基于納米生物材料的腫瘤乏氧調(diào)控與放療增效研究進(jìn)展

趙琪，劉莊

0 引言

腫瘤放射治療是利用放射線治療腫瘤的一種局部治療方法，其中放射線包括放射性同位素產(chǎn)生的α、β、γ射線和各類X射線治療機(jī)或加速器產(chǎn)生的X射線、電子線、質(zhì)子束及其他粒子束等。在西方國家，大約70%的癌癥患者在治療癌癥的過程中需要用放射治療[1]。放射治療在腫瘤治療中的作用和地位日益突出，已成為治療惡性腫瘤的主要手段之一。然而，由于實(shí)體腫瘤內(nèi)普遍存在乏氧的腫瘤微環(huán)境，而氧分子在電離輻射殺傷腫瘤細(xì)胞的過程中發(fā)揮重要作用，導(dǎo)致臨床中放療對乏氧狀態(tài)下的腫瘤殺傷效率受到一定局限[2-3]。

近年來，納米技術(shù)與生物材料的發(fā)展，為腫瘤乏氧調(diào)控帶來了一系列創(chuàng)新的工具[4]?；诩{米材料的腫瘤局部升溫治療或基于納米藥物的腫瘤血管正?；伎梢詫?dǎo)致腫瘤內(nèi)血供增加，從而改善腫瘤乏氧并提升腫瘤對放療的響應(yīng)[5-7]。研究者們也開發(fā)了一系列攜氧納米載體，可以將氧分子遞送到腫瘤內(nèi)，從而提升腫瘤內(nèi)氧含量并增敏放射治療[8]。通過將過氧化氫酶或具有過氧化氫酶活性的納米材料遞送到腫瘤內(nèi)，可以通過催化腫瘤內(nèi)源性過氧化氫分解產(chǎn)生氧氣，從而逆轉(zhuǎn)腫瘤乏氧并增效放療[9-10]。除了上述“開源”的策略外，包括本課題組在內(nèi)的研究者們還發(fā)現(xiàn)通過利用納米藥物調(diào)控腫瘤細(xì)胞能量代謝，降低腫瘤細(xì)胞對氧氣的消耗，也可以通過“節(jié)流”的策略提升腫瘤內(nèi)氧含量[11]。綜上，納米生物材料技術(shù)為解決實(shí)體腫瘤乏氧的問題提出了許多創(chuàng)新的策略，未來的臨床轉(zhuǎn)化值得期待。

1 腫瘤乏氧與放療耐受

在放療過程中，氧分子會參與電離輻射破壞DNA的過程，其原理有兩種解釋：（1）X射線等電離輻射可以激活氧分子，產(chǎn)生各種形式的活性氧，而活性氧自由基可以有效破壞包括DNA在內(nèi)的細(xì)胞內(nèi)各種重要的生物分子。（2）電離輻射可以直接破壞DNA產(chǎn)生，但在乏氧的條件下這種DNA損傷可以被細(xì)胞內(nèi)的DNA修復(fù)酶修復(fù)，從而導(dǎo)致細(xì)胞對放療耐受；而在氧分子存在的環(huán)境中，由于氧分子可以快速與DNA損傷位點(diǎn)反應(yīng)從而阻止細(xì)胞對其的修復(fù)，使細(xì)胞更容易被射線殺滅[12]。不論上述哪種原因，都可以解釋氧濃度高的細(xì)胞會更容易被射線殺滅，而乏氧狀態(tài)下的腫瘤細(xì)胞抵抗電離輻射的能力則會超過含氧量正常細(xì)胞數(shù)倍。

