激發(fā)性金屬納米療法抗腫瘤作用的研究進展△

陳啟晨，鄧弈樵，陳菁華，趙宏，蔡建強

國家癌癥中心/國家腫瘤臨床醫(yī)學研究中心/中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院腫瘤醫(yī)院肝膽外科，北京 100021

納米醫(yī)學是21 世紀新興的關鍵學科。納米醫(yī)學利用直徑1～100 nm 粒子的優(yōu)勢，將納米技術廣泛應用于多個生物醫(yī)學領域，主要包括疾病治療、診斷、分子成像以及再生醫(yī)學等。激發(fā)性金屬納米療法是納米醫(yī)學的一個重要領域，它結合了納米科學、生物科學、材料科學和藥學，在腫瘤治療領域發(fā)揮著開創(chuàng)性作用。激發(fā)性金屬納米療法的主要抗腫瘤形式包括化學動力治療（chemodynamic therapy，CDT）、光熱治療（photothermal therapy，PTT）、光動力治療（photodynamic therapy，PDT）、磁熱治療（magnetic hyperthermia，MHT）、聯合免疫治療等。本文就激發(fā)性金屬納米療法在腫瘤治療中的研究進展展開綜述。

1 激發(fā)性金屬納米療法的機制

激發(fā)性金屬納米療法基于金屬納米粒子（nanoscale metallic nanoparticle，NMN）與激發(fā)分子的相互作用。NMN 通過被動靶向（高通透效應、高滯留效應和滲漏血管效應）和主動靶向（表面配體功能化）在腫瘤內積聚，在激發(fā)分子的刺激下，NMN發(fā)揮抗腫瘤作用。

NMN 的特性主要包括：①高穩(wěn)定性。由于生物液體的高離子強度，導致脂類、蛋白質和聚合物納米顆粒的不穩(wěn)定與聚集。NMN 由于其較低的團聚傾向和易修飾的表面功能化，可以克服在不同生物環(huán)境中的穩(wěn)定性問題。②大小及空間結構的可調節(jié)性。NMN 可根據生物醫(yī)學應用的要求進行粒子大小、空間結構等方面的調整（如納米球、納米棒和納米三角形等），NMN 的大小和空間結構的多功能化可以改變腫瘤細胞的藥物攝取率及誘導腫瘤細胞免疫反應的發(fā)生。③易修飾的表面功能化。在腫瘤的治療過程中，NMN 的高表面體積比使得抗體、配體、藥物等在NMN 表面易修飾功能化，表面功能化的NMN 增強了抗腫瘤藥物的高度靶向性、高細胞內化性及穩(wěn)定性。④獨特的熱學、磁學、光學、電學特性。NMN 上述特性的觸發(fā)，依賴于激發(fā)分子的作用，將通過多個機制增強腫瘤細胞的殺傷作用。

