具有微能量響應特征的無機納米遞藥系統(tǒng)研究進展

張振中，張慧娟

鄭州大學藥學院；河南省腫瘤重大疾病靶向治療與診斷重點實驗室 鄭州450001

1 引言

惡性腫瘤是一種嚴重威脅人類生命和健康的重大疾病，世界衛(wèi)生組織預測，到2030年全球惡性腫瘤相關疾病死亡人數(shù)將達到1 310萬[1]。化療、手術治療、放療是目前臨床治療惡性腫瘤的主要手段。相比于手術及放療只能針對特定部位腫瘤的限制，化療藥物可隨著血液循環(huán)分布于全身絕大部分組織和器官，因此，對一些有全身散播傾向的惡性腫瘤及已經(jīng)轉移的中晚期惡性腫瘤，化療都是主要的治療手段。但也正因如此，化療缺乏選擇性, 對正常細胞和腫瘤細胞均有殺傷作用, 毒副作用大[2-3]。因此，亟需開發(fā)能夠靶向腫瘤細胞的藥物遞送系統(tǒng)，以期減少毒副作用的同時提高治療效果[4-5]。

近年來圍繞無機納米材料，廣大科技工作者系統(tǒng)開展了微能量(激光、超聲、射頻和磁場等)治療，藥物控釋新機制及活性載體協(xié)同增效等方面的基礎研究，構建了系列腫瘤精準靶向納米治療平臺，獲得了可喜的重要發(fā)現(xiàn)[6-9]。研究揭示了以碳材料為主的若干無機納米材料對微能量轉化為熱能或化學能的響應規(guī)律，以及納米材料表面狀態(tài)(有無修飾、修飾方式、摻雜與否)對微能量轉化效率的影響[10-11]；闡明了微能量、藥物效應及細胞器間的交互作用關系，發(fā)現(xiàn)微能量誘導溶酶體逃逸、打破線粒體穩(wěn)態(tài)、加速ATP耗竭等重要機制可促進藥物效力的發(fā)揮，明確了微能量動力學是腫瘤治療的新機制[12-13]。

無機納米材料的獨特理化性質及刺激響應特征引起了醫(yī)藥研究者的極大興趣，人們廣泛開展了無機納米材料在藥物遞送方面的基礎研究[14]。迄今為止，用于腫瘤藥物遞送的無機納米材料主要有碳納米材料、磁性納米材料、二氧化鈦納米材料、錳納米材料及其他無機納米材料(如納米金、納米硫化銅、納米碳酸鈣和納米介孔硅等)。本文按照納米材料刺激響應類型分別綜述，以期為無機納米材料在抗腫瘤藥物遞送方面的研究和應用提供有益借鑒。

2 多功能無機納米材料的性質及研究進展

2.1碳納米材料

2.1.1 碳納米材料的光刺激響應性 碳納米材料類型較多，如碳納米管(carbon nanotubes, CNTs)、氧化石墨烯(graphene oxide, GO)、富勒烯(fullerenes, C60)和介孔碳納米球(mesoporous carbon hollow sphere, MCHS)等[15-20]。該類納米材料具有比表面積大、藥物荷載能力強、生物相容性好、毒性低、易于表面修飾、細胞穿透性好和電子傳導能力強等優(yōu)勢[15]。而且，該類納米材料特殊的sp2雜化碳結構賦予它們優(yōu)異的光敏或光熱轉換性質。如C60在可見光或紫外光照射下能夠作為光敏劑產(chǎn)生活性氧，用于光動力學治療[18]。CNTs和GO在近紅外光(near-infrared ray,NIR)照射下，可將光能轉化為熱能,用于腫瘤熱療[16-17]。目前碳納米材料已被廣泛應用于藥物的靶向遞送與控釋、光熱治療、光動力學治療、腫瘤細胞的熒光標記、催化、生物傳感和生物大分子的分離等諸多領域[21-24]。

