金屬有機(jī)框架在腫瘤治療中的應(yīng)用進(jìn)展

郭陽，吳素清，溫朝輝

0 引言

腫瘤是威脅人類健康的一類疾病且病程較為隱匿，往往發(fā)現(xiàn)時(shí)已是晚期，對治療帶來極大的困難。納米材料在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用越來越廣泛，為人類戰(zhàn)勝腫瘤帶來曙光。金屬有機(jī)框架（metal-organic frameworks，MOFs）作為一類新型納米材料，具有生物相容性好[1-4]、比表面積大等特點(diǎn)[5-6]，與傳統(tǒng)藥物載體相比，MOFs可以負(fù)載更大的藥物劑量，而且其pH敏感度強(qiáng)的特性使所載藥物能精準(zhǔn)、可控地在pH呈弱酸性的腫瘤部位釋放，從而達(dá)到靶向治療的效果[7-9]。研制基于MOFs的新型材料是當(dāng)前腫瘤靶向治療研究的熱點(diǎn)之一，其優(yōu)異的負(fù)載能力能夠作為光動(dòng)力治療中光敏劑的有效載體[10]，一些卟啉類MOFs甚至能夠直接作為光敏劑使用[11]。另外MOFs負(fù)載免疫佐劑或免疫激活劑在免疫治療的研究中也表現(xiàn)出一定的價(jià)值。本文主要基于MOFs及其衍生材料在腫瘤載藥治療、光動(dòng)力治療（photodynamic therapy,PDT）及免疫治療中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 金屬有機(jī)框架的概述

MOFs是一類由金屬離子或者離子簇與有機(jī)配體通過配位反應(yīng)自組裝形成的具有二維[12]或者三維[13]結(jié)構(gòu)的材料，通過改變金屬離子和有機(jī)配體的種類可以獲得不同類別、不同特性的MOFs，例如類沸石咪唑骨架材料（zeolite imidazole frameworks,ZIFs）[14]、Lavoisier研究所材料（materials of insititut Lavoisier,MILs）[15]、卟啉金屬有機(jī)框架材料[16]等；反應(yīng)溫度、時(shí)間、溶劑或金屬與配體的比例等的不同，可以改變MOFs的粒徑、孔徑或比表面積等相關(guān)參數(shù)，例如研究者通過增大反應(yīng)體系的黏度或降低反應(yīng)體系的溫度來減小產(chǎn)物MOFs的粒徑[17-18]，較小的納米粒更易被腫瘤細(xì)胞攝取。Torad等[19]將反應(yīng)物中的硝酸鋅改為乙酸鋅，合成ZIF-8的比表面積由1 530 m2/g升高至1 960 m2/g，比表面積的提升能加強(qiáng)藥物的吸附能力。另外有機(jī)配體功能基團(tuán)的存在，能夠?qū)σ延蠱OFs進(jìn)行功能化修飾，進(jìn)一步改善或增加其特定功能[20]，以上特點(diǎn)極大地?cái)U(kuò)展了MOFs的應(yīng)用范圍。

1.1 生物相容性

一種材料要應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)中，生物相容性是首要考慮的因素之一。為了增加MOFs的生物相容性，研究者們通常會選擇一些較低毒性的有機(jī)配體與金屬離子來合成MOFs粒子[21]。

