金屬-有機框架材料在癌癥診療中的應用

董明杰，王 璇，董海峰，張學記

（深圳大學醫(yī)學部生物醫(yī)學工程學院,人工智能與數(shù)字經(jīng)濟廣東省實驗室(深圳),深圳 518000）

癌癥診療，即集診斷和治療功能于一體，涉及成像與治療試劑的有機整合，可以為臨床醫(yī)生根據(jù)患者的病情制定個性化的治療策略，并進一步監(jiān)測治療的效果，從而準確判斷預后［1］.目前，用于癌癥診斷的成像技術主要包括光學成像［2］、光聲成像［3］、磁共振成像［4］、計算機斷層掃描成像［5］和正電子發(fā)射斷層掃描成像［6］等.然而，這些成像技術都存在一些內(nèi)在缺陷，比如低靈敏度、低穿透深度和低組織對比度等，降低了其成像質(zhì)量和診斷效果［7］.另一方面，在癌癥治療方法上，除了傳統(tǒng)的手術療法、放療和化療外，免疫療法、光熱療法、光動力療法、化學動力療法和聲動力療法等備受關注.但各類療法也都存在各自的缺點，如化療的低選擇性與大毒副作用［8］，光熱療法的光組織穿透能力受限［9］，放射療法和光/化學/聲動力療法的腫瘤乏氧限制［10］，免疫療法的腫瘤和個體異質(zhì)性［11］等，并且這類治療都需要在成像指導下進行才能獲得更好的治療效果.因此，將眾多成像技術與治療策略的特點整合到一個智能化的一體化診療平臺中，進行成像引導的精確癌癥治療已經(jīng)成為一個熱門的研究方向［12，13］.

隨著納米技術和合成策略的發(fā)展，大量功能化納米材料被制備出來，用以滿足癌癥診療中同時成像診斷和高效治療的特殊需求［14，15］.一般來說，理想的癌癥診療納米材料需要滿足成像和治療試劑的高負載能力、良好的生物相容性和可降解性、可控穩(wěn)定的納米尺寸及易于設計修飾的表面性質(zhì)等特點［16］.

金屬-有機框架材料（MOFs）又稱多孔配位聚合物，是一類由金屬離子或金屬簇（也稱為次級構(gòu)筑單元，SBUs）和多齒有機配體構(gòu)建而成的有機-無機雜化多孔材料［17］.相對規(guī)律和可預測的配位模式使制備的MOFs具有多孔和結(jié)晶性質(zhì)，而配位鍵的相對不穩(wěn)定性又使MOFs能在溫和條件下合成，從而兼容很多有機官能團.因此，MOFs的這種結(jié)構(gòu)、組成和功能可調(diào)的類分子性質(zhì)使其不同于傳統(tǒng)的無機材料，表現(xiàn)出更大的應用潛力.經(jīng)過約30年的發(fā)展，MOFs已經(jīng)在氣體存儲與分離［18］、傳感［19］、催化［20］、光學材料［21］與生物醫(yī)藥［22～24］等方面表現(xiàn)出強大的應用前景.自2006年Lin課題組［25］首次報道將納米MOFs用于成像試劑后，MOFs在生物醫(yī)藥領域的應用更是得到了空前的發(fā)展.與傳統(tǒng)的應用于生物醫(yī)藥領域的納米材料相比，MOFs主要有以下3方面的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢：（1）高孔隙率和大比表面積，利于高效負載成像和治療試劑；（2）易設計修飾的SBUs和有機配體，利于多功能特性的引入并實現(xiàn)時空可控的功能激活；（3）生理環(huán)境中可調(diào)的框架穩(wěn)定性，利于設計可控釋放的納米載體.因此，基于這些特性，MOFs已經(jīng)被用作多種成像引導的多模式癌癥治療平臺（圖1）.

Fig.1 Schematic illustration of MOFs as cancer theranostic nanoplatforms

本文由MOFs的組成結(jié)構(gòu)出發(fā)，從（后修飾）金屬節(jié)點、（后修飾）有機配體、MOFs復合物和MOFs衍生物4個方面（圖2）分別總結(jié)了各種組成結(jié)構(gòu)用于癌癥診斷（光學成像、光聲成像、磁共振成像、計算機斷層掃描成像和正電子發(fā)射斷層掃描成像）和治療（放療、化療、光熱療法、光動力療法、化學動力療法、聲動力療法和免疫療法）的研究進展.此外，還闡述了MOFs在癌癥診療中的發(fā)展前景和面臨的關鍵挑戰(zhàn)，希望能夠幫助研究者全面了解MOFs在癌癥診療領域的現(xiàn)狀，并激發(fā)MOFs和生物醫(yī)學交叉領域的跨學科研究活動，從而推動這一領域的發(fā)展.

Fig.2 Four common strategies for loading theranostic agents into MOFs

1 基于(后修飾)金屬節(jié)點的癌癥診療平臺

成像技術作為一種智能化的可視化工具，為探索疾病特別是癌癥的發(fā)病機制和特征提供了重要保障.其中，成像試劑是成像技術的關鍵組成部分，在成像過程中起著至關重要的作用［26］.然而，傳統(tǒng)的小分子成像試劑存在易降解、代謝速度快及非特異性分布等缺點.因此，在過去的幾十年里，研究者制備了各類有機和無機納米載體用于負載小分子成像試劑以克服上述問題，從而提高疾病的診斷效果［27］.遺憾的是，雖然已經(jīng)取得了重大進展，但無機載體的生物降解性、體內(nèi)分布和代謝機制仍需進一步全面研究［28］；而有機載體的低負載率、弱靶向性和易降解性也限制了其更好的發(fā)展［29］.作為一種有機-無機雜化材料，MOFs具有結(jié)構(gòu)可設計、功能可調(diào)、易后修飾、可生物降解、超高比表面積和孔隙率等優(yōu)點，已成為最有希望用于癌癥診斷的候選材料之一.此外，MOFs還可以同時負載小分子藥物、酶、光敏劑和核酸等生物活性制劑以實現(xiàn)成像引導的癌癥診療［30～33］.作為構(gòu)筑MOFs的基本元素之一，金屬離子在生物體內(nèi)扮演了非常重要的角色，其含量與很多疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關，同時還是非常重要的成像試劑.