2.1.2 基于碳納米材料的遞藥系統(tǒng) 由于碳納米材料的特殊結構，未經(jīng)修飾的碳納米材料在水中的分散性差，阻礙了其在體內的進一步應用。將具有良好生物相容性的高聚物或具有腫瘤識別功能的靶向配體通過共價或非共價方法修飾在其表面，可顯著改善碳納米材料的水分散性，并賦予其多種功能，發(fā)揮更好的治療作用[25]。細胞對經(jīng)過修飾的CNTs的攝取能力增強，從而增加了藥物轉運效率，同時還可降低CNTs引起的細胞氧化應激水平[26]。聚乙二醇(PEG)修飾可顯著延長納米石墨烯的血液循環(huán)時間，提高其在腫瘤部位的蓄積量，顯著增強光熱治療效率[23]。不僅如此，碳納米材料的表面修飾方式還會影響其光轉化效應。Wang等[10]分析了聚乙烯亞胺(PEI)化學修飾的和PVP物理吸附修飾的CNTs(PEI-CNTs和PVP-CNTs)在鹵鎢燈照射下的光轉化效應，首次發(fā)現(xiàn)CNTs表面修飾方式(共價結合或物理吸附)對光熱轉化效應有顯著影響，PEI-CNTs不僅具有優(yōu)異的NIR-熱轉換能力，而且在可見光照射下還能有效產(chǎn)生活性氧(ROS)。該研究證實了碳納米材料表面狀態(tài)會顯著影響其微能量響應特征。

碳納米材料具有獨特的光吸收特征，可吸收特定波段的光能并將其高效轉化為具有腫瘤殺傷作用的熱能或化學能，用于腫瘤的微創(chuàng)精準治療[27]。Kam等[24]使用葉酸修飾PEG-CNTs，通過腫瘤細胞表面高表達的葉酸受體介導實現(xiàn)了PEG-CNTs癌細胞內的高效富集，再聯(lián)合NIR(808 nm)激光照射，實現(xiàn)了腫瘤的高效光熱治療。利用碳納米材料本身的光熱轉化特性，并與化學藥物或基因藥物結合，可實現(xiàn)腫瘤的高效低毒治療。Wang等[21]利用CNTs的光熱響應性建立了具有熱療聯(lián)合基因治療協(xié)同增效作用的新型基因藥物遞送體系，發(fā)現(xiàn)原位聚合PEI的CNTs體系可顯著增強siRNA的體內外穩(wěn)定性，延長其體內半衰期，促進其入胞發(fā)揮高效基因沉默作用。

納米遞藥系統(tǒng)藥效的發(fā)揮不僅由藥物自身的特性決定，而且取決于負載藥物的納米載體性質。納米載體既能改變藥物進入細胞組織的方式，還能控制藥物的釋放速率，進而影響治療效果。碳納米材料對光能的特殊響應可改變納米遞藥系統(tǒng)的入胞行為。如CNTs的光熱轉化效應和C60的單線態(tài)氧效應可顯著提高腫瘤細胞膜通透性，增強藥物的入胞能力[12-13，28]。將腫瘤微環(huán)境特點及碳納米材料的光能轉化特征結合，可以更為精巧地調控遞藥系統(tǒng)的體內分布和腫瘤胞內行為，改善治療效果。Wang等[28]發(fā)現(xiàn)，在NIR激光照射和腫瘤酸性環(huán)境的雙重作用下，碳納米材料荷載的多柔比星(DOX)在腫瘤細胞內的局部定點釋放速度增加；提示以碳納米材料為載體的遞藥系統(tǒng)具有NIR/pH雙重響應釋藥特性，能夠顯著降低正常組織中的藥物分布，從而有效降低DOX的全身毒性。Shi等[12，13]基于C60設計了系列可見光響應的遞藥系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)光照下產(chǎn)生的單線態(tài)氧可有效誘導內涵體/溶酶體通透性改變及膨脹破裂，提高胞內有效藥物濃度，亦可通過誘導腫瘤細胞線粒體膜電位下降、細胞色素C外溢、胞內ATP耗竭，改變細胞周期，促使細胞凋亡。上述發(fā)現(xiàn)對于碳納米材料用于高效治療腫瘤及改善藥物在腫瘤細胞內的“命運”具有十分重要的意義。

