血紅蛋白類氧載體在腫瘤治療領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展

鄭詩凡 王紅 徐瑩璨 吳嘉康 周文濤 郝莎莎

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院輸血研究所，四川 成都 610052)

1 HBOCs 研究現(xiàn)狀

自20 世紀(jì)早期，隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)明輸血以來，全球?qū)τ谘嘿Y源的需求給血液供應(yīng)帶來巨大壓力[1]。 血紅蛋白類氧載體(hemoglobin-based oxygen carriers，HBOCs)作為1種人工血液代用品，以紅細(xì)胞的主要組成成分血紅蛋白(hemoglobin，Hb)為原料，經(jīng)修飾后在機(jī)體內(nèi)能夠攜/釋氧的載體粒子，具有無需交叉配血、低毒性、易保存等優(yōu)點(diǎn)，因此收到廣泛關(guān)注。 Hb 是紅細(xì)胞在機(jī)體內(nèi)攜/釋氧的主要功能蛋白，雖然無紅細(xì)胞膜的血紅蛋白仍具有運(yùn)輸氧氣的能力，然而，裸露在血液中的純化血紅蛋白會(huì)受到人體免疫系統(tǒng)的排斥，此外還存在如腎毒性、易引起血管內(nèi)膠體滲透壓升高和易引起血管收縮等缺點(diǎn)。 因此，為了使純化血紅蛋白能夠安全有效地應(yīng)用于人體，通常需經(jīng)過化學(xué)修飾或包封等處理。 常用方法為:通過交聯(lián)策略或與其他聚合物偶聯(lián)來對Hb 進(jìn)行化學(xué)修飾，或以脂質(zhì)或聚合物膠囊形式對Hb 進(jìn)行包封[1]。

HBOCs 作為1 種重要的血液代用品得到深入持續(xù)研究，并在不斷探索更廣泛的應(yīng)用范圍。 HBOCs 因其無細(xì)胞結(jié)構(gòu)的特性具有較高的釋氧速率[2]，即使僅輸入較低濃度，也能迅速釋放大量氧氣到機(jī)體內(nèi)[3]。 此外，因其納米級粒徑和低粘度的特性，HBOCs 可通過正常紅細(xì)胞難以通過的微循環(huán)末梢，進(jìn)而有效增加血液供應(yīng)[4]。 利用上述特性，HBOCs 不僅可作為紅細(xì)胞替代品運(yùn)用到輸血和缺血性急救，還能作為治療藥物應(yīng)用于一些新的領(lǐng)域如腫瘤治療、傷口愈合、器官移植灌注等發(fā)揮作用[5]。 研究發(fā)現(xiàn)，HBOCs 可進(jìn)入紅細(xì)胞無法達(dá)到的實(shí)體瘤內(nèi)部紊亂微小血管網(wǎng)，改善腫瘤內(nèi)部缺氧微環(huán)境，提高腫瘤組織的氧合水平，具有重要的研究價(jià)值和應(yīng)用前景。 針對當(dāng)前研究熱點(diǎn)，本文綜述了缺氧對腫瘤的影響以及HBOCs 在腫瘤治療領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。