1.1 磁共振成像診療平臺

磁共振成像是利用外部磁場/無線電波與探測到的軟組織中的質(zhì)子（通常是水中的氫原子）之間的復雜相互作用產(chǎn)生射頻信號，獲得活體解剖和生理過程的醫(yī)學成像技術［34］.由于其無創(chuàng)、空間分辨率高和組織穿透深等特點而被廣泛應用于臨床［35］.磁共振造影劑可以改變檢測部位質(zhì)子的縱向弛豫時間（T1，s）和橫向弛豫時間（T2，s），從而構(gòu)建疾病診斷圖像［36］.造影劑的效率由橫向弛豫值（r2，mmol·L-1·s-1）與縱向弛豫值（r1，mmol·L-1·s-1）的比值確定，當r2/r1在1～3之間時表現(xiàn)為T1類型，當r2/r1＞10時，表現(xiàn)為T2類型，而在兩者之間時，表現(xiàn)為2種類型共存［37］.目前，小分子的Gd螯合物和超順磁性的氧化鐵常被分別用于T1加權（正信號增強）和T2加權（負信號增強）成像，但是使用劑量通常較大，且水溶性差，有效半衰期短.基于此，將Gd，F(xiàn)e和Mn等金屬離子用于構(gòu)筑MOFs可以在癌癥診療中增加造影劑的腫瘤積聚，提高成像質(zhì)量［38］.

1.1.1T1型磁共振成像診療平臺 2006年，Lin課題組［25］首次報道了以Gd為金屬節(jié)點的納米MOF用于磁共振成像的造影劑.該研究中使用的2種MOFs通過反相微乳液法合成，一種是GdCl3與對苯二甲酸構(gòu)筑的［Gd（BDC）1.5（H2O）2］n，另一種是GdCl3與1，2，4-苯三酸構(gòu)筑的［Gd（1，2，4-BTC）（H2O）3］n.2種MOFs在相同摩爾濃度下都表現(xiàn)出了極高的r1和r2弛豫值.隨后，Hatakeyama等［39］通過在反相微乳液法合成時引入助水溶物來調(diào)控［Gd（BDC）1.5（H2O）2］n和［Gd（1，2，4-BTC）（H2O）3］n的尺寸大小.研究發(fā)現(xiàn)，水楊酸鈉的引入可以顯著減小Gd-MOF的尺寸至約82 nm，從而增加其總比表面積，使r1值提高到了83.9 mmol·L-1·s-1，是臨床上使用的馬根維顯（釓噴酸葡胺注射液）造影劑的約20倍.

除了Gd，順磁性的二價Mn也是一種與Gd類似的T1造影劑，且毒性相對較低［40］.Mn是參與線粒體過程的天然細胞成分，其攝取高度依賴于細胞內(nèi)的線粒體代謝和線粒體密度，因此可以成為肝臟和其它富含線粒體的器官（如胰腺和腎臟）的有效造影劑［41］.這些特點可以指導研究者開發(fā)基于Mn的MOFs用于磁共振成像.Lin等［42］使用反相微乳液法合成了具有可控形態(tài)的Mn MOF｛［Mn3（BTC）2（H2O）6］n｝，隨后將二氧化硅層包裹在Mn MOF上，并用環(huán)精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）肽功能化用于腫瘤靶向.制得的納米MOF表現(xiàn)出了高靈敏的腫瘤特異性磁共振成像性質(zhì).Qin等［43］合成并比較了2種水溶性的Mn和Gd MOFs，｛［Mn2（Cmdcp）2（H2O）2］·H2O｝n（1）和｛［Gd（Cmdcp）（H2O）3］（NO3）·3H2O｝n（2），用作體內(nèi)的磁共振造影劑.如圖3（A）和（B）所示，體外測試表明，Mn MOF的r1值為17.50 mmol·L-1·s-1，略高于Gd MOF（13.46 mmol·L-1·s-1），但都遠高于臨床使用的造影劑Gd-DTPA（DTPA=二亞乙基三胺五乙酸，r1=4.87 mmol·L-1·s-1）.體內(nèi)成像實驗表明，Mn MOF具有長時間的高對比成像能力，使腎臟的陽性信號顯著增強［圖3（C）］.

Fig.3 MRI imaging properties of([Mn2(Cmdcp)2(H2O)2]·H2O)n(1)and[Gd(Cmdcp)(H2O)3](NO3)·3H2O)n[43]

Mn離子除了磁共振成像能力外，在體內(nèi)特別是雙氧水高表達的腫瘤微環(huán)境中，還具有出色的化學動力學治療功能［44］.Yu等［45］以3，5-二（4-羧基苯基）吡啶（H2PBC）和MnCl2在水/DMF混合溶劑中合成了納米MOF，Mn-PBC，在腫瘤中表現(xiàn)出T1增強的磁共振成像功能，同時Mn（II）與過表達的雙氧水產(chǎn)生類芬頓反應產(chǎn)生羥基自由基，表現(xiàn)出化學動力學治療功能.