2.2磁性納米材料

2.2.1 磁性納米材料的電磁刺激響應性 近年來，磁性納米材料已被證實是一種較安全的納米材料，在腫瘤診斷和治療方面引起了廣泛關注[29]。由于具有優(yōu)異的磁響應性能，磁性遞藥系統(tǒng)經(jīng)靜脈注射進入體內后，通過施加外部磁場可實現(xiàn)治療藥物向靶部位的定向輸送[30]。另外，基于磁性納米材料的腫瘤靶向磁感應熱療是近年來發(fā)展較快的一種腫瘤新興治療手段，具有微創(chuàng)、療效顯著、安全性高和副作用少等特點，被國際醫(yī)學界稱為“綠色療法”，可與化療、放療等腫瘤傳統(tǒng)療法協(xié)同作用，逐漸受到國內外研究者的關注[31]。

2.2.2 基于磁性納米材料的遞藥系統(tǒng) 磁響應型納米遞藥系統(tǒng)是將表面修飾后的磁性納米材料與藥物結合形成的穩(wěn)定載藥體系，在外部磁場引導下可將外源性藥物靶向遞送到特定位置，在作用部位富集與釋放，達到高效低毒的目的。磁性顆粒作為藥物載體始于20世紀70年代，最初是以微粒方式遞送藥物。 隨著納米技術的發(fā)展，磁性納米粒被用于靶向藥物的遞送及腫瘤磁熱治療[30]。Hayashi 等[32]合成了葉酸修飾的氧化鐵納米簇(60～100 nm)，利用外加磁場使其定向輸送并蓄積于腫瘤部位，在交變磁場照射下腫瘤部位溫度可由37 ℃升至43 ℃，磁熱療效果顯著。Huang等[33]和Xie等[34]使用PEG和PEG化的磷脂修飾磁性納米粒，利用PEG的長循環(huán)效果進一步增加了藥物在腫瘤部位的蓄積濃度，聯(lián)合交變磁場照射后，荷瘤小鼠腫瘤表面的溫度可升高至60 ℃，腫瘤得到有效抑制。介孔納米材料的發(fā)展為磁性納米粒高效負載抗腫瘤藥物提供了新的契機。Zhang等[35]合成了新型介孔Fe3O4(mFe3O4) 納米粒并負載青蒿素(ART)，創(chuàng)新性構建了一種Fe2+和Fe2+依賴性藥物共遞送體系；該遞送體系進入細胞后，活性載體mFe3O4可生成并釋放Fe2+，進而促使青蒿素分子中的內過氧橋斷裂，生成具有細胞毒性的自由基，聯(lián)合交變磁場照射產(chǎn)生的熱效應，實現(xiàn)化療-磁療同步協(xié)同治療腫瘤的目的。

與其他物理刺激遞藥體系相比，磁響應遞藥體系有顯著優(yōu)勢，不僅可通過磁靶向至病灶區(qū)進行磁熱治療，還可構建磁響應藥物控釋體系，從而實現(xiàn)同步腫瘤磁靶向、藥物智能控釋及腫瘤多機制治療[36-37]。Chen等[38]利用酰胺鍵將小粒徑Fe3O4納米粒作為蓋帽劑封堵在介孔SiO2納米載體表面，可防止藥物泄漏；在腫瘤靶部位施加高強度磁場(2 kW)切斷偶聯(lián)的酰胺鍵，使Fe3O4納米粒脫落，可實現(xiàn)藥物的定點釋放。Qin等[39]則將Fe3O4納米粒包裹在膠束中，在外加磁場照射下，F(xiàn)e3O4納米粒被磁化產(chǎn)生自聚，通過擠壓作用破壞膠束，從而使藥物被釋放，實現(xiàn)了體外調控模式下的藥物體內定點可控釋放。