激發(fā)分子包括內部激發(fā)分子和外部激發(fā)分子。內部激發(fā)分子是發(fā)生在腫瘤微環(huán)境（tumor microenvironment，TME）內部的局部刺激，包括酸性pH 值、氧化還原反應變化、腫瘤細胞分泌酶和過氧化氫（HO）等，內部激發(fā)分子相關的激發(fā)性金屬納米療法被廣泛用于安全有效的抗腫瘤藥物傳遞：①正常細胞和腫瘤細胞之間的pH 值差異為藥物可控傳遞提供了條件。腫瘤細胞生長需要大量能量，這將導致葡萄糖分解代謝的增加和乳酸、氫離子濃度的增加，進而導致TME pH 值變得更低。酸性pH 值將激發(fā)NMN 位點特異性和可控釋放特性，有利于抗腫瘤藥物的靶向傳遞。②谷胱甘肽（glutathione，GSH）在細胞生長中發(fā)揮重要作用，細胞內GSH 含量明顯高于細胞外。GSH 通過氧化活性氧（reactive oxygen species，ROS）保護細胞并阻止細胞凋亡。腫瘤細胞內GSH 的含量明顯高于正常細胞，GSH 誘導的氧化還原反應的顯著變化將促進氧化還原反應型NMN 藥物載體將靶向藥物運送到腫瘤部位。③腫瘤細胞分泌酶（基質金屬蛋白酶與其他蛋白水解酶）通過觸發(fā)代謝活性和腫瘤轉移促進腫瘤細胞的增殖。靶向腫瘤細胞分泌酶可以作為促進抗腫瘤藥物釋放的生物觸發(fā)器，將觸發(fā)分泌酶反應的部分修飾到NMN 載體藥物中，可在不影響藥物特異性的情況下實現有效的靶向藥物釋放。④HO是存在于腫瘤細胞中的豐富ROS，可促進腫瘤細胞增殖、血管生成和腫瘤轉移。與正常細胞相比，腫瘤細胞具有高水平的HO?；谀[瘤細胞的該特性，ROS 反應型NMN 可靶向藥物傳遞，通過Fenton 反應或類Fenton 反應催化HO生成羥基自由基和分子氧，引起脂質過氧化、DNA 損傷和細胞凋亡。內部激發(fā)分子依賴于TME 的特點，而TME 受到個體差異和腫瘤生物學行為影響。相比較于內部激發(fā)分子，外部激發(fā)分子具有可調控的特性，更適用于抗腫瘤藥物的靶向傳遞與腫瘤的精準靶向治療。然而，外部激發(fā)分子需要專門設備和技術來達到特定的要求，包括光、交變磁場和超聲波等。光觸發(fā)療法通過光熱轉化、產生ROS 殺傷腫瘤細胞，并激活細胞毒免疫細胞對抗腫瘤細胞；交變磁場可誘導NMN 產生熱療和放療效應，廣泛應用于腫瘤的治療；超聲波激發(fā)NMN 產生ROS 和超聲微泡，進而干擾細胞反應并誘導腫瘤細胞凋亡。NMN的抗腫瘤治療可以在多種內外激發(fā)分子的聯合作用下增強，內部刺激促進NMN 修飾藥物靶向聚集、內吞至腫瘤細胞內，而外部刺激可以隨時、靶向觸發(fā)NMN 殺傷作用，內外刺激的聯合作用將顯著增強抗腫瘤作用。

2 激發(fā)性金屬納米療法的抗腫瘤形式

2.1 CDT

CDT 的機制是基于氧化鐵誘導的Fenton 反應以及其他NMN（CuNP、MnO和GNP）誘導的類似Fenton 反應催化HO生成羥基自由基和分子氧，引起脂質過氧化、DNA 損傷和細胞凋亡。CDT 的主要研究前沿是探索通過內源性HO觸發(fā)原位化學反應，通過Fenton 反應產生更多的毒性羥基自由基，進一步誘發(fā)非凋亡性程序性細胞死亡。超順磁氧化鐵納米粒子（superparamagnetic iron oxide nanoparticle，SPION）是一類被廣泛應用于腫瘤治療和MRI 的NMN。SPION 在腫瘤細胞的酸性環(huán)境中代謝為鐵離子（Fe和Fe），并通過二價金屬轉運體進入細胞質，鐵離子通過細胞內過氧化物酶的氧化還原反應在細胞內產生ROS，觸發(fā)鐵死亡通路的發(fā)生。青蒿素及其衍生物含有過氧化基團，可加速鐵離子或銅離子的Fenton 反應。相關研究將青蒿素及其衍生物修飾到NMN 中，NMN 修飾藥在TME 酸性條件下降解釋放Fe、青蒿素及其衍生物，Fe與青蒿素及其衍生物產生Fenton 反應，引起脂質過氧化、DNA損傷。通過對氧化鐵納米粒子表面修飾可實現對腦腫瘤的特異性靶向。Shen等研制了表面修飾順鉑、乳鐵蛋白（lactoferrin，LF）和RGD 二聚體的FeO/GdO雜化納米粒子用于治療腦腫瘤。LF 功能化促進了LF 受體的激活，通過胞吞作用穿過血腦屏障，RGD 二聚體加速腫瘤細胞內吞，有效地運輸FeGd-HN＠Pt 至腦腫瘤細胞內。腦腫瘤細胞內的酸性條件激發(fā)FeGd-HN＠Pt 釋放Fe、Fe和順鉑，順鉑參與NADPH 氧化過程，通過釋放過量的超氧化物離子和HO，將NADPH 轉化為NADP+，進一步介導鐵死亡通路的發(fā)生。Ding 等以金屬有機骨架納米粒子和金納米粒子（AuNP）為構建塊，制備了一種納米藥物（Au/FeMOF＠CPT NP）以實現腫瘤的化療和CDT的聯合。在高濃度磷酸根離子的觸發(fā)下，納米藥物在內化后崩塌，導致其完全釋放并激活級聯催化反應；細胞內葡萄糖被金納米顆粒（gold nanoparticle，GNP）氧化后，可作為Fenton 反應的化學燃料以產生細胞毒性極強的ROS。研究顯示經PEG-Au/FeMOF＠CPT NP 處理的細胞IC值最低達（0.31±0.04）μg/ml。