由于腫瘤的無序生長，血管生成不充分，所以實(shí)體腫瘤中大多存在氧缺乏問題。因此，實(shí)體腫瘤內(nèi)缺少氧氣是導(dǎo)致腫瘤對臨床放射治療（包括外照射放療和核素內(nèi)放療）耐受的關(guān)鍵原因之一[2,13]。目前，臨床試驗(yàn)中也有在外照射放療前，利用高壓氧艙（hyperbaric oxygen chamber,HBO）技術(shù)提升患者腫瘤血液中的氧分壓，從而升高腫瘤內(nèi)的氧含量，以期提升放療療效的操作[14]。但這種高壓氧艙技術(shù)需要專用的設(shè)備，此外在高壓狀態(tài)下患者吸入過量的氧氣也有氧中毒的風(fēng)險(xiǎn)（包括中樞型、肺型、溶血型和眼型）。因此，在不引起額外不良反應(yīng)的前提下，發(fā)展安全有效的策略、選擇性地提升腫瘤內(nèi)部的氧含量，提升腫瘤對放射治療的敏感度，具有重要的臨床應(yīng)用價值。

2 基于納米生物材料的腫瘤乏氧調(diào)控策略

近年來，納米醫(yī)學(xué)與生物材料技術(shù)作為一個交叉學(xué)科得到了十分迅猛的發(fā)展，各類納米生物材料在腫瘤診療中的應(yīng)用也得到了廣泛的探索[15-16]。在腫瘤微環(huán)境調(diào)控方面，國內(nèi)外多個課題組報(bào)道了一系列基于納米生物材料的腫瘤乏氧調(diào)控策略。從改善腫瘤乏氧的思路上看，可以歸納為如下四個主要路徑：（1）通過改善腫瘤內(nèi)血供調(diào)控腫瘤乏氧；（2）利用攜帶氧氣的納米載體將氧分子遞送到腫瘤內(nèi)；（3）催化分解腫瘤內(nèi)的內(nèi)源性過氧化氫產(chǎn)生氧氣以改善腫瘤乏氧；（4）通過減緩腫瘤細(xì)胞的新陳代謝來降低癌細(xì)胞氧氣消耗，從而提升腫瘤部位的氧含量。在上述四種策略中，前三類策略是“開源”，而最后一類策略則是“節(jié)流”。

2.1 通過改善腫瘤內(nèi)血供調(diào)控腫瘤乏氧

當(dāng)組織的局部溫度提升時，血流速度會加快。在過去十年中，各種各樣的具有近紅外光吸收的納米材料被用于腫瘤光熱治療，這些吸光納米材料注射到小鼠體內(nèi)可以通過被動靶向（基于腫瘤高滲透與滯留效應(yīng)，即EPR效應(yīng)）或主動靶向（如基于納米顆粒表面偶聯(lián)抗體與腫瘤部位特異性受體的結(jié)合）富集于腫瘤部位，在近紅外激光的照射下可以選擇性地提高腫瘤部位的局部溫度，從而實(shí)現(xiàn)治療乃至殺滅腫瘤的目的[17]。本課題組2015年的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)基于MnS@Bi2Se3納米材料的光熱效應(yīng)，在低功率光照下可以實(shí)現(xiàn)腫瘤部位的溫和升溫（約43oC）[18]。有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過溫和光熱治療后的腫瘤雖然沒有被殺滅，但是其腫瘤內(nèi)血供可以在光照一段時間后顯著提升，從而使腫瘤從乏氧的狀態(tài)變?yōu)橄鄬Ω谎醯臓顟B(tài)。這樣處理的腫瘤再經(jīng)過X射線放療，可以有效被殺滅，其原因與其內(nèi)部在放療前氧含量大幅提升密切相關(guān)。隨后，國內(nèi)外團(tuán)隊(duì)相繼報(bào)道了光熱治療協(xié)同射線外照射放療和核素內(nèi)照射放療的工作，從多個角度證明了溫和腫瘤升溫確實(shí)可以導(dǎo)致腫瘤內(nèi)血供的提升和乏氧狀態(tài)的改善，從而使腫瘤對放射治療更為敏感[19-20]。