Zhang等[1]將負(fù)載維拉帕米（verapamil,VER）和阿霉素（doxorubicin,DOX）的ZIF-8納米粒注射入小鼠體內(nèi)，結(jié)果顯示ZIF-8載藥納米粒對正常組織、器官的溶血改變和生物毒性可忽略不計(jì)。還有研究表明，不同類型的MOFs，如MIL-125-Ti與ZIF-8，對腎臟毒性（肌酐濃度值變化）具有相似的作用。與0.9%氯化鈉溶液組相比，MOFs組的小鼠肝、腎重量和體重均沒有明顯變化（P＞0.05），而且小鼠心臟切片顯示，MOFs組心肌細(xì)胞凋亡數(shù)量沒有明顯增加[2]。血液生化分析結(jié)果無明顯異常[3]。另外將細(xì)胞培養(yǎng)在含有高濃度MOFs的培養(yǎng)液中，細(xì)胞的活性（采用MTT法檢測）也沒有明顯降低[4]。綜上所述，優(yōu)異的生物相容性為MOFs在生物醫(yī)學(xué)中的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，另外MOFs特有的框架結(jié)構(gòu)也可避免藥物滲漏，這種局部應(yīng)用帶來的全身不良反應(yīng)可忽略不計(jì)。

1.2 比表面積

一般來說，材料的比表面積越大，其吸附能力就越強(qiáng)。MOFs材料通常具有較大的比表面積，使MOFs材料的物理吸附能力較強(qiáng)，研究者將這一特性用于腫瘤治療的研究中。如Gao等[5]合成了比表面積達(dá)到1 580 m2/g的UIO-66納米粒，利用UIO-66作為O2的吸附載體，靶向腫瘤組織來改變腫瘤組織內(nèi)的乏氧環(huán)境。隨著研究的進(jìn)展，MOFs材料比表面積的記錄持續(xù)被刷新。Farha等[6]合成的NU-110材料的比表面積高達(dá)7 140 m2/g，這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過介孔二氧化硅、碳納米管等傳統(tǒng)藥物載體，且他們通過計(jì)算機(jī)模擬，得出MOFs的理論比表面積上限約14 600 m2/g。因此，較大的比表面積為MOFs材料能夠成為良好負(fù)載體提供了理論依據(jù)。

1.3 pH敏感度

腫瘤組織由于代謝旺盛，其組織及細(xì)胞內(nèi)pH往往呈弱酸性，因此利用這種腫瘤微環(huán)境來控制藥物的可控釋放，是提高藥物治療效果的有效方法之一。Wu等[7]合成的負(fù)載DOX的MOFs納米粒釋藥速率呈明顯的pH相關(guān)性，在pH=5.0時(shí)，72 h DOX釋藥率接近70%，而pH=7.4時(shí)僅約15%。研究表明，對MOFs表面進(jìn)行化學(xué)修飾后，MOFs釋藥速率仍然能夠表現(xiàn)出pH依賴相關(guān)性[8]。隨著pH的降低，藥物的釋放速率和累積量均明顯增加[2]。由于修飾層的保護(hù)，MOFs載藥體系能使所載藥物持續(xù)釋放的時(shí)間延長[22]，且在生理?xiàng)l件下，MOFs載藥體系能夠維持相對穩(wěn)定性。

2 金屬有機(jī)框架在腫瘤治療中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的化療易導(dǎo)致較大的全身不良反應(yīng)，而靶向治療技術(shù)的發(fā)展為無法耐受傳統(tǒng)化療的患者帶來希望。MOFs材料因其超大的比表面積與易修飾的特點(diǎn)使其成為藥物遞送的良好載體，較傳統(tǒng)的載體具有更高的載藥量。MOFs表面修飾相關(guān)配體后，能夠提高對腫瘤組織的靶向性，減少藥物在正常組織和器官中的富集，降低損傷。研究者們在實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了以MOFs為載體的藥物靶向輸送[7,23-25]。與注射相同劑量的游離藥物相比，MOFs能夠明顯延長藥物在血液中的循環(huán)時(shí)間[8]。Wu等[7]研究表明，DOX對正常組織的毒性因MOFs的包覆而降低，但其抗癌活性不受影響。也有研究表明，對MOFs進(jìn)行表面修飾不僅有助于控制負(fù)載物的釋放，而且能夠提高M(jìn)OFs體系的穩(wěn)定性[20]。

