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    銅基納米材料在增強(qiáng)化學(xué)動力學(xué)治療上的應(yīng)用研究

    2021-09-23 00:50:47程玉瑩周學(xué)素閆歌田啟威楊仕平
    關(guān)鍵詞:芬頓

    程玉瑩 周學(xué)素 閆歌 田啟威 楊仕平

    摘 ?要: 和傳統(tǒng)治療相比,化學(xué)動力學(xué)治療(CDT)被認(rèn)為是一種低副作用且無創(chuàng)的治療方法,在眾多的治療方法中脫穎而出.CDT通過金屬離子介導(dǎo)的芬頓反應(yīng)或類芬頓反應(yīng),將腫瘤中過表達(dá)的過氧化氫(H2O2)分解為劇毒的羥基自由基(·OH),從而殺死腫瘤細(xì)胞.近年來,銅基納米材料在CDT中蓬勃發(fā)展,極大地提高了CDT的效率.因此,基于銅基納米材料,歸納了通過調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境來增強(qiáng)CDT以及其他療法的協(xié)同治療,為開發(fā)新型的類芬頓試劑提供了思路借鑒.

    關(guān)鍵詞: 化學(xué)動力學(xué)治療(CDT); 芬頓/類芬頓反應(yīng); 銅基納米材料; 腫瘤微環(huán)境; 協(xié)同治療

    Abstract: Compared with traditional treatments, chemodynamic therapy (CDT) is considered as a non-invasive treatment method with low side effects, which stands out among many treatment methods. CDT uses metal ion-mediated Fenton or Fenton-like reactions to decompose the highly expressed hydrogen peroxide (H2O2) in tumors into highly toxic hydroxyl radicals (·OH), thereby killing tumor cells.In recent years, copper-based nanomaterials have flourished in CDT, greatly improving the efficiency of CDT.Therefore, based on copper-based nanomaterials, this article summarizes the enhancement of CDT by modulating the tumor microenvironment and the synergistic treatment with other therapies, which provide a reference for the development of novel Fenton-like reagents.

    Key words: chemodynamic therapy(CDT); Fenton/Fenton-like reaction; copper-based nanomaterials; tumor microenvironment; synergistic therapy

    0 ?引言

    當(dāng)前,癌癥已嚴(yán)重威脅著世界各地人們的健康,嚴(yán)重影響著患者的生活質(zhì)量[1-3].癌癥傳統(tǒng)的治療方法包括手術(shù)、化學(xué)療法、放射療法等,這些方法會給患者帶來極大的痛苦,并且伴有不可避免的副作用[4-5].作為一種新型的治療方法,化學(xué)動力學(xué)治療(CDT)被認(rèn)為是一種副作用低的非侵入性治療方法[6].CDT通過金屬離子介導(dǎo)的芬頓或類芬頓反應(yīng)來催化腫瘤微環(huán)境(TME)中過表達(dá)的H2O2產(chǎn)生劇毒的羥基自由基(·OH),從而導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞凋亡或壞死[7-8].與其他治療方式不同,CDT具有以下優(yōu)點(diǎn):1) 不需要外部能量輸入;2) 可以被內(nèi)源性的刺激激活.最典型的CDT是亞鐵離子(Fe2+)介導(dǎo)的芬頓反應(yīng)[9],然而,由于強(qiáng)酸度(pH=3~4)和低催化效率,F(xiàn)e2+介導(dǎo)的CDT產(chǎn)生活性氧的效率較低[10].因此,迫切需要開發(fā)具有高效催化特性的化學(xué)動力學(xué)試劑.相對而言,Cu+催化的類芬頓反應(yīng)表現(xiàn)出比Fe2+更好的動力學(xué)效果[11].據(jù)報(bào)道,Cu+催化的類芬頓反應(yīng)具有相當(dāng)大的反應(yīng)速率,即使在中性環(huán)境中,也可以催化H2O2產(chǎn)生的羥基自由基,其催化作用比Fe2+介導(dǎo)的芬頓反應(yīng)強(qiáng)160倍[12].此外,Cu+/Cu2+還原電位低,因此H2O2介導(dǎo)的Cu+/Cu2+比Fe2+/Fe3+循環(huán)更加簡單[13].