腫瘤內(nèi)存在比正常組織更高的間隙壓，且腫瘤血管結(jié)構(gòu)不規(guī)則，也是導(dǎo)致腫瘤血供不足氧含量低的重要原因。本課題組發(fā)現(xiàn)抑制血管生成的小分子藥物厄洛替尼在低劑量下可以誘導(dǎo)血管正常化，從而提升腫瘤內(nèi)的氧含量[21]。另一方面，通過將可以降解腫瘤內(nèi)細(xì)胞外基質(zhì)中某些高分子的酶（如透明質(zhì)酸酶、膠原蛋白酶）導(dǎo)入腫瘤內(nèi)，部分降解腫瘤內(nèi)致密的細(xì)胞外基質(zhì)，降低腫瘤間隙壓，誘導(dǎo)腫瘤內(nèi)血管的正?；?，從而提高腫瘤血供和氧含量[22-23]。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)通過上述誘導(dǎo)腫瘤血管正?；牟呗钥梢杂行孓D(zhuǎn)腫瘤乏氧，進(jìn)而提升放射治療殺滅腫瘤的療效[6,24]。

2.2 基于納米載體的腫瘤內(nèi)氧氣遞送

由于血液中紅細(xì)胞內(nèi)血紅蛋白攜帶氧氣的量有一定上限，為了進(jìn)一步提高對腫瘤內(nèi)氧氣的供給，一種得到廣泛報(bào)道的策略是開發(fā)可以高效攜帶氧氣的納米載體，并用這些攜氧納米載體將氧氣遞送到腫瘤內(nèi)從而提高腫瘤微環(huán)境中的氧含量[25-26]?？紤]到血紅蛋白是天然的氧氣輸送蛋白，有課題組開發(fā)了基于血紅蛋白的納米載體，可以實(shí)現(xiàn)氧分子在這些血紅蛋白納米顆粒上的裝載，并通過納米顆粒的EPR效應(yīng)被動富集于腫瘤內(nèi)部，從而有效提升腫瘤的氧含量，逆轉(zhuǎn)乏氧的腫瘤微環(huán)境[27-28]。

另一類得到廣泛關(guān)注的氧氣載體是全氟碳。全氟碳是烴分子中的所有氫原子被氟原子取代而成的化合物，具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和良好的生物相容性。作為非極性分子，氧分子在水中的溶解度很低，但是在全氟碳中卻有較高的溶解度。100毫升的全氟化碳能溶氧氣約50毫升，是人血載氧能力的1.5倍[29]。利用這個性質(zhì)，從上世紀(jì)80年代起，研究者們就開發(fā)了基于全氟碳的“人造血”制品，用于在血庫存量不足時作為人類血液的替代品。目前，已經(jīng)有多個人造血制品進(jìn)入了臨床試驗(yàn)，并在俄羅斯和墨西哥等國家得到了臨床批準(zhǔn)應(yīng)用，其安全性也得到了較廣泛的證明[30-31]。

本課題組自2015年起，開發(fā)了多種基于全氟碳的納米載體。例如多種空心無機(jī)納米顆粒，可以在其空腔中裝載全氟碳，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氧氣的高效裝載。將這些納米顆粒注射到腫瘤內(nèi)后，在光照等刺激下氧氣將得到釋放，從而逆轉(zhuǎn)腫瘤乏氧并增效腫瘤放療[5]。在另一項(xiàng)工作中，我們進(jìn)一步合成了以人血清白蛋白為分散穩(wěn)定劑的全氟碳納米乳液，該納米乳液通過靜脈注射到小鼠體內(nèi)后，在肺部可以快速吸收大量的氧氣，并通過血液循環(huán)到達(dá)全身[32]。有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)攜帶氧氣的全氟碳納米液滴在超聲的刺激下可以快速釋放氧氣。利用這個性質(zhì)，我們在小鼠腫瘤部位外加超聲探頭，通過對腫瘤部位的超聲刺激，可以誘導(dǎo)全氟碳納米液滴中氧氣在腫瘤內(nèi)的定點(diǎn)高效釋放。釋放了氧氣的空載全氟碳納米液滴則可以通過血液循環(huán)到肺部重新充氧，如此反復(fù)可以在較短的時間內(nèi)使得腫瘤內(nèi)部氧含量達(dá)到一個極高的水平，進(jìn)而提高腫瘤對放射治療的響應(yīng)。