2.2 PTT 和PDT

PTT 與PDT 需要依靠光敏劑的激發(fā)作用，光敏劑在電磁輻射如近紅外光的作用下被激發(fā)，進而吸收光能并產生熱能與ROS。PTT 通過光能轉化為熱能引起細胞內溫度的急劇升高，進而導致蛋白質變性、細胞裂解，進一步誘導腫瘤細胞物理死亡與程序性死亡的發(fā)生。PDT 依賴于激發(fā)的光敏劑產生各種ROS，包括羥基自由基、單態(tài)氧和過氧化物離子，作用于細胞代謝的多條通路，導致腫瘤細胞死亡。NMN 是一類強效光敏劑，它可以被多次刺激產生熱能和ROS，而其他光敏劑如染料、蛋白等經過一次照射即降解。GNP 廣泛應用于腫瘤PTT，在光的誘導下金納米星（gold nanostar，GNS）產生增強的等離子體效應和較高的光熱轉換效率?；贕NS 的化療-PTT 聯合療法已成為腫瘤治療的新方向：①GNS 表面修飾葉酸-巰基聚乙二醇可特異性靶向MCF-7 乳腺癌細胞，在近紅外光照射下（808 nm，0.9 W/cm），GNS 產生強烈的PTT 效應并觸發(fā)化療藥物釋放，聯合化療-PTT治療對MCF-7 乳腺癌細胞、乳腺癌動物模型和耐藥MCF-7/ADR 腫瘤模型均有顯著抑制作用。②金納米殼是有效的藥物載體，在近紅外光區(qū)域內能迅速吸收光線，轉化熱能。在結直腸癌中，載鉑的金納米殼在低功率密度（1.0 W/cm）的近紅外光照射下消融腫瘤區(qū)域并觸發(fā)藥物釋放。③Xu等研發(fā)了基于近紅外光/pH 雙重響應的金納米棒修飾藥物，用于乳腺癌的化療-PTT 聯合治療。GNR 被多巴胺功能化的羥乙基殼聚糖-多西環(huán)素-透明質酸修飾。羥乙基殼聚糖是一種pH 依賴的陽離子多糖，可在酸性腫瘤環(huán)境中調節(jié)多西環(huán)素-GNR 修飾藥表面電荷從負到正，基于CD44 的靶向和表面電荷逆轉顯著提高了藥物的靶向性。在近紅外光（2.0 W/cm）照射10 min 下，多西環(huán)素-GNR 修飾藥可觸發(fā)溫度急劇升高，并誘發(fā)多西環(huán)素的釋放。近紅外光/pH 雙重響應的多西環(huán)素-GNR 修飾藥顯示了更高的腫瘤細胞靶向效應、熱能效應與化療藥物的細胞毒性作用。銀納米顆粒（AgNP）被廣泛用于PDT 治療。Zhang 等通過將AgNP 修飾到卟啉多孔配位網絡（porphyrinic porous coordination network，PCN）上，同時用具有炎癥靶向性的中性粒細胞膜再進行偽裝，構建了AgNP 和PCN 之間的近紅外光控互鎖作用，以實現PDT 和金屬離子聯合的納米治療平臺。此外，He 等反向利用腫瘤內部乏氧環(huán)境和PDT 治療時需進一步消耗氧的特點，設計了A＠uio-66-H-P 納米粒子以實現PDT 誘導缺氧和缺氧激活的協(xié)同效應，氧豐富時由于納米粒子的有效屏蔽，生物還原前體藥物班諾蒽醌（AQ4N）得以很好地保持原態(tài)；PDT 進一步加劇缺氧，AQ4N 則會被內源性iNOS 和細胞色素P450（cytochrome P450 protein，CYP）同工酶降解還原，其活性形式AQ4 具有很強的DNA 親和力和拓撲異構酶抑制作用，進一步殺傷細胞?；诹蚧~納米顆粒（CuS）的PTT 和PDT 聯合治療受到了廣泛關注。CuS 是優(yōu)良的光熱轉化劑，近紅外光觸發(fā)CuS 將光能轉化為熱能，同時產生大量ROS，通過熱能的物理殺傷與ROS 的氧化殺傷作用顯著抑制了腫瘤的生長。Curcio 等研發(fā)了IONF＠CuS 用于腫瘤治療和MRI 成像，并結合PTT、PDT 和磁熱療實現三聯療法。IONF＠CuS 在高頻交變磁場（alternative magnetic field，AMF）和近紅外光照射下表現為雙峰納米加熱效應，顯著提高光熱轉化效率。其他NMN 包括Mo、Pd、Pt、Mn 和Bi 納米顆粒，在光熱治療與光動力治療領域目前也展開了廣泛研究。