1.1.2T2型磁共振成像診療平臺 與Gd不同，F(xiàn)e是生物體內(nèi)大量存在的基本元素之一，在許多生物過程中具有非?；竞椭匾淖饔茫?6］.由于體內(nèi)Fe含量較高，因此從MOF框架中泄漏出的Fe元素一般也不會產(chǎn)生毒副作用［38］.與Gd和Mn相比，鐵基磁共振成像造影劑可增加T2弛豫速率，并表現(xiàn)出負向圖像增強，導致磁共振圖像出現(xiàn)暗對比度效應.2010年，Horcajada等［47］首先開發(fā)了鐵基MOFs用作磁共振成像造影劑.研究中使用MIL-88A（Fe）和MIL-100（Fe）2種MOFs，分別由延胡索酸和均苯三甲酸與氯化鐵反應制備，都表現(xiàn)出很高的r2值.通過H3C-PEG-NH2進一步修飾包裹2種納米顆粒后可以降低MOFs在水中的聚集，從而使MIL-88A（Fe）和MIL-100（Fe）的r2值分別由56和73 mmol·L-1·s-1增加到95和92 mmol·L-1·s-1，使其具有更好的成像能力.Zhang等［48］利用MIL-101（Fe）來遞送未甲基化的磷酸胞嘧啶鳥嘌呤寡核苷酸（CpG ODNs），用于磁共振成像引導的免疫治療.MIL-101（Fe）納米粒子通過π-π相互作用后修飾CpG ODNs，與游離的CpG ODNs相比，該納米材料顯示出更強的免疫反應，以及體內(nèi)外更高的T2磁共振成像能力.

1.2 計算機斷層掃描成像診療平臺

計算機斷層掃描成像作為臨床輔助檢查的重要方法之一，具有良好的空間分辨率和較深的組織穿透性，是利用掃描組織間X射線衰減差異重建的三維灰度成像，為癌癥的可視化診斷提供了良好的依據(jù)［49］.目前，高原子序數(shù)元素如I，Au，Bi和Ba等，由于具有高X射線衰減能力，常被用作小分子計算機斷層掃描成像造影劑，以增加靶組織與周圍組織的區(qū)分度.但由于這類小分子造影劑在體內(nèi)清除快，從血管和淋巴管外滲，組織靶向性低及劑量要求高（數(shù)十克）等，嚴重限制了其應用［50］.因此，將Zr，Hf和Bi等高原子序數(shù)金屬元素用于構(gòu)筑MOFs，并進行一定的功能化修飾，即可解決上述問題，從而提高計算機斷層掃描成像指引下的癌癥治療效果.

Lin課題組［51］報道了UiO-66構(gòu)型的含高原子序數(shù)金屬元素（Zr，Hf）的納米MOFs的構(gòu)建，并展示了其作為計算機斷層掃描造影劑的應用.Zr和Hf的原子序數(shù)分別為40和72，是潛在的計算機斷層掃描造影劑.該研究中，將合成的UiO-66（Hf）納米顆粒用二氧化硅和聚乙二醇包裹以提高其生物相容性，并用于小鼠體內(nèi)成像，在肝臟和脾臟都得到了更高的信號衰減.該課題組［52］還合成了節(jié)點為Zr12和Hf12簇、配體為卟啉單元的納米MOFs，不僅具有良好的計算機斷層掃描成像能力，而且還能在X射線照射下分解水產(chǎn)生羥基自由基實現(xiàn)放射治療；同時Hf12簇為節(jié)點的納米MOF還能作為X射線閃爍體，將吸收的X射線能量轉(zhuǎn)移到卟啉配體上，從而激發(fā)卟啉配體產(chǎn)生單線態(tài)氧，達到放射動力學治療的目的.本課題組［53］也合成了以Zr為節(jié)點、鐵卟啉為配體的納米MOF材料，實現(xiàn)了計算機斷層掃描成像指引下的光動力和光熱治療功能.

Bi是天然存在的沒有放射性的最高原子序數(shù)的元素，因此是一種構(gòu)建計算機斷層掃描成像MOFs的理想金屬元素.Farha課題組［54］報道了一種節(jié)點為［Bi6O4（OH）4（NO3）6（H2O）］（H2O），配體為1，3，6，8-四（4-羧基苯基）芘的一維納米MOF，Bi-NU-901.體外實驗結(jié)果表明，Bi-NU-901造影劑的效率分別比具有相同拓撲結(jié)構(gòu)的Zr-MOF和商業(yè)化的造影劑碘克沙醇高約7倍和14倍.此外，Bi-NU-901在磷酸鹽緩沖液中的穩(wěn)定性使其進一步在體內(nèi)應用成為可能.

除了以金屬節(jié)點中的金屬為成像中心外，還可以通過在金屬節(jié)點上后修飾含高原子序數(shù)元素的有機分子作為成像中心.Zhang等［55］合成了一種含有單分散二碘取代的硼-二吡咯亞甲基（BODIPY）染料的MOF，即UiO-PDT，用于大鼠原位肝癌模型的計算機斷層掃描成像［圖4（A）］.將BODIPY通過羧基與節(jié)點Zr的配位作用修飾到UiO-66中，制備了尺寸約為70 nm的八面體UiO-PDT.實驗結(jié)果表明，UiO-PDT具有良好的生物安全性以及與濃度相關的X射線衰減效應，在濃度為40 mg/mL，R2=0.997時，衰減值為236 HU［圖4（B）］.從大鼠原位肝癌模型的成像結(jié)果看，UiO-PDT優(yōu)先在腫瘤部位積聚，而非周圍結(jié)締組織和器官，靜脈注射24 h后腫瘤與周圍組織輪廓非常清晰，可獲得最佳成像效果.該研究為構(gòu)建具有計算機斷層掃描成像能力、可用于疾病診斷和治療的MOFs提供了可能.