在此基礎(chǔ)上，2017年我們報(bào)道了一種基于全氟碳的“納米紅細(xì)胞”[8]，將全氟碳納米液滴用紅細(xì)胞膜進(jìn)行包裹，從而延長了納米顆粒顯著提升的血液循環(huán)時間。由于該“納米紅細(xì)胞”尺寸較小，可以方便地滲入腫瘤內(nèi)部，從而可以高效地將氧分子遞送到腫瘤內(nèi)部，改善腫瘤的乏氧狀態(tài)，提高腫瘤對放療的敏感度?？紤]到上述體系中材料生物安全性好，這類策略未來或有一定的臨床轉(zhuǎn)化潛力。

2.3 基于納米催化劑在腫瘤內(nèi)產(chǎn)生氧氣

上述兩個策略都是通過利用紅細(xì)胞中的血紅蛋白或者人造的氧氣載體，通過血液循環(huán)將氧氣遞送到腫瘤內(nèi)部。這一策略的有效性，依然取決于腫瘤內(nèi)部的血管結(jié)構(gòu)和分布。由于腫瘤細(xì)胞特殊的新陳代謝途徑，而且在腫瘤內(nèi)缺乏正常組織中普遍存在的過氧化氫酶，導(dǎo)致了腫瘤內(nèi)部的過氧化氫堆積，其濃度可以達(dá)到數(shù)十微摩的水平[33]。利用這一現(xiàn)象，多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，通過將過氧化氫酶或者具有過氧化氫酶活性的納米材料遞送到腫瘤內(nèi)部，可以持續(xù)分解腫瘤內(nèi)源性的過氧化氫產(chǎn)生氧氣，從而通過在腫瘤內(nèi)部持續(xù)產(chǎn)生氧氣來改善腫瘤乏氧[10]。這一策略也已被大量文獻(xiàn)廣泛證明是對放射治療增敏有效的策略。

2018年本課題組將臨床常用的放射性核素碘-131標(biāo)記在過氧化氫酶上，將其與免疫佐劑CpG以及海藻酸鈉組合得到復(fù)合注射液并原位注射到腫瘤內(nèi)部[34]。由于海藻酸鈉在局部注射后可以和腫瘤細(xì)胞間隙液中的鈣離子結(jié)合快速形成凝膠，將碘-131標(biāo)記的過氧化氫酶固定在腫瘤內(nèi)，從而增強(qiáng)其效果并且降低對正常器官的輻射。與此同時，過氧化氫酶可以持續(xù)催化分解腫瘤微環(huán)境中的過氧化氫，通過原位產(chǎn)生氧氣改善腫瘤乏氧以增強(qiáng)放療療效。此策略可以用較低的碘-131放射性劑量下通過單次注射在小鼠腫瘤模型、人源異種移植模型以及兔腫瘤模型上完全殺滅原位實(shí)體瘤。這種增效的放射治療可以進(jìn)一步與免疫治療聯(lián)合。該體系中的免疫佐劑CpG有免疫刺激的功能，從而顯著增強(qiáng)放療后腫瘤殘留物中的腫瘤相關(guān)性抗原的免疫原性，在體產(chǎn)生“腫瘤疫苗”（腫瘤特異性免疫反應(yīng)）。通過進(jìn)一步聯(lián)用免疫檢查點(diǎn)療法，可以通過激活機(jī)體自身的免疫系統(tǒng)追擊遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移的腫瘤細(xì)胞，有效抑制腫瘤轉(zhuǎn)移，并產(chǎn)生免疫記憶效應(yīng)阻止腫瘤復(fù)發(fā)。