    盡管前景樂觀,但基于銅基納米材料的CDT在提高治療效率方面仍然面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn).雖然腫瘤細(xì)胞中的H2O2水平高表達(dá)(1×10-4~1×10-3 mol·L-1)[14-15],但不能持續(xù)地生成羥基自由基,達(dá)到令人滿意的化學(xué)動力學(xué)效果.此外,腫瘤中具有高濃度的谷胱甘肽(GSH)(1×10-2 mol·L-1),作為細(xì)胞中重要的抗氧化劑,GSH會清除羥基自由基,從而削弱治療效果[16].因此,本文作者歸納了基于銅基納米材料調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境從而增強(qiáng)CDT以及其他療法增強(qiáng)的CDT,為開發(fā)新穎的化學(xué)動力學(xué)試劑提供了思路.

    1 ?調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境增強(qiáng)的CDT

    盡管相對于其他治療手段而言,CDT具有獨(dú)特的優(yōu)勢,但仍然存在一些缺點(diǎn),限制了其在臨床上的應(yīng)用[17-19].近幾年來,研究者們提出通過調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境來增強(qiáng)化學(xué)動力學(xué)效果,包括降低腫瘤微環(huán)境的pH值,消耗腫瘤中過多的GSH,增加H2O2含量.然而,由于銅介導(dǎo)的類芬頓反應(yīng)即使在弱酸性條件下仍能發(fā)生.基于此,接下來主要對消耗腫瘤中高水平的GSH和增加H2O2的含量展開敘述.

    1.1 降低谷胱甘肽的濃度

    作為一種細(xì)胞內(nèi)的抗氧化劑,GSH具有清除羥基自由基的能力,腫瘤細(xì)胞中高濃度的GSH降低了化學(xué)動力學(xué)的催化效果[20].因此,降低腫瘤微環(huán)境中GSH的水平有助于提高化學(xué)動力學(xué)效果.基于銅離子與含有巰基的配體具有良好的配位作用,如圖1所示,MA等[12]合成了自組裝銅氨基酸硫醇鹽納米粒子,構(gòu)建了含銅納米制劑介導(dǎo)的化學(xué)動力學(xué)納米平臺.

    當(dāng)納米粒子被癌細(xì)胞內(nèi)吞后,會和腫瘤細(xì)胞中過表達(dá)的GSH發(fā)生氧化還原反應(yīng),GSH會將Cu2+還原為Cu+.然后,Cu+和H2O2反應(yīng)生成羥基自由基,從而引起腫瘤細(xì)胞凋亡.整個(gè)反應(yīng)的機(jī)制如下:

    由于腫瘤細(xì)胞中存在高濃度的GSH和H2O2,依次引發(fā)氧化還原反應(yīng),還原型GSH將Cu2+還原成Cu+,同時(shí)生成氧化型的GSH(GSSG).體內(nèi)和體外的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明銅-氨基酸硫醇鹽納米粒子(Cu-Cy NPs)具有很強(qiáng)的CDT效果,能夠有效地抑制耐藥性的乳腺癌,同時(shí)沒有明顯的系統(tǒng)毒性.作為一種新型的金屬有機(jī)硫醇類,Cu-Cy NPs具有很強(qiáng)的特異性,為癌癥治療提供了新的可能.

    1.2 增加過氧化氫的含量

    腫瘤中內(nèi)源性的過氧化氫水平不足(1×10-4~1×10-3 mol·L-1)是限制化學(xué)動力學(xué)效率的另一巨大挑戰(zhàn)[14].因此,許多研究者致力于設(shè)計(jì)出能夠自供應(yīng)H2O2的化學(xué)動力學(xué)試劑,這為癌癥治療開辟了新的方法.作為首個(gè)被報(bào)道的芬頓型金屬過氧化物納米材料,LIN等[18]用簡易的方法制備了過氧化銅(CP)納米點(diǎn),在OH-的輔助下由H2O2與Cu2+ 經(jīng)配位合成,這是一種通過自給H2O2從而增強(qiáng)CDT的簡便策略,如圖2(a)所示.