2.3 MHT

MHT 利用磁性納米顆粒在AMF 作用下的產熱效應以及腫瘤細胞比正常細胞熱耐受性差的特性，將磁性NMN 注入到腫瘤部位，在AMF 下通過Néel-Brownian 弛豫轉換為熱能，提高局部病灶部位組織溫度（42 ℃以上），選擇性地引起腫瘤細胞的凋亡。MHT 主要基于以下3 個方向：①通過調整NMN 粒徑、組分、形貌和表面修飾等影響其磁化率、飽和磁化強度（Ms）、磁晶各向異性（K）和弛豫時間等優(yōu)化NMN，提高比吸收率（specific absorption rate，SAR），進而提高磁熱轉化。Jang 等通過調整γ-FeO中的Mg摻雜量進而合成極高固有 損 耗 功 率 參 數（inherent loss power，ILP）的Mg0.13＠γ-FeO；Lee 等利用磁性軟殼和磁性硬核之間的交換耦合來調控K 值，提高NMN 的磁性，使得特異性功率損耗值（specific loss power，SLP）大幅提高；Liu 等設計的亞鐵磁性渦旋磁疇納米環(huán)，當暴露在外部AMF中時將從渦旋狀態(tài)轉變?yōu)檠笫[狀態(tài)，顯著提高了SAR，最高可達3050 W/gFe（400 kHz，740 Oe）。②有研究提示，磁性NMN 在細胞內的微觀磁熱效應可能是決定其療效的主要因素，由磁性NMN 介導的微觀、納米尺度熱效應可作為一種刺激，通過調節(jié)細胞功能或細胞內成分進而導致腫瘤細胞死亡。③聯合化療、放療、免疫治療、PTT、PDT 和基因治療的綜合治療可顯著提高療效。一項關于MHT 和CDT 協(xié)同治療的研究提示，二者常常有相互促進作用，局部溫度升高促進了Fe（Ⅲ）向Fe（Ⅱ）（從25 ℃增加到42 ℃）和HO向OH 的轉化，促進CDT 效應增強；CDT 誘導的細胞內氧化還原穩(wěn)態(tài)的破壞有助于增強MHT 的敏感性。