2 腫瘤缺氧微環(huán)境

2.1 腫瘤缺氧微環(huán)境

與正常細(xì)胞相比，腫瘤細(xì)胞處于無限分裂和增殖狀態(tài)，能夠自主形成新生血管以獲取營養(yǎng)，容易發(fā)生侵襲和轉(zhuǎn)移。腫瘤細(xì)胞與周圍的多種間質(zhì)細(xì)胞(內(nèi)皮細(xì)胞、免疫細(xì)胞、成纖維細(xì)胞等)和細(xì)胞外基質(zhì)互相作用、共同構(gòu)成1 個(gè)復(fù)雜的有機(jī)體，即為腫瘤微環(huán)境(tumour microenvironment，TME)。與正常組織相比，腫瘤組織最終呈現(xiàn)缺氧、酸性等顯著特點(diǎn)[6]，實(shí)體瘤內(nèi)部氧分壓低于10 mmHg[7]。 研究人員發(fā)現(xiàn)在缺氧環(huán)境中生長的癌細(xì)胞，其在腫瘤發(fā)展中增殖、轉(zhuǎn)移、侵襲性明顯高于正常含氧量中生長的癌細(xì)胞[8-10]。 缺氧微環(huán)境與腫瘤的發(fā)生、生長及轉(zhuǎn)移密切相關(guān)會(huì)顯著降低臨床放化療或免疫治療等抗腫瘤治療的效果。 因此，改善腫瘤缺氧或可提高腫瘤治療效率。

2.2 缺氧在腫瘤進(jìn)展中的作用

缺氧在腫瘤進(jìn)展中的發(fā)揮著重要作用，與腫瘤缺氧微環(huán)境密切相關(guān)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子是缺氧誘導(dǎo)因子(hypoxia-inducible factor，HIF)，腫瘤細(xì)胞在低氧條件下的存活機(jī)制與HIF 的表達(dá)密不可分[11]。 HIF-1α 是1 種典型的低氧內(nèi)源性生物標(biāo)志物，在缺氧環(huán)境中的氧分壓下降時(shí)被激活[12]。 在TME 中，HIF-1α 作為細(xì)胞平衡和缺氧誘導(dǎo)基因表達(dá)的中心調(diào)節(jié)因子，可調(diào)控基質(zhì)金屬蛋白酶2、CXC 族趨化因子受體4(CXCR4)、血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)、轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)等一系列與腫瘤進(jìn)展有關(guān)的靶基因的轉(zhuǎn)錄[8-10]。此外，腫瘤缺氧還通過HIF-1α 依賴性機(jī)制調(diào)控免疫抑制代謝物-細(xì)胞外腺苷增加[13]。 腺苷的積累可直接引起關(guān)鍵免疫細(xì)胞群的改變:干擾效應(yīng)細(xì)胞(效應(yīng)T 細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞等)的存活、遷移和抗腫瘤免疫功能[14-16]，促進(jìn)免疫抑制細(xì)胞[調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞(Tregs)、髓源性抑制細(xì)胞(myeloid-derive dsuppressor cells，MDSCs)、腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞(tumor-associated macrophages，TAMs)等]的分化、募集和免疫抑制功能[17-18]。 除此之外，缺氧時(shí)HIF-1α 會(huì)快速、顯著和選擇性上調(diào)腫瘤細(xì)胞上PD-L1 的表達(dá)，同時(shí)在缺氧條件下增強(qiáng)MDSCs 介導(dǎo)的T 細(xì)胞活化，并伴有IL-6 和IL-10的下調(diào)[19]。 總的來說，缺氧會(huì)通過影響腫瘤血管生成、腫瘤轉(zhuǎn)移、免疫逃逸等各方面影響腫瘤的發(fā)生發(fā)展。 考慮到缺氧TME 在腫瘤進(jìn)展和治療抵抗中的核心作用，研究者們致力于嘗試各種方法來克服腫瘤缺氧微環(huán)境，進(jìn)而提高癌癥治療的敏感性[20]，包括可提高腫瘤部位氧合能力的高壓氧療法、可釋氧納米顆粒聯(lián)合療法、靶向缺氧相關(guān)途徑的抑制劑等[21-23]。 越來越多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)認(rèn)識到氧對腫瘤治療的重要性。

3 HBOCs 在腫瘤治療領(lǐng)域的臨床前研究

盡管HBOCs 具有低粘度、納米級粒徑等優(yōu)勢[4]，為達(dá)到更高效、精確治療腫瘤的目的，研究者們還通過修飾或組裝方式使HBOCs 具有長循環(huán)、靶向性、共負(fù)載藥物等特點(diǎn)，以探索HBOCs 在放化療、免疫治療等多腫瘤治療領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