    合成的CP納米點(diǎn)粒徑?。s為5 nm),小粒徑使它們能夠充分利用增強(qiáng)的滲透性和保留效果,如圖2(b)所示.在被癌細(xì)胞內(nèi)化后,pH敏感的CP納米點(diǎn)在酸性的內(nèi)膜/溶酶體中被分解,同時(shí)釋放出過氧化氫和Cu2+.反應(yīng)的機(jī)制如下所示:

    隨后發(fā)生類芬頓反應(yīng),生成具有高毒性的·OH,產(chǎn)生的·OH通過脂質(zhì)過氧化作用誘導(dǎo)溶酶體膜通透化,進(jìn)一步導(dǎo)致癌細(xì)胞死亡.在整個(gè)治療過程中小鼠體重沒有發(fā)生明顯變化,如圖2(c)所示,說明材料具有良好的生物相容性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:治療組在很大程度上抑制了腫瘤,這歸因于材料在腫瘤中具有較高的積累,以及發(fā)生類芬頓反應(yīng)產(chǎn)生高毒性的羥基自由基,從而殺死腫瘤細(xì)胞.這項(xiàng)研究首次合成了芬頓型的金屬過氧化物,為設(shè)計(jì)自供應(yīng)H2O2 的化學(xué)動力學(xué)納米試劑提供了較好的范例.

    2 ?基于銅基納米材料的其他療法增強(qiáng)的CDT

    雖然CDT是一種具有低副作用且無創(chuàng)的治療方法,具有良好的癌癥治療效果,但是受到腫瘤微環(huán)境的復(fù)雜性和異質(zhì)性影響,化學(xué)動力學(xué)的效果在很大程度上會被抑制[21-23].因此,越來越多的研究試圖把CDT和其他治療方法結(jié)合在一起,從而達(dá)到增強(qiáng)的CDT效果.在未來,研究人員將研發(fā)圍繞基于銅基納米材料的其他療法增強(qiáng)的CDT,這種化學(xué)動力學(xué)指導(dǎo)的協(xié)同治療將會在腫瘤精確治療醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中發(fā)揮更重要的作用.

    2.1 CDT協(xié)同化學(xué)療法

    化學(xué)療法是一種傳統(tǒng)的癌癥治療方法,然而,長期的耐藥性和不可避免的副作用限制了其在臨床上的應(yīng)用[24].隨著納米醫(yī)學(xué)的迅速發(fā)展,現(xiàn)在可以將CDT和化學(xué)治療結(jié)合起來,在提高CDT效果的同時(shí)降低藥物的副作用.PENG等[25]通過Cu2+和雙硫侖(DSF)的原位反應(yīng)并負(fù)載二乙基二硫代氨基甲酸銅(II)(Cu(DDC)2),成功合成了穩(wěn)定的配位金屬聚合物納米粒子,如圖3所示.

    Cu2+和聚乙二醇-b-聚碳酸酯(PEC)側(cè)鏈中的羧基發(fā)生配位作用,提供類似核交聯(lián)的結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了配位聚合物的穩(wěn)定性.制備的納米粒子具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):1) 可以通過調(diào)節(jié)Cu2+,DSF,PEC的進(jìn)料比,改變Cu(DDC)2的載藥量和納米材料的特性;2) 在中性或微酸性條件下具有良好的穩(wěn)定性;3) 當(dāng)被腫瘤細(xì)胞內(nèi)化后,釋放Cu(DDC)2用于化學(xué)治療和Cu2+介導(dǎo)的CDT.這種基于金屬配位聚合物的納米材料為化療和CDT的協(xié)同治療在腫瘤治療中的應(yīng)用提供了新的見解.

    2.2 光熱增強(qiáng)的CDT

    光熱治療是利用光熱劑吸收近紅外光能,將其轉(zhuǎn)化為熱能,從而治療腫瘤的新興手段,由于其具有高選擇性和低毒性,且對正常組織沒有影響,受到廣泛關(guān)注[26-28].根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[29],化學(xué)動力學(xué)可以通過提高腫瘤部位的溫度來進(jìn)一步增強(qiáng)治療效果,這為提高化學(xué)動力學(xué)在腫瘤治療中的應(yīng)用開辟了新的道路.硫化銅納米顆粒具有良好的光熱效果,被廣泛用作光熱試劑.WANG等[30]合成了具有空心結(jié)構(gòu)的硫化銅,和實(shí)心的硫化銅相比,空心硫化銅納米粒子的比表面積是實(shí)心硫化銅納米粒子比表面積的1.7倍,這意味著納米粒子具有更多的反應(yīng)活性位點(diǎn),大大提高了類芬頓反應(yīng)的催化效果.同時(shí),硫化銅具有良好的光熱效果,進(jìn)一步促進(jìn)了羥基自由基的生成,從而增強(qiáng)了化學(xué)動力學(xué)反應(yīng)效率.