2.1 藥物負(fù)載

親水性和疏水性MOFs均可用于藥物的裝載和輸送，其中親水性MOFs較疏水性MOFs可以更好地保持負(fù)載藥物的生物活性[26]。He等[23]將阿齊沙坦（azilsartan,AZL）封裝在γ-環(huán)糊精（γ-cyclodextrin,γ-CD）金屬有機(jī)框架（CDMOF）中，結(jié)果表明，AZL在大鼠體內(nèi)的生物利用率提高了9.7倍，溶解性提高了340倍，認(rèn)為CDMOF可以改善疏水性AZL的溶解性使其更易被機(jī)體吸收。由此可見，MOFs具有作為其他不溶性或難溶性藥物有效載體的潛力，提高這類藥物在體內(nèi)的利用率，降低給藥劑量。Fernández-Paz等[24]制備出MIL-100納米給藥系統(tǒng)，通過呼吸道吸入，將負(fù)載異煙肼的MIL-100納米粒均勻地輸送到肺部終末細(xì)支氣管和肺泡中，實(shí)現(xiàn)肺結(jié)核治療的靶向給藥，不僅為肺部腫瘤的治療提供參考，同時(shí)也為一些慢性疾病的治療帶來新的可能性，例如糖尿病患者的胰島素?zé)o創(chuàng)給藥。研究發(fā)現(xiàn)，一些MOFs自身就可作為藥物使用，如ZIF-8已經(jīng)被證明具有顯著的抗菌活性，研究者從細(xì)胞膜受鋅離子損傷的角度解釋了其抗菌機(jī)制[27]。MOFs在其他領(lǐng)域的抗菌效果也被證明[28]。

不同種類MOFs對同種藥物分子的裝載量差異較大，因此通過選擇性封裝或結(jié)合，能使藥物分子有選擇地負(fù)載到雜化相MOFs的不同結(jié)構(gòu)域中，通過調(diào)節(jié)藥物在MOFs中的空間分布來實(shí)現(xiàn)可控的負(fù)載和釋放[29],因此多種藥物的同時(shí)負(fù)載也被證明是可行的。Tan等[25]將DOX和塞來昔布（celecoxib，Cel）雙負(fù)載在MOFs孔隙中，用做口腔癌局部治療的植入物，實(shí)現(xiàn)兩種藥物穩(wěn)定及持續(xù)的釋放，提高了對口腔癌的治療效果，表現(xiàn)出優(yōu)異的腫瘤殺傷能力。

Chen等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，將辣根過氧化物酶（horseradish peroxidase,HRP）包裹在2D結(jié)構(gòu)的MOFs材料中，MOFs中的HRP活性與游離HRP相近，他們從2D MOFs結(jié)構(gòu)使酶的擴(kuò)散路徑縮短的角度解釋了這一結(jié)果。Liao等[31]將過氧化氫酶（catalase，CAT）鑲嵌到ZIF-90及ZIF-8納米粒中，結(jié)果證實(shí)ZIFs的包覆限制了酶分子的空間，降低了其構(gòu)型改變的能力，增加了CAT對復(fù)雜環(huán)境的耐受能力，即使暴露在6 mol/L尿素變性劑或80℃高溫下時(shí)，仍然表現(xiàn)出一定的分解H2O2的活性。Huang等[32]發(fā)現(xiàn)，將酶固定在MOFs中可有效延長酶的壽命。也有報(bào)道表明，即使酶的尺寸稍大于MOFs的孔徑，仍然可以被有效地負(fù)載[33]。綜上所述，得益于MOFs的保護(hù)，生物大分子能夠在更復(fù)雜的環(huán)境下維持其生物活性，而要闡述酶在MOFs中的空間方位對其催化性能的影響，則需要進(jìn)一步的深入研究。