類似的策略對于外照射放療也可以適用。2016年，本課題組報(bào)道了一種包裹過氧化氫酶的TaOx空心納米顆粒[35]。該納米顆粒一方面通過Ta元素吸收X-射線增強(qiáng)腫瘤內(nèi)部輻照能量沉積的作用實(shí)現(xiàn)的放療增敏，另一方面該納米反應(yīng)器可以持續(xù)分解腫瘤內(nèi)源性過氧化氫產(chǎn)生氧氣從而進(jìn)一步增效X-射線放療。后續(xù)本課題組進(jìn)一步報(bào)道了一種基于PLGA高分子的空心納米顆粒，在納米顆粒內(nèi)部裝載過氧化氫酶，并在顆粒的殼層裝載咪喹莫特免疫佐劑[36]。該納米顆粒一方面可以通過過氧化氫酶改善腫瘤乏氧增敏放療，另一方面可以通過免疫刺激放大放射治療后產(chǎn)生的遠(yuǎn)端免疫效應(yīng)，抑制遠(yuǎn)端沒有被照射的腫瘤的生長。

除了過氧化氫酶外，一些無機(jī)納米材料如二氧化錳（MnO2）也可以有類似的酶活性，并被用于放療增敏。有課題組報(bào)道MnO2納米材料是一種很好的放療增敏納米材料[37-38]。在中性條件下，MnO2可以催化過氧化氫分解得到氧氣；在弱酸性條件下，MnO2會直接與質(zhì)子反應(yīng)得到氧氣。因此，將MnO2納米材料導(dǎo)入腫瘤內(nèi)也可以顯著提升腫瘤內(nèi)部的氧含量，從而增強(qiáng)放射治療療效。

2.4 基于納米藥物的腫瘤內(nèi)新陳代謝調(diào)控逆轉(zhuǎn)腫瘤乏氧

在上述三個策略中，整體思路是通過給腫瘤內(nèi)部“補(bǔ)充”氧氣來逆轉(zhuǎn)腫瘤乏氧，都是屬于“開源”的策略。由于腫瘤細(xì)胞生長快速，其新陳代謝會消耗更多的氧氣，這也是導(dǎo)致腫瘤乏氧的一個重要原因。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些藥物可以對細(xì)胞的能量代謝產(chǎn)生作用，從而被用于對腫瘤微環(huán)境的調(diào)控[39]。例如，二甲雙胍作為一種被臨床廣泛使用的2型糖尿病治療藥物，可以有效調(diào)節(jié)細(xì)胞的能量代謝。本課題組一項(xiàng)研究表明，裝載二甲雙胍的納米脂質(zhì)體靜脈注射到荷瘤小鼠體內(nèi)后可以在小鼠腫瘤內(nèi)富集，釋放二甲雙胍調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞的能量代謝，通過降低腫瘤內(nèi)部的氧消耗可以有效緩解腫瘤乏氧，從而進(jìn)一步增強(qiáng)放射治療對腫瘤的殺傷效果[40]。國內(nèi)外多個課題組的研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象[11,41-42]。這種通過“節(jié)流”的方式改善腫瘤乏氧，未來或許可以與上述“開源”的策略配合使用，從而更大限度地提升腫瘤內(nèi)的氧富集，實(shí)現(xiàn)高效的腫瘤放射治療。

