邢虻腟iO2NPs藥物遞送系統(tǒng)將抗腫瘤藥物靶向遞送至腫瘤血管內皮細胞，使其死亡，從而切斷腫瘤組織的氧氣和營養(yǎng)物質的供應。目前發(fā)現精氨酸-甘氨酸-天門冬氨酸肽、CD105抗體、血管內皮生長因子121等可以特異性結合腫瘤血管系統(tǒng)上過表達的分子，經它們修飾的SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)能夠明顯增強抗腫瘤效果。

圖1 SiO2 NPs藥物遞送系統(tǒng)腫瘤細胞靶向模式圖Figure 1 Tumor cell targeting pattern of Silica nanoparticle (SiO2 NPs) drug delivery system

具有主動靶向功能的SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)在被動靶向的基礎上進一步提高了藥物靶向腫瘤的特異性。表1列舉了不同主動靶向策略的部分可用修飾物。但人體內環(huán)境的復雜性使SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)的具體作用過程尚不清晰，有研究表明SiO2NPs在肺、肝和腎等器官中有積累現象[13]，目前的SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)還需進一步改造，使它們能夠躲開人體器官的“抓捕”。

2.2 SiO2 NPs用于藥物受控釋放

隨著SiO2NPs在抗腫瘤藥物載體領域研究的不斷深入，SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)在藥物可控釋放方面的潛力被越來越多研究者發(fā)現。利用特定物質對SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)的納米孔進行“封鎖”，使藥物在到達腫瘤組織前無釋放或低釋放，到達腫瘤組織后，SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)響應相應刺激，“鎖”被打開，才實現藥物釋放。常見的刺激方式主要有內源性刺激與外源性刺激。

2.2.1 基于內源性刺激的SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng) 響應內源性刺激的SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)主要是利用腫瘤組織與正常組織的性質差異，如pH值、氧化還原條件和酶表達量。

腫瘤組織的pH值比正常組織中的更小[29]，異常的pH值為pH敏感SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)提供信號，觸發(fā)藥物釋放。pH響應性SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)常用聚電解質、pH敏感的化學鍵（如乙縮醛鍵、腙鍵等）和小分子（如CaCO3）作為阻斷材料包封納米孔。在酸性條件下阻斷材料發(fā)生裂解或溶解，導致納米孔打開，釋放藥物。最近，Samykutty等[30]使用殼聚糖包封SiO2NPs，開發(fā)了pH響應的藥物遞送系統(tǒng)，并在小鼠卵巢癌模型中發(fā)現該系統(tǒng)能使腫瘤內藥物濃度顯著增高，改善腫瘤治療效果。

氧化還原響應SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)通常使用對氧化還原條件敏感的二硫鍵包封納米孔。SiO2NPs藥物載體達到腫瘤組織后二硫鍵被腫瘤組織中明顯高于正常組織的谷胱甘肽、膠原蛋白、細胞色素C、肝素等氧化還原物質裂解[31]，納米孔打開，藥物釋放；而在未到達腫瘤組織前二硫鍵將藥物包封于SiO2NPs內，阻止藥物過早釋放。

表1 SiO2 NPs藥物遞送系統(tǒng)的靶向修飾物Table 1 Targeting modification of SiO2 NPs drug delivery system

基于酶響應的SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)使用特定化學鍵或序列包封納米孔，SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)到達腫瘤組織后，這些化學鍵或序列被腫瘤組織中高度表達的酶特異性水解，藥物從納米孔中釋放。目前已發(fā)現基質金屬蛋白酶、組織蛋白酶B、β-D-半乳糖苷酶、彈性蛋白酶、胰蛋白酶等在腫瘤組織中的表達量較正常組織高。Liu等[32]使用對基質金屬蛋白酶敏感的底物肽包封SiO2NPs，成功構建了基于SiO2NPs的基質金屬蛋白酶響應藥物遞送系統(tǒng)，并在小鼠體內實驗中證明該SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)可有效抑制腫瘤生長。

內源性刺激響應類SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)利用腫瘤組織本身特有性質來實現藥物的受控釋放，而人群的生理條件具有差異，內源性環(huán)境變化程度不盡相同，故該類SiO2NPs-藥物遞送系統(tǒng)的效果存在個體差異。

2.2.2 基于外源性刺激的SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng) 與內源性刺激不同，外源性刺激響應類SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)是利用腫瘤組織外部環(huán)境的變化來發(fā)揮作用，受個體差異的影響較小。外源性刺激主要包括光、溫度、磁場、超聲波以及電場。

光響應SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)使用光敏分子封閉SiO2NPs納米孔，經特定波長的光（例如紫外線、可見光或近紅外光）照射后，光敏分子發(fā)生構象轉變，納米孔打開，從而觸發(fā)藥物釋放。常用的光敏分子有偶氮苯、香豆素等。Lu等[33]開發(fā)了一種涂覆硫化鉍的SiO2NPs，它對近紅外光高度敏感，并在小鼠實驗中證明可有效減少藥物在正常組織中的釋放。

溫度響應性SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)是研究最多的刺激響應策略之一。該類藥物遞送系統(tǒng)通常由SiO2NPs和表面的熱響應材料涂層組成，藥物釋放依賴于周圍溫度的變化。有研究人員[34]用雙鏈DNA包封SiO2NPs納米孔，雙鏈DNA具有獨特的解鏈溫度，在特定溫度下發(fā)生解鏈，從而打開納米孔并釋放藥物。此外，聚N-異丙基丙烯酰胺也是溫度響應性SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)常用的包封材料[35-37]。