腫瘤的診斷和治療在傳統(tǒng)的臨床應用中是兩個相對獨立的過程。兩者間隔時間長，將不利于最佳治療時機的選擇和治療方案的及時調整，因而發(fā)展診療一體化的遞藥系統(tǒng)是目前腫瘤治療研究的熱點。在眾多無機納米材料中，磁性氧化鐵納米粒因其生物相容性高，功能多樣，成為腫瘤診療一體化靶向納米遞藥系統(tǒng)設計的首選載體。Feng等[40]將順磁性氧化鐵超小納米粒與中空介孔CuS納米粒結合，構建了一個基于雜化金屬納米平臺的智能藥物遞送系統(tǒng)，實現(xiàn)了磁共振成像監(jiān)測模式下的腫瘤精準治療；該研究為推進多模式聯(lián)合的腫瘤診療策略提供了新思路。超順磁性納米氧化鐵具有低毒性，其作為診療劑在癌癥免疫治療中的應用也受到越來越多的關注[41]。最近的研究[42-43]表明，F(xiàn)e3O4納米粒還具有改變腫瘤相關巨噬細胞表型及抑制腫瘤轉移的作用。我們相信，隨著納米技術的發(fā)展，磁性納米粒在腫瘤遞藥、診斷和治療方面將會發(fā)揮越來越重要的作用。

2.3二氧化鈦(TiO2)納米材料

2.3.1 TiO2納米材料的光聲刺激響應性 在眾多無機納米材料中，TiO2納米粒因其優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、良好的生物安全性、低廉的價格及獨特的光聲響應能力在催化、環(huán)境能源和生物醫(yī)藥領域廣受歡迎[44]。TiO2是一種優(yōu)異的光敏材料，在紫外光照射下，可通過電子躍遷產(chǎn)生光生電子和空穴，激發(fā)其表面吸附的氧分子或含氧基團生成活性氧(ROS)，發(fā)揮多種生物學效應[45]。自然界中TiO2主要有板鈦礦型、銳鈦礦型和金紅石礦型三種晶型。一般用于抗癌治療的主要是銳鈦礦型和金紅石礦型，其中銳鈦礦型的抗癌活性最高。

2.3.2 基于TiO2納米材料的遞藥系統(tǒng) 與傳統(tǒng)的腫瘤治療手段相比，光動力學治療具有特異性強、非侵入性、操作方便等優(yōu)點，是一種應用前景良好的腫瘤治療新策略。作為一種寬禁帶半導體，在紫外光(h≥3.2 eV) 照射下，TiO2納米材料產(chǎn)生的ROS可對腫瘤細胞內的生物大分子發(fā)揮強氧化作用，有效殺傷癌細胞；而且由于TiO2納米粒可被正常組織血管周圍的巨噬細胞所吞噬，不會產(chǎn)生白細胞減少等毒副作用，因而它有望成為最具前途的抗癌光敏劑之一。目前TiO2納米粒已被開發(fā)用于多種惡性腫瘤的光動力學治療[46]。然而TiO2只能響應紫外光區(qū)的能量，且激發(fā)后生成的電子、空穴極易復合，大大降低了ROS產(chǎn)生效率，限制了其實際應用范圍。將TiO2與其他納米材料復合，可改良其光催化性能，使其吸收光譜向長波長位移，直至NIR。目前，摻雜TiO2納米粒的復合納米材料被廣泛用于藥物或DNA遞送、成像診斷及生物傳感器研究[47-48]。如Zhang等[11，49]首次采用超共軛摻雜原理獲得新型異質納米材料TiO2@MWCNTs及TiO2@GO，超共軛誘導的自由電子可增強光能轉化過程中的能級躍遷，從而擴展了TiO2的光響應范圍，增強了光生電子的分離和遷移，聯(lián)合化療藥物可實現(xiàn)腫瘤的定時定位化療-光熱-光動力多機制治療。