MOFs作為藥物載體在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的研究成果矚目，但其材料本身的不足也逐漸顯現(xiàn)出來，大多數(shù)MOFs材料pH敏感度強(qiáng)，會在弱酸性條件下緩慢分解，因此在體內(nèi)一些pH呈弱酸性的正常組織中MOFs也會緩慢分解，但這種不足可以通過對MOFs材料表面的修飾來改善，例如Song等[2]將適量的透明質(zhì)酸（hyaluronic acid，HA）修飾在MIL-125-Ti載藥納米粒表面，不僅能夠避免MIL-125-Ti分解與DOX在正常組織中的釋放，而且可以與MCF-7細(xì)胞表面CD44受體結(jié)合，增加納米粒的靶向性，降低DOX在正常組織中的積累。An等[34]使用腫瘤同源細(xì)胞膜修飾負(fù)載亞硝基谷胱甘肽（S-nitrosoglutathione，GSNO）與二氫卟吩e6（Chlorin E6，Ce6）的ZIF-8納米粒表面，靶向腫瘤細(xì)胞，避免其在到達(dá)腫瘤部位之前分解并釋放藥物；MOFs獨(dú)特的組成成分不可避免地會引入一些金屬離子，可能會導(dǎo)致局部組織中金屬離子濃度過高，出現(xiàn)金屬中毒癥狀，這需要研究者們進(jìn)一步測試MOFs在不同組織內(nèi)的安全峰值濃度。

2.2 光動(dòng)力治療

光動(dòng)力治療是指光敏劑在特定波長光照條件下產(chǎn)生活性氧（reactive oxygen species,ROS），對腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生殺傷作用的一種無創(chuàng)治療方法，通常作為腫瘤治療的補(bǔ)充手段。MOFs以比表面積大、生物相容性好、易修飾的特點(diǎn)，使其成為光敏劑的理想運(yùn)輸載體，一些卟啉類MOFs甚至本身就可作為光敏劑使用。如果進(jìn)一步增加納米粒的靶向性，還能使PDT的效果進(jìn)一步提高[35]。

Kan等[10]將S-乙基硫醇酯單取代卟啉（TPPSH）修飾在UIO-66表面，制成一種新型的納米粒UIO-66-TPP-SH，在660 nm近紅外（near infrared,NIR）光照條件下，DMF環(huán)境中的產(chǎn)氧率測試表明，UIO-66-TPP-SH組的產(chǎn)氧率較游離TPP-SH組更高，且修飾在MOFs表面的卟啉光毒性比裝載在MOFs內(nèi)部的卟啉更強(qiáng)。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無光照條件下，細(xì)胞存活率在93%以上，而在NIR照射下細(xì)胞存活率僅為30%，PDT治療效果顯著。

但是PDT的一些缺陷限制了它的臨床應(yīng)用范圍：PDT通常使用特殊波長的NIR照射，其對深層組織的穿透能力有限，因此目前僅被用于治療表淺部位的腫瘤。而亟待解決的是，腫瘤內(nèi)部的乏氧環(huán)境限制了ROS的產(chǎn)生和積累，使PDT治療效率較低，不足以完全殺死腫瘤組織，極易導(dǎo)致復(fù)發(fā)。因此如何解除腫瘤組織的乏氧環(huán)境并提高PDT的治療效果也成為研究者們的研究熱點(diǎn)，并已取得一定突破。一些學(xué)者通過引入外部O2的方法，改善了腫瘤乏氧環(huán)境。如Gao等[5]利用UIO-66的氣體吸附能力，將UIO-66作為O2的載體，把光敏劑吲哚菁綠（indocyanine green,ICG）配位在UIO-66表面，并用紅細(xì)胞膜包裹防止O2釋放。在808 nm NIR光照下，ICG產(chǎn)生ROS用作PDT，同時(shí)逐漸分解紅細(xì)胞膜并釋放UIO-66攜帶的O2，而且NIR照射帶來的光熱作用進(jìn)一步促進(jìn)O2的釋放，增加腫瘤部位的O2含量，降低了腫瘤乏氧對PDT的抑制；利用腫瘤細(xì)胞內(nèi)濃度較高的H2O2轉(zhuǎn)化為O2也是有效改善腫瘤乏氧環(huán)境的方法之一，Lan等[11]制備了Fe3O與5,10,15,20-四（對苯甲酰基）卟啉（TBP）配位構(gòu)建的Fe-TBP納米粒，將其注射進(jìn)CT26結(jié)腸腺癌小鼠體內(nèi)，NIR照射條件下，細(xì)胞中的H2O2逐漸被發(fā)生的類芬頓反應(yīng)分解，檢測到腫瘤細(xì)胞內(nèi)的H2O2熒光強(qiáng)度降低，同時(shí)檢測到ROS的產(chǎn)生。PDT與光熱治療（photothermal therapy,PTT）的結(jié)合也是一種提高治療效果的有效策略，研究表明PDT/PTT聯(lián)合治療在體內(nèi)與體外的治療效果均優(yōu)于單獨(dú)的PDT或PTT[16,36]。