3.1 HBOCs 增效化療

缺氧導(dǎo)致的腫瘤致密紊亂的血管系統(tǒng)不僅會(huì)影響藥物的輸送和攝取，還會(huì)加重腫瘤對化療藥物的耐藥性[24]，因此缺氧被認(rèn)為是化療耐藥的重要因素之一。 修瑞娟團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)PEG 修飾的血紅蛋白溶液聯(lián)合順鉑治療可明顯降低宮頸癌移植瘤小鼠的腫瘤大小，且高濃度PEG-HB(0.6 g/kg)治療效果優(yōu)于其余實(shí)驗(yàn)組，同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)后續(xù)發(fā)現(xiàn)經(jīng)HBOCs 增敏治療的小鼠HIF-1α 和多耐藥基因MDR1 表達(dá)降低[25-26]。Kwan Man 等[27]在2014 年通過在肝癌動(dòng)物模型中注射牛源性血紅蛋白OC89，證實(shí)了其可以增加腫瘤局部的氧供應(yīng)，增強(qiáng)肝癌對于化療的敏感性。 Lee NP 選取了對化療藥具有不同抗性的SLMT-1 移植瘤HKESC-2 移植瘤，發(fā)現(xiàn)HBOCs可降低低氧標(biāo)志物HIF-1α 的水平，使原本更具抗性的SLMT-1 腫瘤對5-氟尿嘧啶敏感[28]。 黃宇彬團(tuán)隊(duì)利用血紅蛋白自身可靶向腫瘤微環(huán)境中表達(dá)CD163 的M2 型腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞(M2-TAM)的特性，制備可靶向耗竭M(jìn)2-TAM 和重編程缺氧微環(huán)境的納米紅細(xì)胞，該納米紅細(xì)胞可共負(fù)載化療藥多柔比星(DOX)，不僅提高了化療藥物的生物利用度，還實(shí)現(xiàn)了藥物靶向治療[29]，這對癌癥治療和血紅蛋白類氧載體的發(fā)展都是突破性的。

HBOCs 增效化療的可能機(jī)制為:1)HBOCs 粒徑小，可以進(jìn)入紅細(xì)胞難以到達(dá)的腫瘤核心部位進(jìn)行供氧；2)HBOCs 沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，能快速增加缺氧部位組織氧分壓，促進(jìn)HIF-1α 的降解，進(jìn)而調(diào)控血管內(nèi)皮生長因子的表達(dá)，使腫瘤血管正?；?，從而提高化療藥物的遞送效率；3)HBOCs恢復(fù)供氧使耐藥標(biāo)志物MDR1 表達(dá)降低，進(jìn)而降低化療藥物耐藥性。

3.2 HBOCs 增效放療

放療殺傷癌細(xì)胞原理可簡單分為直接殺傷作用和間接殺傷作用，直接殺傷是指輻射可直接破壞腫瘤細(xì)胞DNA 結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細(xì)胞壞死或凋亡，間接殺傷是指放射療法中氧氣所產(chǎn)生的ROS 對腫瘤細(xì)胞的殺傷作用[30-32]。 實(shí)體瘤缺氧被認(rèn)為是臨床放射抵抗和失敗最重要的原因，改善腫瘤部位氧合被認(rèn)為是有效的放射增敏方法[33]。 Raabe 等[34]于2009年首次在照射治療前使用脂質(zhì)體包裹的血紅蛋白(0.3 g/kg)對R1H 移植瘤小鼠進(jìn)行放療增敏研究，該實(shí)驗(yàn)中，HBOCs 治療組雖然能改善腫瘤氧合，但只有輕微腫瘤抑制作用，并無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。 Chiko 等[35]在2012 年利用脂質(zhì)體包裹血紅蛋白協(xié)同放射線治療SCCVII 腫瘤小鼠，結(jié)果表明高濃度脂質(zhì)體血紅蛋白溶液(0.6 g/kg、 1.2 g/kg)均可顯著性降低腫瘤大小，而低濃度溶液(0.3 g/kg)在腫瘤治療中無效果。 這表明HBOCs 對放療增敏無效可能與HBOCs 的注射劑量及頻率、腫瘤的種類不同等因素有關(guān)，且HBOCs 在增敏放療治療中呈劑量-效應(yīng)關(guān)系。 2022 年，高若玲等[36]開發(fā)了1 種基于Hb 和姜黃素的自組裝納米顆粒，可通過抑制細(xì)胞增殖和DNA 損傷修復(fù)以及誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡來增強(qiáng)缺氧性肝癌細(xì)胞的放射敏感性，進(jìn)一步優(yōu)化了HBOCs 放射增敏治療方案。