1.3 正電子發(fā)射斷層掃描成像診療平臺

正電子發(fā)射斷層掃描成像是一種核醫(yī)學成像技術，應用正電子發(fā)射核素的解體來可視化體內(nèi)的代謝過程，具有穿透深度大、劑量要求小、靈敏度高及定量能力強等優(yōu)點［56］.通常，臨床使用的正電子發(fā)射斷層掃描成像造影劑包含18F（t1/2=109.8 min），11C（t1/2=20.39 min），13N（t1/2=9.965 min），15O（t1/2=2.037 min），68Ga（t1/2=68 min），64Cu（t1/2=12.7 h），89Zr（t1/2=3.27 d）和124I（t1/2=4.176 d）等元素［57］，但是這類臨床造影劑同樣面臨組織特異性差等問題，因此通過將這類元素引入MOFs后可以增加其成像效果.

Hong等［58］通過在合成過程中加入鋯的正電子發(fā)射同位素89Zr，開發(fā)了具有放射性的UiO-66納米MOF（89Zr-UiO-66），并將其作為放射性示蹤劑.通過負載DOX，并進一步用芘衍生的聚乙二醇（Py-PGA-PEG）和F3肽配體進行表面修飾，以靶向腫瘤細胞上的核蛋白，并增強腫瘤區(qū)域納米MOF的細胞攝取和藥物遞送［圖5（A）］.在F3靶向肽修飾后，通過在不同時間點將此材料注射到MDA-MB-231腫瘤小鼠后進行正電子發(fā)射斷層掃描成像研究，發(fā)現(xiàn)MDA-MB-231人乳腺腫瘤細胞對89Zr-UiO-66具有選擇性地增強攝取作用［圖5（B）］.毒性評估結(jié)果證實，適當PEG化的89Zr-UiO-66不會對實驗對象造成急性或慢性毒性.由于核仁素對腫瘤血管和腫瘤細胞具有選擇性靶向作用，這種具有放射性的納米MOF可在癌癥治療中得到廣泛應用.

Fig.4 CT imaging properties of UiO-PDT[55]

Fig.5 Synthesis and PET imaging properties of 89Zr-UiO-66/Py-PGA-PEG-F3[58]

1.4 光學成像診療平臺

光學成像是一種常用的疾病診斷成像技術，其通過顯像劑將光轉(zhuǎn)化為熒光或磷光信號，反映生物體中器官、組織或細胞的信息，具有操作方便、靈敏度好以及分辨率高等優(yōu)點.由于鑭系元素具有穩(wěn)定的強熒光發(fā)射、大而有效的斯托克斯位移和較長的熒光壽命，因此基于金屬節(jié)點的MOFs光學成像診療平臺主要通過構(gòu)筑鑭系MOFs實現(xiàn).

Abazari等［59］報道了一種以9配位Eu（III）為節(jié)點的MOF，Eu：TMU-62-NH2，經(jīng)過葉酸表面修飾和5-氟尿嘧啶（5-Fu）負載后進行人乳腺癌MCF-7細胞的靶向遞送與熒光成像.與無葉酸修飾的材料相比，葉酸修飾的材料具有更好的癌細胞靶向能力，表現(xiàn)出更強的紅色熒光發(fā)射.此外，該材料具有在酸性環(huán)境中響應釋放5-Fu的能力，可以實現(xiàn)腫瘤微環(huán)境中的可控釋放.與單分子的5-Fu相比，該材料具有更大的活性氧產(chǎn)生能力和細胞凋亡能力.

除了單純的金屬節(jié)點作為光學成像中心外，還可以通過后修飾金屬節(jié)點實現(xiàn)光學成像中心的引入.Xie等［60］將BODIPY染料通過羧基與MOFs中的金屬節(jié)點的配位作用引入到MOFs中.通過溶劑熱法制備了平均直徑為70 nm的八面體UiO-66納米晶體，并通過溶劑輔助配體交換將羧酸鹽功能化的二碘-BODIYP（I2-BDP）連接到Zr6節(jié)點上，負載量可以達到約30%（質(zhì)量分數(shù)），具有良好的熒光成像能力和光動力治療效果.

2 基于(后修飾)有機配體的癌癥診療平臺

有機配體在MOFs中扮演了非常重要的角色，也是MOFs區(qū)別于一般無機材料的重要部分，有機配體構(gòu)型和功能的可設計性造就了MOFs結(jié)構(gòu)和功能的多樣性.因此，通過有機配體的設計及后修飾，可以賦予MOFs各種成像性質(zhì)及治療功能.

2.1 磁共振成像診療平臺

除了在MOFs節(jié)點中引入金屬外，有機配體也可以負載和修飾金屬離子，因此有機配體也可以作為磁共振成像的中心.Yin等［61］將順磁性金屬離子螯合到有機配體卟啉環(huán)中制備金屬卟啉MOFs，用于T1加權磁共振成像引導的癌癥治療.通過將順磁性Mn離子螯合到卟啉環(huán)中，金屬卟啉MOFs具有卓越的T1加權磁共振對比能力、高光熱轉(zhuǎn)換和熱響應NO釋放性質(zhì).體內(nèi)實驗結(jié)果表明，磁共振成像顯示金屬卟啉MOFs通過靜脈注射到小鼠體內(nèi)后可在腫瘤部位有效積累.經(jīng)過808 nm激光照射下的光熱治療和NO氣體治療后，腫瘤被完全抑制，說明該金屬卟啉MOFs在磁共振指引治療中的應用潛力.