2.3 免疫治療

免疫治療是指通過激活人體免疫系統(tǒng)來消滅腫瘤細(xì)胞的一種方法。在MOFs的幫助下，將細(xì)胞癌變壞死后產(chǎn)生的腫瘤相關(guān)抗原（tumor-associated antigens,TAAs）和負(fù)載的免疫激動(dòng)劑或免疫佐劑等物質(zhì)高效地呈遞給免疫細(xì)胞，激活強(qiáng)烈的免疫應(yīng)答，殺死腫瘤細(xì)胞。免疫治療不僅被證明長期有效和安全，且能夠減少治療后腫瘤復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移的風(fēng)險(xiǎn)。

Cai等[37]選用的PCN-MOF在670 nm NIR照射下可以產(chǎn)生ROS，且在PCN-MOF表面修飾缺氧誘導(dǎo)因子信號抑制劑（ACF）與免疫佐劑胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤二核苷酸（CpG）后不影響ROS的產(chǎn)生，后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ACF可阻斷PDT后加重的缺氧信號，有效抑制了缺氧導(dǎo)致的HIF-1α信號通路激活所引起的腫瘤轉(zhuǎn)移。在CpG的幫助下，腫瘤細(xì)胞壞死后產(chǎn)生的TAAs引發(fā)了強(qiáng)烈的抗腫瘤免疫應(yīng)答。PCN-MOF治療組在腫瘤部位發(fā)現(xiàn)更多聚集的CD8+T細(xì)胞和CD4+T細(xì)胞，產(chǎn)生抗腫瘤免疫應(yīng)答。Zhao等[38]將MIL-88A與編碼卡妥索單抗（catumaxomab）的DNA片段（MC）混合，將MOF/MC作為簡單的基因傳遞系統(tǒng)，對破壞免疫系統(tǒng)的腫瘤模型小鼠注射MOF/MC及T細(xì)胞，與未注射組相比，腫瘤切片顯示出更強(qiáng)的CD3+T細(xì)胞浸潤，即MOF/MC能夠?qū)騎細(xì)胞有效地聚集在腫瘤部位。Shao等[39]合成了上轉(zhuǎn)換納米粒子（upconversion nanoparticles,UCNP）為核心，包覆卟啉MOF為外殼的具有核-殼結(jié)構(gòu)的納米粒（UCS），并將替拉扎明（tirapazamine,TPZ）負(fù)載在UCS的孔隙中，在980 nm NIR照射條件下，UCS表現(xiàn)出明顯的細(xì)胞學(xué)毒性。NIR照射后再給予PD-L1阻斷治療，觀察到原發(fā)及遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移的腫瘤均能被有效地抑制，流式細(xì)胞儀檢測證實(shí)UCS組腫瘤部位CD4+T細(xì)胞、CD8+T細(xì)胞及NK細(xì)胞占比明顯高于PBS組。Miao等[40]將卵清蛋白（ovalbumin,OVA）封裝在Al-MOFs內(nèi)，并在其表面包覆酵母膠囊（yeast capsules,YCs），將合成后的OVA@Al-MOFs/YCs納米粒作為免疫疫苗對小鼠進(jìn)行注射，研究結(jié)果表明，OVA@Al-MOFs/YCs納米粒能夠通過腸系膜M細(xì)胞運(yùn)輸，隨后被腸系膜淋巴結(jié)中的巨噬細(xì)胞內(nèi)吞，在巨噬細(xì)胞內(nèi)被包裹的OVA（抗原）和Al-MOF分解的Al離子（佐劑）釋放，促進(jìn)巨噬細(xì)胞的成熟，進(jìn)而誘發(fā)免疫反應(yīng)。這項(xiàng)研究有望用于口服疫苗的研制，同時(shí)為傳統(tǒng)靜脈注射藥品的口服應(yīng)用奠定一定的基礎(chǔ)。