HBOCs 增效放療的可能機(jī)制為:1)HBOCs 提供腫瘤氧合，降低腫瘤組織中低氧細(xì)胞的數(shù)量，從而提升放射敏感；2)HBOCs 為腫瘤組織提供活性氧，促進(jìn)放射治療中氧自由基對腫瘤細(xì)胞DNA 的攻擊。

3.3 HBOCs 增效動(dòng)力學(xué)治療

光動(dòng)力療法(photo dynamic therapy，PDT)由光敏劑、光和氧氣3 種基本成分組成，三者組合形成的光化反應(yīng)最終產(chǎn)生可迅速引起細(xì)胞凋亡、壞死或自噬的大量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)物質(zhì)[37-38]。 然而，腫瘤部位的缺氧微環(huán)境極大程度限制了PDT 的治療效果， PDT 的進(jìn)行伴隨氧氣不斷被消耗，這將會(huì)加重治療區(qū)域的缺氧狀態(tài)，降低治療效果[39]。 為克服這一難題，蔡林濤團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了包載血紅蛋白和光敏劑吲哚箐綠的納米紅細(xì)胞，Hb 能直接對腫瘤部位供氧，在光敏劑和光照條件下產(chǎn)生大量單線氧并抑制腫瘤生長[40]。 該團(tuán)隊(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)的以Hb 為主的納米粒子還能觸發(fā)特異性抗腫瘤免疫應(yīng)答，在結(jié)腸癌和三陰性乳腺癌等多種腫瘤模型均表現(xiàn)出有效的腫瘤抑制能力[41-42]。 王利群團(tuán)隊(duì)制備的共負(fù)載光敏劑ZnPc 的血紅蛋白類氧載體(ZnPc-loaded HbMs)也證實(shí)HBOCs 可有效提高PDT 治療效果[43]。

聲動(dòng)力療法(sonodynamic therapy， SDT)是1 種利用超聲激活聲敏劑進(jìn)行抗腫瘤治療的新型治療方式。 Yuan等[44]發(fā)現(xiàn)，含有天然金屬卟啉的血紅蛋白比傳統(tǒng)有機(jī)聲敏劑更有潛力，Hb 可有效地避免了疏水性卟啉的量子產(chǎn)額堆積所導(dǎo)致的活性氧含量低的問題。 郭立俊團(tuán)隊(duì)通過脂質(zhì)體包封Hb 和聲敏劑構(gòu)建Au＠TiO2-Hb-Lip 納米載體[45]，脂質(zhì)體可保護(hù)Hb 不被機(jī)體清除，同時(shí)延長了Hb 的體內(nèi)循環(huán)時(shí)間，該粒子可解決腫瘤微環(huán)境缺氧問題，并應(yīng)用在腫瘤深部治療，具有較好的抗腫瘤效果。 王筱冰團(tuán)隊(duì)研究表明，超聲輻照可有效放大納米氧載體的氧合作用，促進(jìn)Hb 價(jià)態(tài)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而介導(dǎo)鐵死亡途徑并對抗腫瘤效應(yīng)產(chǎn)生免疫調(diào)節(jié)作用，表現(xiàn)出顯著的體內(nèi)抗腫瘤效果[46]。