與激光相比，超聲穿透力更強，可治療深部腫瘤，且治療無需通過內鏡，操作簡便，在臨床上有很好的應用前景，因而近年來腫瘤聲動力學治療成為研究新熱點。最常見的聲敏劑是同時兼有光敏作用的光敏劑。研究者們發(fā)現(xiàn)TiO2作為經(jīng)典的光敏劑，在超聲照射下亦可高效產(chǎn)生ROS。目前TiO2納米材料被大量合成并用于抗腫瘤藥物遞送及腫瘤聲動力治療[47-48，50]。Deepagan等[51]合成了Au沉積的TiO2納米材料，超聲(30 W/cm2，1.5 MHz)照射30 s即可有效抑制SCC7鱗癌荷瘤裸鼠體內腫瘤的生長。Shi等[52]設計了一種低頻超聲引爆的“TiO2納米炸彈”用于治療乳腺癌，實現(xiàn)了同步DOX和 ROS的爆發(fā)性釋放，同時利用超聲觸發(fā)的溶酶體逃逸和線粒體靶向效應，逆轉了MCF-7/ADR細胞的耐藥性。Feng等[53]將低氧細胞毒素替拉扎明(TPZ)裝載到S-亞硝基硫醇修飾的中空介孔TiO2納米粒中，構建了一類新型的乏氧誘導的三位一體腫瘤精準納米治療平臺。該遞藥系統(tǒng)在超聲刺激時，TiO2納米粒可產(chǎn)生ROS，實現(xiàn)腫瘤聲動力學治療，而聲動力學治療誘導的缺氧進一步激活了TPZ，引發(fā)缺氧特異性殺死癌細胞效應，實現(xiàn)了多機制協(xié)同治療腫瘤。

2.4錳納米材料

2.4.1 錳納米材料的生物刺激響應性 近年來，無機生物可降解材料已憑借其獨特的優(yōu)勢和功能多樣性日益受到重視。其中錳納米材料由于其結構多樣、腫瘤微環(huán)境響應的降解途徑以及催化特性在腫瘤診療一體化應用中受到大量關注[54-55]。

2.4.2 基于錳納米材料的遞藥系統(tǒng) 納米二氧化錳(MnO2)是近年來出現(xiàn)的一種新型納米材料，它不但能夠在酸性和高還原性的腫瘤微環(huán)境中實現(xiàn)可控生物降解，改變腫瘤微環(huán)境，而且降解后的Mn2+具有優(yōu)異的磁共振成像特性。因此用MnO2負載抗腫瘤藥物可以實現(xiàn)腫瘤診斷治療一體化[54-55]。Chen等[54]發(fā)現(xiàn)，將MnO2納米層作為藥物載體，DOX載藥量可達450 mg/g，而且可在腫瘤部位特異性釋放藥物。但是，片層狀MnO2容易堆疊，嚴重影響其水分散性及生理穩(wěn)定性。Hao等[56-57]將PEG、葉酸或透明質酸修飾至MnO2納米片層上，不僅增強了MnO2納米層的穩(wěn)定性，還賦予了其優(yōu)異的腫瘤靶向能力。修飾后的納米遞藥系統(tǒng)能夠將藥物高效遞送至腫瘤細胞，隨后MnO2被腫瘤微環(huán)境中H+和高水平的谷胱甘肽觸發(fā)生成Mn2+，實現(xiàn)了腫瘤的診療一體化。腫瘤微環(huán)境對于抗腫瘤藥物療效的發(fā)揮至關重要。Song等[58]發(fā)現(xiàn)，MnO2納米?？衫闷浯呋δ芊纸饽[瘤微環(huán)境中高濃度的H2O2，改善腫瘤的乏氧環(huán)境,逆轉腫瘤相關巨噬細胞的表型，從而增強化療效果。另外，MnO2納米粒催化H2O2產(chǎn)生的氧分子可為腫瘤的光動力學治療提供豐富的氧源，在增強光動力學主料效果的同時引發(fā)一系列抗腫瘤免疫應答，與檢查點-阻斷療法聯(lián)用可有效抑制腫瘤遠端轉移[59]。Wang等[60]研究發(fā)現(xiàn)MnO2納米遞藥系統(tǒng)可通過誘導免疫原性細胞死亡以及逆轉腫瘤微環(huán)境來激活腫瘤特異性免疫應答，增強腫瘤免疫治療的效果，在腫瘤免疫治療中展現(xiàn)了廣闊應用前景。