2.4 聯合免疫治療

腫瘤免疫治療的機制是基于機體免疫系統(tǒng)對腫瘤細胞的殺傷。在腫瘤細胞死亡的過程中，釋放的腫瘤抗原被抗原提呈細胞如未成熟的樹突狀細胞（interdigitating dendritic cell，IDC）捕獲，并通過組織相容性復合物Ⅰ與Ⅱ激活T 細胞，進而對腫瘤產生殺傷作用。但是，多種機制限制了免疫系統(tǒng)對腫瘤細胞的殺傷作用，在清除過程中腫瘤細胞將釋放白細胞介素-10（interleukin-10，IL-10）、轉化生長因子-β、鞘蛋白-1-磷酸等免疫抑制因子，這些免疫抑制因子將M巨噬細胞極化為M巨噬細胞進而減少腫瘤內部M巨噬細胞群。此外，凋亡的腫瘤細胞通過分泌化學分子招募M腫瘤相關巨嗜細胞（tumor-associated macrophage，TAM）、骨髓源性抑制細胞（myeloid-derived suppressor cell，MDSC）浸潤入腫瘤內，同時抑制免疫反應。另一方面，腫瘤細胞通過表達程序性死亡受體配體1（programmed cell death 1 ligand 1，PDCD1LG1 或PD-L1）、PD-L2、細胞毒性T 淋巴細胞相關蛋白4（cytotoxicT-lymphocyte-associated protein 4，CTLA-4）和程序性死亡受體1（programmed cell death 1，PDCD1，也稱PD-1）觸發(fā)免疫系統(tǒng)逃逸的發(fā)生。為了有效解決這些問題，研究者們研發(fā)了納米級載體傳遞抗原和佐劑，激發(fā)分子觸發(fā)的金屬納米治療藥物可以靶向傳遞抗原和佐劑，同時觸發(fā)免疫反應的發(fā)生，其抗腫瘤免疫機制主要基于以下3個方面：①通過誘導免疫原性細胞死亡（immunogenic cell death，ICD）和釋放腫瘤抗原從而發(fā)揮多種免疫原性反應。②減少TME 區(qū)域內MDSC、MTAM 和調節(jié)性T 細胞（Treg）等細胞亞群浸潤，增強免疫反應。③通過將腫瘤重塑為熱腫瘤，進而促進腫瘤抗原釋放到TME 中，調節(jié)細胞毒性T 細胞的浸潤。Kang 等報道了GNP 疫苗靶向淋巴結誘導免疫反應發(fā)生。卵清蛋白（ovalbumin，OVA）是一種初級抗原，與不同大小的GNP 結合（OVAGNP），進而刺激樹突狀細胞攝取抗原和CD8T 細胞滲入。Wang 等研制了金納米星（AuNS）封裝的硒納米顆粒（Au＠Se），通過金硒配合用于PTT的免疫治療。硒通過AuNS 等離子體耦合增強光熱轉換效應，近紅外光誘導硒納米顆粒的激活，促進細胞次生代謝和凋亡。近紅外光輻照過程中，Au＠Se 通過抗原交叉呈遞上調熱休克蛋白70（heat shock protein 70，HSP70）和腫瘤相關抗原（tumor associated antigen，TAA）的表達，誘導CTL 浸潤和促炎細胞因子的分泌，將免疫抑制的TME 改造為免疫支持的TME。

3 激發(fā)性金屬納米療法的安全性

盡管激發(fā)性金屬納米療法在腫瘤治療中取得了重大研究成果，但NMN 的毒性、生物降解性、體內生物分布、免疫原性和清除性等問題限制了NMN 的臨床使用，僅有極少數獲準用于臨床試驗。NMN 的大小和形狀影響在體毒性、藥代動力學。非常小的NMN 可以通過機體的排泄系統(tǒng)被清除，而較大的NMN 則在不同的器官中積累，進而繼發(fā)全身毒性。NMN 的形狀通過影響NMN 的表面積而影響其生物毒性，一般認為大表面積會產生更多的反應性，可能會導致正常細胞損傷和氧化應激。因此，NMN 的大小和形狀對決定NMN 腫瘤內循環(huán)時間、生物毒性至關重要。此外，有研究提示氧化鋅納米粒和二氧化硅納米粒以淋巴細胞和天然免疫細胞（如巨噬細胞）為靶點，引起免疫毒性和持續(xù)的免疫抑制；也有研究提示NMN 可通過引起DNA 損傷，如DNA 鏈斷裂、氧化DNA 損傷和突變等引起遺傳毒性。值得一提的是，激發(fā)性金屬納米療法根據不同的治療目的通過納米雜化設計實現NMN 的功能特異性，而獨特的NMN 雜化材料的設計和其化學、物理性能也可能帶來安全問題。因此，NMN 的設計必須兼顧安全性和有效性，最終目標是將其對人體的毒性降至最低。

4 小結

本文對激發(fā)性金屬納米療法的機制及多種治療形式展開了綜述。內部激發(fā)分子觸發(fā)的金屬納米療法被廣泛用于安全有效的抗腫瘤藥物傳遞；外部激發(fā)分子具有可調控的特點，適用于抗腫瘤藥物的靶向遞送與腫瘤的精準靶向治療；內部激發(fā)分子與外部激發(fā)分子聯合的金屬納米療法為腫瘤的聯合治療提供了新思路。然而，各種NMN 均顯示出不良反應，通過改變NMN 大小、形狀、表面積與生物兼容性可克服這一障礙。隨著研究的深入，金屬納米顆粒與激發(fā)分子相結合的激發(fā)性金屬納米療法將會被發(fā)掘出更多的治療潛力，在腫瘤治療方面具有極大的前景。