2.2 正電子發(fā)射斷層掃描成像診療平臺

Wang等［62］通過原位聚合策略制備了聚合物包裹的納米MOFs，具有很強的生理穩(wěn)定性，用于正電子發(fā)射斷層掃描成像引導的可控藥物遞送.鋯基卟啉MOF（Zr-MOF）、MIL-101（Fe）、ZIF-8和UiO-66等MOFs可用于錨定雙［2-（甲基丙烯酰氧基）乙基］磷酸鹽（BMAP）配體，在表面形成由不同單體［如N，N′-雙（丙烯酰）半胱氨酸、丙烯酸、聚（乙二醇）二丙烯酸酯、熒光素二甲基丙烯酸酯和聚（乙二醇）甲基丙烯酸酯］制成的聚合物涂層，最終得到聚合物包裹的MOFs.與原始MOFs相比，聚合物包裹的MOFs在磷酸緩沖液和細胞培養(yǎng)基RPMI-1640中的穩(wěn)定性顯著增強.同時，聚合物包覆MOFs的穩(wěn)定性也與包裹在表面的單體類型有關.以卟啉Zr-MOF為例，利用卟啉中心與64Cu配位得到的Zr-MOF在A431荷瘤小鼠中表現(xiàn)出良好的正電子發(fā)射斷層掃描成像能力.重要的是，與64Cu標記的Zr-MOF相比，64Cu標記的聚合物包裹的Zr-MOF由于延長了血液循環(huán)時間而在腫瘤區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了顯著的積累，具有更好的監(jiān)測和治療效果.

2.3 光學成像診療平臺

有機熒光小分子具有生物相容性好、熒光量子產(chǎn)率高及易設計合成等特點，是一種理想的光學成像試劑.但往往由于水溶性低及組織靶向能力差等問題而受到限制.因此，通過將此類分子設計成多齒有機配體，用以構(gòu)筑納米MOFs，有望解決上述問題.

Zhang等［63］報道了一種用仿生癌細胞膜包裹的MOF納米材料（mCGP），用于熒光成像引導的癌癥饑餓和光動力協(xié)同治療.由Zr6團簇和四羧基苯基卟啉（TCPP）制備球形PCN-224 MOF，通過靜電作用負載葡萄糖氧化酶（GOx）和過氧化氫酶（CAT），然后包裹癌細胞膜，制備了具有10 nm均勻外脂質(zhì)雙分子層的仿生核殼材料mCGP.由于仿生表面的修飾，mCGP的免疫逃逸和同源靶向能力將顯著提高其對腫瘤的靶向和滯留效應.一旦進入到腫瘤細胞中，mCGP裝載的CAT可以將H2O2分解為O2，從而改善缺氧微環(huán)境中的O2含量，而GOx可以促進葡萄糖的消耗，對腫瘤進行有效的饑餓治療.此外，在光照射下，TCPP具有光動力治療的功能.同時，通過體內(nèi)熒光成像測試可以跟蹤靜脈給藥后mCGP在腫瘤部位的積累情況，確定給藥后光照的時間以及藥物的代謝情況.

聚集誘導發(fā)光（AIE）分子是一類在單分散狀態(tài)不發(fā)光，聚集狀態(tài)下發(fā)強熒光的分子，具有良好的光穩(wěn)定性、大的斯托克斯位移以及高效的活性氧產(chǎn)生能力等特點，是一類理想的生物成像和治療分子［64，65］.本課題組［66］設計了含AIE分子的納米MOF復合材料，用于熒光成像指引的光動力和化學動力聯(lián)合治療乳腺癌.如圖6所示，將AIE分子單元設計修飾到對苯二甲酸中，用于構(gòu)筑含AIE分子的UiO-66構(gòu)型A-NUiO MOF，為了克服水對AIE分子熒光發(fā)射的干擾，在其表面修飾一層疏水的小分子層十二烷二酸（DCDA），然后再在其表面修飾銅摻雜的ZIF-8層，得到熒光猝滅和光動力功能抑制的核殼型納米材料A-NUiO@DCDA@ZIF-Cu.當該材料進入腫瘤微環(huán)境之后，由于外層ZIF-Cu在弱酸性和高GSH含量條件下不穩(wěn)定而降解，從而導致疏水核A-NUiO@DCDA聚集，增加其在腫瘤的滯留時間，同時恢復熒光發(fā)射和增強光動力效果，實現(xiàn)腫瘤微環(huán)境刺激響應的熒光成像與光動力治療.此外，ZIF-Cu降解釋放的Cu2+能消耗谷胱甘肽，生成的Cu+能進行化學動力學治療，進一步增加了腫瘤的治療效果.

Fig.6 Schematic illustration of the synthesis process and theranostic features of A-NUiO@DCDA@ZIF-Cu[66]

除了直接利用構(gòu)筑MOFs的有機配體作為光學成像診療分子外，還可以通過后修飾有機配體引入光學成像診療試劑.Lin課題組［67］合成了有機配體氨基功能化的MIL-101（Fe）納米顆粒，通過氨基與羧基或烯丙基溴的反應后修飾光學成像試劑BODIPY，負載量可達11.6%（質(zhì)量分數(shù)），進一步修飾一層二氧化硅層后，可以實現(xiàn)較好的熒光成像能力，而負載鉑類前藥可以進行化學療法殺死腫瘤細胞.

2.4 光聲成像診療平臺

光聲成像是生物組織吸收脈沖激光產(chǎn)生光聲信號而形成的一種獨特的無創(chuàng)、非電離醫(yī)學影像檢測技術，是研究靶向組織的形態(tài)結(jié)構(gòu)、病理特征和代謝功能的重要工具，特別適用于癌癥的早期診斷和治療監(jiān)測［68］.與其它成像技術一樣，MOFs也被用作光聲成像試劑，以獲得高質(zhì)量成像引導下的增強癌癥治療效果.