    如圖4(a)所示,將材料尾靜脈注射到小鼠體內(nèi),用808 nm的激光對小鼠進(jìn)行照射,進(jìn)而進(jìn)行光熱治療;同時(shí),材料還可以與腫瘤中高表達(dá)的H2O2發(fā)生化學(xué)動力學(xué)反應(yīng),生成·OH,光熱治療提供的熱源增強(qiáng)了類芬頓反應(yīng)的催化作用,進(jìn)一步增強(qiáng)了腫瘤的治療效果.如圖4(b)所示,材料+激光(laser)這組腫瘤沒有發(fā)生明顯的增殖,這表明,CDT和光熱治療協(xié)同治療具有杰出的癌癥治療效果,能夠完全消滅腫瘤,如圖4(c)所示.Cu9S8納米粒子可以用作化學(xué)動力學(xué)試劑,催化腫瘤中的H2O2產(chǎn)生羥基自由基;另一方面,Cu9S8納米粒子又可以作為光熱試劑,催化提高Cu+介導(dǎo)的CDT效果.單純的CDT很難達(dá)到預(yù)期的癌癥治療效果,而光熱治療和CDT的協(xié)同治療對腫瘤的治療起著顯著的增強(qiáng)效果,這是由于光熱治療提供的熱源增強(qiáng)了類芬頓反應(yīng)的催化作用.這種將光熱治療、CDT和原位自生成核磁共振成像結(jié)合在一起的多模態(tài)影像指導(dǎo)的協(xié)同治療,為開發(fā)更新型的類芬頓試劑指明了道路.因此,將光熱治療和CDT結(jié)合在一起的協(xié)同治療有望成為提高CDT效果的良好策略.

    2.3 CDT協(xié)同聲動力治療

    聲動力治療是一種有效的無創(chuàng)腫瘤治療方法,通過超聲波激活聲敏劑以產(chǎn)生活性氧,從而殺死腫瘤細(xì)胞[31].聲動力治療對深層腫瘤具有良好的治療作用[32],因此它在微創(chuàng)腫瘤治療中具有廣闊前景.研究表明:在超聲輻射下可以增強(qiáng)類芬頓反應(yīng)的活性,從而提高治療效率[33-34].如圖5所示,ZHONG等[35]采用一鍋水熱法合成了均勻的PtCu3納米籠,用于CDT與聲動力治療的協(xié)同治療.

    PtCu3納米籠不僅可以作為類辣根過氧化物酶,在酸性條件下催化H2O2分解成·OH,而且可以作為類谷胱甘肽過氧化物酶,在氧化分子加速GSH消耗中起重要作用,進(jìn)一步削弱了GSH清除腫瘤細(xì)胞中活性氧(ROS)的能力.此外,基于PtCu3在近紅外有較強(qiáng)的吸收和強(qiáng)大的X射線衰減能力,可以用于光聲/計(jì)算機(jī)斷層掃描雙模態(tài)成像.體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)的結(jié)果均表明CDT和聲動力治療的協(xié)同作用對腫瘤具有顯著的治療作用,并且沒有發(fā)現(xiàn)明顯的全身副作用.CDT協(xié)同聲動力治療擴(kuò)大了納米材料在深部腫瘤中的擴(kuò)散,增加了ROS的產(chǎn)生,并有助于提高CDT在腫瘤中的治療效率.

    3 ?結(jié)論與展望

    近年來,銅基納米材料在CDT中的應(yīng)用引起了廣泛的研究興趣,并且在臨床上具有廣闊的應(yīng)用前景.銅基納米材料作為類芬頓試劑在CDT中蓬勃發(fā)展,本文作者概述了銅基納米材料通過調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境或與其他治療手段相結(jié)合,展現(xiàn)出良好的腫瘤治療效果.然而,到目前為止,銅基納米材料用于CDT仍處于起步階段,依然存在著一些挑戰(zhàn),例如腫瘤中的H2O2不足以及過多的GSH等都限制了銅介導(dǎo)的CDT效果.因此,為了進(jìn)一步擴(kuò)大化學(xué)動力學(xué)的治療效果,增強(qiáng)抗腫瘤作用,亟需開發(fā)新型、高效、有良好生物相容性的化學(xué)動力學(xué)試劑,合理地構(gòu)建多功能的銅基納米治療平臺.隨著納米醫(yī)學(xué)的蓬勃發(fā)展,銅基納米材料在腫瘤治療方面將具有更廣闊的應(yīng)用前景.

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    (責(zé)任編輯:郁慧)

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