磁響應SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)是將SiO2NPs與磁性材料結合，在外部磁場的驅動下，該藥物遞送系統(tǒng)可以精確地將藥物在目標位置釋放。Baeza等[38]將超順磁性Fe3O4納米顆粒嵌入SiO2NPs中，再使用熱響應聚合物異丙基丙烯酰胺包封SiO2NPs，組成一種新型氧化硅納米載體，在磁場的作用下，該氧化硅納米粒子可以產生熱能，誘導熱響應材料的構象變化，從而實現藥物釋放。這種新型SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)聯合應用磁響應與熱響應，建立了控制藥物釋放的雙重關卡，這種雙響應藥物遞送載體為SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的思路。

多刺激響應方法可以結合各個單一刺激響應策略的優(yōu)點，形成藥物釋放的多道關卡，只有在各個響應均被觸發(fā)時藥物才可迅速釋放，增強對藥物釋放過程的控制。近幾年，越來越多的研究者利用多重刺激響應來控制藥物釋放。Jin等[39]設計制造了一種具有三層核殼結構的氧化硅納米載體，第一層由酶響應物質透明質酸組成，用于響應腫瘤組織中過度表達的酶；第二層由氧化還原響應物質二硫鍵組成，響應谷胱甘肽；第三層由pH響應的兩性粒離子表面組成。近年來，多重響應SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)已成為主要研究方向，目前已有pH響應與氧化還原響應、酶響應、溫度響應聯合使用，光響應與熱響應聯合等多重刺激響應SiO2NPs藥物遞送系統(tǒng)被報道。

3 SiO2 NPs用于生物成像

生物成像診斷是一種非侵入性的診斷方式，使用SiO2NPs將造影劑靶向遞送至腫瘤部位，對腫瘤的診斷及其預后意義重大[40]。SiO2NPs不僅能夠裝載造影劑，而且能提高造影劑的溶解度與穩(wěn)定性。同時，SiO2NPs綴合造影劑與靶向配體后可用于藥物定位、腫瘤診斷等。針對不同的成像模式，SiO2NPs可綴合不同的造影劑（氧化鐵、金納米顆粒、FITC、Cy5等染料）。此外，SiO2NPs負載不同種造影劑，可與磁共振[41]、正電子發(fā)射型計算機斷層顯像[42]、計算機斷層掃描[43]、近紅外光譜技術、熒光成像等不同的成像手段聯用，構建多功能載體系統(tǒng)，彌補單一成像模式的缺點，通過多模態(tài)生物成像，建立克服個體局限性的不同成像方式的組合，以達到不同的診斷、治療目的。近日，Sánchez等[15]成功將Fe3O4與金納米顆粒結合在SiO2NPs上，同時在納米孔中摻入熒光染料，得到的氧化硅納米粒子可以同時用于磁共振（Fe3O4）、計算機斷層掃描（金納米顆粒）和熒光成像（熒光染料），并且在纖維肉瘤小鼠模型中成功驗證了這種SiO2NPs的成像和載體功能。

康奈爾大學的研究人員合成了一種10納米以下的SiO2NPs，稱為康奈爾點或C點。C點使用聚乙二醇（PEG）綴合環(huán)狀精氨酸-甘氨酸-天門冬氨酸肽來提供靶向功能，嵌入熒光染料用于熒光檢測，并且可同時標記同位素用于正電子發(fā)射型計算機斷層掃描。臨床試驗結果表明，C點可以用于腫瘤相關生物成像，且注射入人體內的C點在2周內從體內清除，未發(fā)現對人體造成損傷。同時研究人員發(fā)現C點本身顯示出一定的抗腫瘤作用。進一步在小鼠上進行研究后，他們發(fā)現C點能夠靶向黑色素瘤，細胞并殺傷腫瘤細胞，猜測是由于C點可吸附鐵離子并將其送至腫瘤細胞，鐵離子內化至癌細胞后引起細胞死亡，從而起到抗腫瘤作用[44]。

4 討論與展望

自20世紀90年代SiO2NPs被首次合成以來，其已被廣泛用于生物醫(yī)學領域，它憑借獨特的物化特性，成為理想的抗癌藥物載體，可以用于抗癌藥物的靶向遞送和藥物的受控釋放。與此同時，SiO2NPs在克服腫瘤多藥耐藥性[45]和腫瘤光動力療法（photodynamic therapy,PDT）領域[46-47]具有潛力。Lin的小組[48]使用一種新型星形介孔SiO2NPs構建PDT的光敏劑，它可以靶向腫瘤部位，并在激發(fā)光下選擇性活化，引起腫瘤細胞的死亡，在腫瘤小鼠中成功抑制腫瘤生長，并表現出低毒性。

SiO2NPs已經在生物醫(yī)學領域顯示出巨大潛力，FDA已批準將10 nm以下的SiO2NPs——C點用于人體試驗。SiO2NPs能夠增加藥物載量，靶向遞送藥物，使其受控釋放，提高藥物作用效率，它在生物成像領域的應用將使腫瘤診斷方式更加豐富。因此，SiO2NPs的生物相容性也引發(fā)了研究者的關注。研究表明SiO2NPs的表面積、尺寸[49]或形狀[50]可能在它所引起的細胞毒性中起關鍵作用。Malvindi[51]、Chang[52]等的研究結果表明SiO2NPs在低劑量下呈現出低毒性。同時，針對SiO2NPs的消除與代謝開展的研究中，研究人員發(fā)現，經靜脈注射給藥后SiO2NPs主要積聚在肝、腎、膀胱，最終SiO2NPs通過腎臟途徑進行排泄[53]。

雖然SiO2NPs作為新興生物材料仍有許多問題有待解決，在應用于臨床之前還面臨著很多挑戰(zhàn)，還需對SiO2NPs與人體生理系統(tǒng)之間相互作用進行深入研究以及全面的體外篩選試驗，從而開發(fā)出更可靠、穩(wěn)定、可用于臨床的SiO2NPs。