Zhou等［69］利用鈀與四吡啶基卟啉（TPyP）外圍吡啶基團的配位，合成了一種卟啉Pd-MOF.在Pd-MOF中對單原子Pd進行還原加氫后，得到的PdH-MOF具有分布均勻的納米級尺寸、良好的水分散性、優(yōu)良的光熱效率（光熱轉(zhuǎn)換效率為44.2%）與光聲成像性能、持續(xù)的還原釋氫行為以及高的腫瘤靶向性.因此，得到的PdH-MOF納米顆粒具有光聲成像引導下的光熱和氫氣協(xié)同治療癌癥的作用.

本課題組［70］以光聲成像分子5，15-二（對苯甲酸）細菌卟吩（H2DBBC）為配體，Hf（6μ3-0）（4μ3-OH）4為節(jié)點，合成了一種多功能的細菌葉綠素基MOF納米片，DBBC-UiO，用于缺氧腫瘤的光聲成像引導的光動力治療［圖7（A）］.DBBC-UiO納米片長約220 nm，厚約4.6 nm，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，在754 nm處有強烈的近紅外吸收峰，可進行較深組織的光動力治療.實驗結(jié)果表明，DBBC-UiO在近紅外激光照射下，既可以通過II型光動力機制產(chǎn)生1O2，也可以通過I型光動力機制在嚴重缺氧微環(huán)境中產(chǎn)生大量的超氧陰離子自由基（·O2-），從而促進腫瘤細胞凋亡.進一步實驗表明，該材料在MCF-7荷瘤小鼠中表現(xiàn)出良好的生物相容性、優(yōu)秀的光聲成像能力和顯著的腫瘤生長抑制作用［圖7（B）和（C）］，為利用基于MOF的納米平臺對缺氧實體腫瘤進行成像引導的光動力治療提供了新的機會.

Fig.7 Synthesis,PA imaging and tumor therapy properties of DBBC-UiO[70]

3 基于MOFs復合物的癌癥診療平臺

MOFs具有可調(diào)的孔道尺寸、超高的比表面積和孔隙率以及可設計的降解性質(zhì)，是一種理想的成像試劑和活性藥物載體，特別對于一些疏水性的、在血液循環(huán)中易被清除的物質(zhì)，可以顯著增加其腫瘤積聚.

3.1 磁共振成像診療平臺

Yang課題組［71］將具有T2加權磁共振成像能力的Fe3O4納米顆粒原位負載到UiO-66中，得到核殼結(jié)構(gòu)的Fe3O4@UiO-66，然后與水溶性羧酸鹽柱［6］芳烴（WP6）納米閥反應形成智能診療納米復合物，F(xiàn)e3O4@UiO-66@WP6，用于磁共振成像引導的宮頸癌治療［圖8（A）］.Fe3O4@UiO-66核殼納米復合物通過將具有高負載抗腫瘤藥物5-Fu能力的UiO-66-NH2殼層生長在具有優(yōu)異的磁共振成像能力和磁分離效應的Fe3O4核表面制備.隨后，WP6納米閥通過與UiO-66-NH2殼層上含有的1-（6-溴己基）溴化吡啶的動態(tài)主-客體相互作用修飾到Fe3O4@UiO-66納米復合物表面，制得在病理環(huán)境下具有多刺激響應性藥物釋放能力的Fe3O4@UiO-66@WP6.值得注意的是，該智能診療納米平臺具有良好的生物相容性，優(yōu)異的T2加權磁共振能力［圖8（B）］以及對HeLa細胞的卓越殺傷作用.有趣的是，WP6納米閥的存在可使藥物持續(xù)釋放超過7 d，這證明了超分子納米閥在藥物可控釋放方面的有效性和可調(diào)性.該研究為配有超分子納米閥的MOF基納米復合物用于癌癥診斷和治療提供了可能.

Fig.8 Synthesis,MRI imaging and chemotherapy properties of Fe3O4@UiO-66@WP6[71]

3.2 計算機斷層掃描成像診療平臺

Han等［72］利用Au納米棒（NRs）的計算機斷層掃描成像性質(zhì)，將其與ZIF-8構(gòu)建了一種Janus納米復合材料，即LA-AuNR/ZIF-8，用于H22荷瘤小鼠的計算機斷層掃描成像引導的化學-光熱協(xié)同治療.該體系中，在聚丙烯酸的作用下ZIF-8被組裝到Au NRs上，然后在側(cè)表面上修飾靶向基團乳酸，制得Janus構(gòu)型的LA-AuNR/ZIF-8.為了評估該系統(tǒng)的藥物傳遞能力，將DOX作為模型藥物負載到LA-AuNR/ZIF-8中，載藥量為30%，可以在弱酸性pH條件/近紅外刺激下響應釋放.值得注意的是，由于Au NRs的存在，LA-AuNR/ZIF-8表現(xiàn)出33%的光熱轉(zhuǎn)換效率，顯示出良好的光熱治療能力和計算機斷層掃描成像能力.因此，具有良好生物相容性和雙刺激響應藥物釋放的LA-AuNR/ZIF-8在近紅外激光照射下表現(xiàn)出有效的計算機斷層掃描成像引導的協(xié)同化療和光熱治療效果.