采用MOFs材料誘導(dǎo)的免疫治療在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出明顯的抗腫瘤效果，另外作為免疫佐劑，MOFs材料同樣能夠有效激活受體的免疫反應(yīng)，增強(qiáng)藥物在機(jī)體復(fù)雜環(huán)境的耐受性，特別是保護(hù)蛋白質(zhì)類藥物，避免其在到達(dá)特定位置前失去活性?；贛OFs材料的免疫治療作為近年來研究熱點(diǎn)之一，雖然已經(jīng)取得了一些可觀的成果，但總體而言仍然處于起步階段，還存在一些待解決的問題。例如，如何選擇合適的MOFs材料，以及不同種類、不同粒徑的MOFs對免疫治療效果的影響等。如何通過選擇MOFs以實(shí)現(xiàn)高效的免疫治療，依然需要大量的實(shí)驗(yàn)去研究。

3 小結(jié)與展望

研究者們嘗試使用不同的金屬離子與有機(jī)配體合成MOFs材料，因此，時(shí)至今日仍然不斷有新的MOFs材料誕生。良好的生物相容性是MOFs材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用基礎(chǔ)，較大的比表面積能夠吸附較多的藥物分子以達(dá)到載藥效果，而其較強(qiáng)的pH敏感度則能夠?qū)崿F(xiàn)藥物的可控釋放。MOFs的多活性位點(diǎn)可以修飾不同的官能團(tuán)，使MOFs可以獲得多變的靶向性，不僅可以實(shí)現(xiàn)對特定物質(zhì)的識別，還可特異識別病變靶組織、靶器官。近年來，MOFs材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究取得了較大進(jìn)展，但與其他藥物載體材料相比，仍處于起步階段，還有很多問題需要解決，如一些MOFs材料，特別是卟啉MOFs材料的合成成本仍然較高，目前的研究僅限于在實(shí)驗(yàn)室中的少量合成，需要進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本后才能廣泛應(yīng)用于臨床實(shí)驗(yàn)；MOFs材料不論在載藥的合成過程中，還是儲存或?qū)ζ溥M(jìn)行修飾時(shí)，都不可避免地造成部分藥物損失，變相提高了制造成本；多數(shù)MOFs的化學(xué)穩(wěn)定性較差；MOFs的孔徑限制一些大分子蛋白質(zhì)及DNA片段的運(yùn)載；長期應(yīng)用導(dǎo)致機(jī)體金屬離子過量。而且，目前國內(nèi)外已報(bào)道出的研究都僅限于細(xì)胞、動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段，尚沒有MOFs材料被實(shí)際用于臨床治療之中。

因此，可以探索更多種類MOFs材料在生物醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的可行性；通過改變MOFs合成的條件，進(jìn)一步調(diào)整MOFs的相關(guān)參數(shù)，使材料更適合生物醫(yī)學(xué)研究；探索不同組織對MOFs材料的安全峰值濃度，并研究長期攝入MOFs可能對機(jī)體造成的影響，這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累都能為MOFs材料早日應(yīng)用于臨床治療打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。