HBOCs 增效動(dòng)力學(xué)療法的可能機(jī)制為:1)HBOCs 的直接供氧可為PDT 提供工作原料、增加PDT 工作效率； 2)HBOCs 可有效地避免疏水性卟啉堆積，增加SDT 工作效率；3)HBOCs 能一定程度觸發(fā)免疫反應(yīng)，增強(qiáng)抗腫瘤療效。

3.4 HBOCs 增效免疫治療

免疫治療能觸發(fā)機(jī)體免疫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)特異性識別、追蹤、破壞腫瘤細(xì)胞，是較為理想的腫瘤治療方案。 香港新貝塔公司針對HBOCs 在免疫治療方面的影響的研究表明，聚合牛源血紅蛋白氧載體YQ23 可以通過影響宿主免疫細(xì)胞顯著抑制腫瘤生長，使免疫檢查點(diǎn)PD-L1 下調(diào)，炎性細(xì)胞因子干擾素γ 和溶細(xì)胞顆粒酶B 上調(diào)[47]。

HBOCs 增效免疫治療的可能機(jī)制為:1)HBOCs 通過調(diào)控HIF-1α 降低降低免疫檢查點(diǎn)PD-L1 的表達(dá)，增加免疫治療效果；2)HBOCs 可改善腫瘤組織代謝環(huán)境，降低腺苷積累從而調(diào)控腫瘤免疫抑制微環(huán)境，招募和聚集免疫細(xì)胞。

4 總結(jié)與展望

血紅蛋白類氧載體過去常被用作血液代用品，用以減輕現(xiàn)代輸血壓力。 隨著研究深入，HBOCs 逐漸在多領(lǐng)域發(fā)揮作用，包括腫瘤治療、傷口愈合、器官移植灌注等。 近年來HBOCs 在腫瘤治療領(lǐng)域發(fā)揮作用，研究主要集中在放射治療、化療和新型動(dòng)力學(xué)治療等方面并且已經(jīng)證實(shí)該種增效療法是安全有效的。 與傳統(tǒng)增效放化療方法相比，將HBOCs 包載成有特殊功能的載體粒子能更好地發(fā)揮抗腫瘤效果。 此外，HBOCs 增效免疫治療研究較少，有待未來深入探討。

腫瘤部位缺氧激活腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生系列適應(yīng)性反應(yīng)，可能是一些抗腫瘤藥物產(chǎn)生耐受性的重要原因之一。 研究缺氧與腫瘤進(jìn)展之間的關(guān)系或許是解決抗腫瘤問題的關(guān)鍵點(diǎn)之一。 HBOCs 作為1 種納米級高效攜釋氧劑，在實(shí)體瘤內(nèi)與腫瘤微環(huán)境息息相關(guān)，HBOCs 可通過紅細(xì)胞無法通過的紊亂腫瘤血管直接向乏氧腫瘤組織傳遞氧，從根本上糾正腫瘤乏氧微環(huán)境的產(chǎn)生，下調(diào)HIF-1α 及系列轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，從而改善腫瘤免疫抑制微環(huán)境，可見HBOCs 在抗腫瘤治療發(fā)展方面的良好的發(fā)展前景。 因此，未來研究方向可開發(fā)新型血紅蛋白類氧載體，或與免疫檢查點(diǎn)抑制劑等免疫藥物進(jìn)行聯(lián)用，探討HBOCs 在免疫治療方面的應(yīng)用，深入研究氧與腫瘤微環(huán)境的關(guān)系，挖掘HBOCs 增敏免疫治療的機(jī)制。 綜上所述，HBOCs 增敏腫瘤治療有望成為1 種有前景的臨床治療策略。