3 總結(jié)與展望

近年來，國內(nèi)外對基于生物材料和納米技術(shù)的腫瘤乏氧調(diào)控和放射治療增敏進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了令人鼓舞的動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文對近年來報(bào)道較多的納米生物材料改善腫瘤乏氧的策略進(jìn)行了初步的分類，各類策略都具有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足：通過提升腫瘤內(nèi)血液供給（如血管正?；┑牟呗詠硖嵘[瘤含氧量的策略，其效率還是受限于腫瘤內(nèi)血管的密度以及紅細(xì)胞的攜氧能力；通過攜帶氧氣的納米載體（例如全氟碳納米液滴）可以突破血紅細(xì)胞本身的攜氧能力，并通過外界刺激（如超聲）實(shí)現(xiàn)腫瘤內(nèi)的氧氣定點(diǎn)釋放，但是該策略的效率依然受到瘤內(nèi)血管密度的限制，且作用時間往往存在一定局限；通過在腫瘤內(nèi)注射或固定過氧化氫酶或具有過氧化氫酶活性的納米材料，可以直接在腫瘤內(nèi)部不依賴血供改善腫瘤乏氧，且作用時間可以比較長，但這一策略改善腫瘤乏氧的上限受到腫瘤內(nèi)過氧化氫濃度的限制；利用納米載體將二甲雙胍等可以調(diào)控細(xì)胞能量代謝的藥物遞送到腫瘤，通過減緩腫瘤內(nèi)氧消耗來緩解腫瘤乏氧，但其效率和作用持續(xù)時間依然有一定局限。

基于各種不同的腫瘤乏氧調(diào)控策略，未來用于放療增敏應(yīng)用的臨床轉(zhuǎn)化可以針對臨床應(yīng)用的實(shí)際場景來選擇不同的腫瘤乏氧改善策略。例如，對于需要短時間高劑量的外照射放療，可以考慮選擇在照射前利用改善腫瘤血供或注射氧氣載體的方式在較短的時間內(nèi)讓腫瘤內(nèi)氧濃度保持在峰值并接受治療。而對于需要長時間持續(xù)作用的核素內(nèi)放療（如植入式放射性粒子治療），則需要持續(xù)地調(diào)控乏氧的腫瘤微環(huán)境，該場景下基于過氧化氫酶催化原位產(chǎn)生氧氣的策略或許更為有利。通過調(diào)控能量代謝來緩解腫瘤乏氧，未來或許可以作為一種輔助手段，單獨(dú)使用或與其他手段配合，在增敏放療中得到更有效的應(yīng)用。此外，在臨床前動物模型實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)乏氧改善對腫瘤放療增效顯著，而增加供血和供氧是否會有促進(jìn)腫瘤生長加快的風(fēng)險(xiǎn)，在未來臨床方案設(shè)計(jì)中也需要考慮（如在腫瘤乏氧改善后立刻實(shí)施放療）。

另一方面，放療誘導(dǎo)的腫瘤細(xì)胞免疫原性細(xì)胞死亡和抗腫瘤免疫學(xué)效應(yīng)也在基礎(chǔ)研究和臨床觀察中被廣泛認(rèn)知[43-45]。腫瘤乏氧的改善不僅可以通過提升射線對腫瘤的直接殺滅來提升放療的療效，還對于逆轉(zhuǎn)腫瘤內(nèi)免疫抑制環(huán)境具有顯著功能[46]。有研究表明腫瘤內(nèi)氧含量的增加可以有助于CD8+T細(xì)胞在腫瘤內(nèi)的浸潤和活化，誘導(dǎo)腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞從免疫抑制的M2亞型向促炎性抗腫瘤M1亞型的極化[47-48]。這些效應(yīng)與放療的免疫學(xué)效應(yīng)綜合作用，對于提升乏氧改善后腫瘤放療的整體療效也具有重要的價值，這方面的研究還值得進(jìn)一步深入探討。

綜上所述，當(dāng)前報(bào)道的多種基于納米生物材料的腫瘤乏氧調(diào)控策略中，使用的材料體系也是基于生物安全性良好的高分子材料、生物大分子或臨床批準(zhǔn)的小分子藥物，臨床轉(zhuǎn)化可行性強(qiáng)。然而，目前上述策略和技術(shù)的研究基本都停留在臨床前動物實(shí)驗(yàn)的階段，未來的臨床轉(zhuǎn)化和應(yīng)用還需要臨床工作者、制藥企業(yè)以及基礎(chǔ)研究團(tuán)隊(duì)的共同努力。如果能夠通過對腫瘤乏氧的調(diào)控增強(qiáng)放療療效，則有望在不引起額外不良反應(yīng)的前提下提升目前臨床上放療的有效性，這將具有重要的臨床價值。