3.3 光學成像診療平臺

持久性發(fā)光納米顆粒（PLNPs）具有一種獨特的光學現(xiàn)象，即使在移除激發(fā)光源后，也會連續(xù)發(fā)射數(shù)秒或數(shù)小時［73］.基于這些優(yōu)勢，Xie等［74］報道了ZIF-8納米顆粒與鉻摻雜的ZGGO近紅外PLNPs的復合物，使得該核殼多功能納米復合物在近紅外光譜區(qū)域發(fā)射，可在體內(nèi)條件下消除自體熒光干擾并獲得深部組織穿透和低輻照損傷.在該研究中，PLNPs提供了長期的近紅外持續(xù)發(fā)光信號，用于具有紅光可充電特性的自熒光生物成像，而具有較好生物相容性的ZIF-8提供了一個外殼結(jié)構(gòu)，用以負載抗癌藥物DOX.所制備的ZGGO@ZIF-8-DOX多功能復合物通過DOX熒光和近紅外持續(xù)發(fā)光實現(xiàn)了4T1小鼠乳腺腺癌細胞的雙重成像，并可作為pH響應型藥物遞送系統(tǒng)，在體內(nèi)腫瘤熒光成像和治療方面表現(xiàn)出非常好的效果.

量子點（QDs）是一種半導體納米晶，通常在2～10 nm的大小范圍內(nèi)，具有尺寸依賴的熒光發(fā)射［75］.與傳統(tǒng)熒光分子相比，QDs的光致發(fā)光帶窄、吸收窗寬、摩爾消光系數(shù)大、光漂白率低、量子產(chǎn)率高且化學穩(wěn)定性好，因此在各種領域都具有廣闊的應用前景，而其與MOFs的結(jié)合近年來引起了人們的關注［76］.特別是熒光碳點（C-dots），作為一類新型的量子點和納米碳，與有毒的金屬基量子點相比，具有較強的熒光強度、較高的物理化學穩(wěn)定性和較低的毒性，具有很高的生物醫(yī)學應用價值［77］.本課題組［78］設計合成了一種“火龍果”型的MOF碳點復合物，用于熒光成像指引的光動力治療（圖9）.通過在卟啉MOF，PCN-224中負載具有上轉(zhuǎn)換性質(zhì)的C-dots，可以在近紅外激光（808 nm）照射下激發(fā)碳點，再將能量轉(zhuǎn)移到卟啉上，進行熒光成像和光動力治療.同時在MOF表面修飾TPP后，可以實現(xiàn)線粒體靶向功能，達到更好的光動力治療效果.

Fig.9 Schematic illustration of the structure of PCDTs and their application to 808 nm NIR light-activated and mitochondria-targeted PDT[78]

Fig.10 Synthesis,PA imaging and chemo/photothermal tumor therapy properties of MCH NPs[79]

3.4 光聲成像診療平臺

Chen等［79］利用MIL-100（Fe）制備了多功能MOF納米復合物，用于光聲成像引導的化療/光熱聯(lián)合治療.MIL-100（Fe）可以高效負載姜黃素作為化療藥物，并在表面包覆聚多巴胺（PDA），賦予其光聲成像性質(zhì)和光熱轉(zhuǎn)換性能，同時增強納米復合物在體循環(huán)中的穩(wěn)定性和生物相容性.最后在表面進一步與PDA反應修飾透明質(zhì)酸（HA），以特異性靶向CD44過表達的腫瘤細胞.研究結(jié)果（圖10）顯示，該納米復合物在腫瘤部位明顯聚集，并實現(xiàn)了光聲成像引導下的化療/光熱聯(lián)合治療，得到了良好的治療效果.

本課題組［80］報道了一種乏氧響應的Cu-MOF/Ce6納米復合物，用于精準遞送藥物至深層腫瘤進行光聲成像引導的化學動力學/聲動力學聯(lián)合治療.研究表明，尺寸可變的Cu-MOF/Ce6通過EPR效應在腫瘤中有效積累，在乏氧條件下降解后釋放Cu2+和Ce6，然后滲透到腫瘤深層組織.內(nèi)化的Cu2+和細胞內(nèi)過表達的GSH之間發(fā)生氧化還原反應誘導GSH耗盡，并通過類芬頓反應觸發(fā)Cu+介導的化學動力學治療，而釋放的Ce6在超聲作用下進行聲動力治療，同時表現(xiàn)出光聲成像的性質(zhì).

4 基于MOFs衍生物的癌癥診療平臺

MOFs作為一種規(guī)則有序的有機-無機多孔材料，通過高溫熱解可以部分保持孔道和長程結(jié)構(gòu)，從而得到多孔的碳材料或者金屬/金屬氧化物與碳的復合材料，這種材料可以保持原有MOFs的多孔性，得到含單原子的仿生酶性質(zhì)，并改變其光學聲學等性質(zhì)，從而拓展其在生物成像與治療中的應用.此外，也可以利用MOFs作為模板，合成具有特定結(jié)構(gòu)和功能的納米材料，實現(xiàn)特定的生物成像與治療功能.

Fig.11 Synthesis,MRI imaging and PDT properties of MCOPP-Ce6[81]

4.1 磁共振成像診療平臺

Zhao等［81］報道了一種MOF衍生的介孔納米酶，具有模擬過氧化氫酶的活性，用于分解雙氧水產(chǎn)生氧氣，緩解腫瘤乏氧，增強光動力治療活性.如圖11（A）和（B）所示，通過在空氣中一步煅燒硅包覆的Mn3［Co（CN）6］2MOF可以得到單分散的MnCoO納米顆粒，進一步負載Ce6和表面PEG化修飾后得到最終的MOFs衍生納米酶MCOPP-Ce6.由于MOFs固有的介孔特性，在煅燒過程中保持了良好的三維介孔納米結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出增強的光動力學治療效果.該納米酶在H2O2的存在下表現(xiàn)出良好的過氧化氫酶模擬活性，產(chǎn)生大量O2，在激光照射下O2的持續(xù)供給有利于MCOPP-Ce6產(chǎn)生更多的1O2［圖11（C）］，增強光動力治療效果.由于Mn元素的存在，該納米酶表現(xiàn)出較強的磁共振成像信號，r2值為56.4 mmol·L-1·s-1，可以示蹤腫瘤內(nèi)隨時間變化的藥物積累程度，從而更好地確定給藥后光動力治療的時間點以及藥物的代謝情況［圖11（D）］.