將錳離子摻雜于不同納米材料中，在保持原有納米材料性能的基礎上，不但可以實現(xiàn)磁共振成像，而且還會賦予納米載體新的性能。如Mn-SiO2[61]、Mn-普魯士藍[62]、硅酸錳納米粒[63]、碳酸錳納米粒[64]等已被用于不同腫瘤模型的磁共振成像和治療系統(tǒng)。Li等[65]將錳離子摻雜在可降解的水滑石納米粒(50 nm)中，大大提高了該納米粒的酸響應靈敏性，顯著增強了腫瘤磁共振成像效果。Yu等[66]制備了錳摻雜的SiO2納米粒，實現(xiàn)了腫瘤微環(huán)境響應的藥物釋放和磁共振成像。Hao等[67]構建了一種對腫瘤酸性微環(huán)境具有超敏感響應性的無定形介孔磷酸錳納米粒，其在細胞內可快速釋放所負載的光敏劑和HIF/VEGF抑制劑吖啶黃，有效避免了光動力學治療導致乏氧而引起的治療逃逸，探索了增強光動力治療以及放大磁共振信號的新策略。綜上，錳納米材料對于磁共振評價下的腫瘤治療具有重要意義?；阱i材料的靶向納米診療系統(tǒng)具有載藥效率高、針對性強、效果顯著、體內可降解、副作用低、多重生物學功能等特點，已然成為未來癌癥診療一體化領域中極具前景的研究方向。

3 總結和展望

本文主要介紹了以碳納米材料、磁性納米材料、TiO2納米材料和錳納米材料為代表的多功能納米遞藥系統(tǒng)，并針對其微能量響應特征在抗腫瘤藥物控釋和腫瘤多機制治療領域中的研究現(xiàn)狀進行了總結。無機納米材料在物理空間結構和化學結構方面表現(xiàn)出了獨特的性質，如微能量響應性、高效的藥物荷載能力和可控釋放，利用這些特性可實現(xiàn)腫瘤的微能量(激光、超聲、射頻和磁場等)治療和協(xié)同增效。通過對無機納米載體進行表面修飾及結構優(yōu)化，可實現(xiàn)抗腫瘤藥物的高效負載、腫瘤特異性遞送和靶部位智能控釋。目前，雖然已有眾多納米材料被廣泛用于新型納米遞藥系統(tǒng)的研究，但鮮有納米載體材料應用于臨床試驗的報道。研究者們關注較多的是藥物遞送效率及抗腫瘤效果，而且多是在細胞和動物水平上進行的短期研究，在無機納米材料的生物效應、體內代謝、免疫調節(jié)作用、與抗腫瘤藥物的協(xié)同作用機制以及體內外動力學行為等方面尚缺乏系統(tǒng)深入的研究。盡管無機納米材料在臨床應用中還面臨著許多亟待解決的問題，但越來越多的研究結果表明，無機納米材料及其遞藥系統(tǒng)在腫瘤治療中具有潛在優(yōu)勢。相信隨著納米技術的發(fā)展和對納米材料全面深入的研究，具有微能量響應特征的無機納米遞藥系統(tǒng)研究將會具有更為扎實的理論和物質基礎，從而為臨床提供更加多樣和高效的治療方法和手段。