Pan等［82］以ZIF-8為模板，合成了MOF衍生的雙層中空硅酸錳納米顆粒（DHMS），DHMS具有磁共振成像引導的聲動力治療功能.該研究以ZIF-8為模板，選擇性部分刻蝕ZIF-8，在其表面包覆一層介孔二氧化硅形成蛋黃蛋白結(jié)構(gòu)的ZIF-8@mSiO2，最后引入Mn2+刻蝕ZIF-8原位形成中空結(jié)構(gòu)的硅酸錳納米顆粒（DHMS）.Mn2+賦予了該納米材料磁共振成像的能力，中空結(jié)構(gòu)增強了超聲引起的ROS產(chǎn)生能力，最終實現(xiàn)了磁共振成像引導的增強聲動力診療性質(zhì).

4.2 光聲成像診療平臺

Yang等［83］通過一步法合成了ZIF-8衍生碳納米顆粒（ZCNs），以實現(xiàn)光聲成像引導的癌癥光療，并研究了納米顆粒尺寸對光療和光聲成像性質(zhì)的影響（圖12）.由體內(nèi)光聲成像監(jiān)測可知，ZCNs作為光熱劑和光敏劑，在近紅外激光照射下可以同時產(chǎn)生熱量和活性氧，導致有效的腫瘤消融.此外，納米顆粒尺寸的增加可以增強光療效果和光聲信號強度.

Fig.12 Synthesis,PA imaging and PDT/PTT tumor therapy properties of ZCNs[83]

5 總結(jié)與展望

本文從MOFs結(jié)構(gòu)出發(fā)，介紹了將癌癥診療藥物負載到MOFs中的4種策略，包括（后修飾）金屬節(jié)點、（后修飾）有機配體、MOFs復合物和MOFs衍生物，并總結(jié)了MOFs在磁共振成像、計算機斷層掃描成像、正電子發(fā)射斷層掃描成像、光學成像和光聲成像等多種成像技術指導下作為多功能癌癥診斷和治療平臺的最新進展和成果.將成像技術和治療策略整合在一個系統(tǒng)中，開發(fā)基于MOFs成像引導的精確診療平臺，實現(xiàn)對腫瘤的同時診斷和治療.迄今，已經(jīng)開發(fā)了許多優(yōu)秀的MOFs平臺以滿足癌癥治療中日益增長的特殊需求.如前文所述，MOFs作為智能診療平臺，主要依靠其易后修飾、孔隙和功能可調(diào)、結(jié)構(gòu)可設計等獨特性質(zhì)，證明了MOFs在癌癥治療中的巨大應用潛力.

盡管在實驗室研究中取得了顯著的進展，但MOFs在癌癥的診斷和治療中仍然面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，這限制了其在臨床的進一步應用.首先，MOFs的毒性和生物安全性是臨床應用前需要研究的關鍵問題.由于MOFs種類的多樣性，其毒性與其組成、尺寸、穩(wěn)定性和物理化學性質(zhì)密切相關.同時，還應考慮人體不同活體組織的耐受性.因此，有必要對各種MOFs的毒性進行綜合評價.目前報道的許多關于MOFs毒性的優(yōu)秀研究工作主要集中在急性毒性和短期毒性，而對長期毒性的研究較少，這需要大量長期的體內(nèi)和組織積累研究.此外，通過Fe，Ca及Zr等具有高度生物相容性的金屬離子為金屬節(jié)點，內(nèi)源性分子為有機配體構(gòu)筑的MOFs可以有效降低其內(nèi)在毒性.

其次，由于癌癥的復雜性和多樣性，有必要開發(fā)智能和多功能的MOFs診療系統(tǒng)，以實現(xiàn)癌癥的精準治療.重要的是，動物腫瘤模型與實際的人類腫瘤之間存在顯著差異.許多MOFs診療平臺在動物模型中表現(xiàn)出了出色的抗腫瘤能力，但對實際人類腫瘤的治療效果仍需綜合評價.此外，雖然目前報道的主動靶向配體可以部分提高腫瘤細胞對載體的內(nèi)化能力，但開發(fā)只針對腫瘤細胞殺傷而對正常細胞無副作用的納米藥物仍是亟待解決的問題.幸運的是，MOFs表面的各種官能團，如—NH2，—COOH，—N3等可以保證靶點配體的成功修飾.

最后，由于MOFs是一種通過配位作用自組裝形成的材料，因此不同批次間保證相同成分、形貌與尺寸的高質(zhì)量制備是一大挑戰(zhàn).特別是一些整合多種成像和治療功能于一體的復合材料，往往制備步驟多，過程繁瑣，質(zhì)控難度大.但是隨著納米合成技術的發(fā)展，納米工藝技術的成熟，納米MOFs的可控合成也會不斷成熟和穩(wěn)定.總之，雖然MOFs作為臨床診療仍然面臨著長期的挑戰(zhàn)，但已經(jīng)取得了顯著的進展.由于MOFs具有可精確定制的獨特性能，未來將會廣泛應用于臨床.