可釋放一氧化氮多模式協(xié)同抗癌納米體系研究進(jìn)展

史淑文

（江蘇省徐州醫(yī)藥高等職業(yè)學(xué)校，徐州 221116）

一氧化氮（NO）是一種性質(zhì)較活潑的自由基分子，能夠在細(xì)胞間、細(xì)胞內(nèi)傳遞信息，在生物體的生命過程中發(fā)揮了重要的作用，特別是在心血管治療、免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)、神經(jīng)系統(tǒng)治療等領(lǐng)域。除了具有以上的功能外，研究發(fā)現(xiàn)NO還能夠誘導(dǎo)癌細(xì)胞的凋亡，但是NO性質(zhì)不穩(wěn)定、半衰期短，需要將其供體與納米體系相結(jié)合形成NO遞送體系，在特定部位釋放出NO，起到抗癌作用。近年來，越來越多的研究者們嘗試將NO氣體治療與傳統(tǒng)腫瘤治療方法相結(jié)合，改善了單一治療方案的局限性，發(fā)揮了較好的協(xié)同抗癌效果。

1 協(xié)同放射治療

放療具有穿透力高、定位精確和副作用小的特點，已被廣泛用于無創(chuàng)治療體內(nèi)深部腫瘤。然而，腫瘤部位的嚴(yán)重缺氧降低了放療的效果，因此，人們將視線轉(zhuǎn)移到了將放射療法和其他腫瘤治療方案相結(jié)合上，以提高放射射線對癌細(xì)胞的殺傷力。研究者們發(fā)現(xiàn)，NO是一種低氧放射增敏劑，可以有效提高腫瘤治療效果［1-3］。

Fan等［4］設(shè)計了一種納米治療體系PEG-USMSs-SNO，其示意圖如圖1所示。該納米治療系統(tǒng)是一種核殼結(jié)構(gòu)，殼表面連接NO供體S-亞硝基硫醇。當(dāng)藥物富集到腫瘤組織后，用X射線照射可以誘導(dǎo)S-N鍵的斷裂，釋放出NO氣體，按需釋放出的NO氣體增強了氧含量較低的癌細(xì)胞對X射線的敏感性。該研究同時開展了斑馬魚和攜帶4T1腫瘤的小鼠活體試驗，均證實X射線觸發(fā)的NO釋放量依賴于X射線的強度，可根據(jù)需求有效調(diào)控NO的釋放量，當(dāng)X射線和釋放出的NO同時作用時，顯示出較好的腫瘤抑制性。這項研究將X射線輻射和NO氣體治療相結(jié)合，展示出了NO氣體治療協(xié)同放射療法在治療體內(nèi)深層缺氧腫瘤中的光明前景。

圖1 NO及X射線輻射損傷DNA的示意圖［4］Fig. 1 Schematic diagram of DNA damage caused by NO and X-ray radiation［4］

2 協(xié)同超聲治療

近年來，超聲波在癌癥治療領(lǐng)域越來越受歡迎。人們不僅可以利用超聲波成像來診斷疾病，還可以利用其穿透性治療癌癥。研究表明，用于診斷治療的超聲波的頻率為0.75～3.00 MHz，其中1.00 MHz和3.00 MHz的超聲頻率使用最為頻繁［5-6］。一般來說，超聲波的穿透深度隨超聲頻率的增加而增加，但是當(dāng)使用聚焦超聲波時，其穿透深度大大提高。有研究表明，在頻率為1 MHz時，聚焦超聲波的穿透深度可達(dá)到10 cm左右，甚至更深［7-8］。目前，超聲治療的技術(shù)還在不斷發(fā)展，但關(guān)于將超聲治療聯(lián)合NO氣體治療協(xié)同抗癌的研究不多，其中大多研究是基于超聲的無創(chuàng)、非電離、易于控制和高穿透深度的優(yōu)點，將超聲作為可釋放NO納米體系的觸發(fā)源［9-12］。

Zhang等［13］構(gòu)建了一種超聲響應(yīng)的NO釋放系統(tǒng)，其在中空介孔二氧化硅納米粒子（HMSN）表面修飾聚乙二醇（PEG）分子和靶向分子，L-精氨酸作為 NO 供體加載到HMSN 的介孔和內(nèi)腔中。如圖2所示，不同于傳統(tǒng)的激發(fā)源（如光、熱和X射線），1 MHz頻率的聚焦超聲波能輕松穿透組織到達(dá)腫瘤部位，激活 Panc-1 腫瘤中的 H2O2，產(chǎn)生更高活性的含氧物質(zhì)，一旦NO 釋放體系進(jìn)入腫瘤區(qū)域，這些含氧物質(zhì)就可以有效地氧化該系統(tǒng)中的L-精氨酸分子，從而產(chǎn)生更多可用于殺死 Panc-1 腫瘤細(xì)胞的NO 氣體，增加對腫瘤細(xì)胞的殺傷力。在這里，NO對破壞腫瘤組織起主要作用，而在局部目標(biāo)部位施加的聚焦超聲波能夠穿透組織到達(dá)腫瘤細(xì)胞，刺激納米體系產(chǎn)生更多的NO氣體，高濃度的NO氣體能有效損傷胰腺癌細(xì)胞并使其最終消融。聚焦超聲療法與NO氣體治療的協(xié)同作用增強了抗癌效果。

圖2 超聲響應(yīng)的NO釋放納米體系的結(jié)構(gòu)與治療過程示意圖［13］Fig. 2 Schematic diagram of the structure and the therapy process of ultrasound-responsive NO-releasing nanosystem［13］

3 協(xié)同光熱療法

3.1 光熱治療現(xiàn)狀

光熱療法（photothermal therapy，PTT）是指分子或者納米體系將吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能用于癌癥治療的一種方法。為了實現(xiàn)腫瘤的徹底消融，通常需要使用大功率激光將腫瘤加熱到50℃以上，但是痛苦的治療程序和嚴(yán)重的健康組織損傷限制了其實際應(yīng)用［14］。另外，研究者們又研究出了一種溫和的光熱治療方法，將腫瘤區(qū)域的溫度控制在相對較低的水平（45℃），并且操作簡單，病人康復(fù)快，住院時間短［15］。然而，光照后腫瘤細(xì)胞中熱量分布不均勻以及熱損傷不足會導(dǎo)致細(xì)胞的自我修復(fù)，如果只單獨使用這種溫和的光熱治療，其功效可能不盡如人意。為了改善療效，人們逐漸將目光轉(zhuǎn)移到將熱消融與其他治療方式相結(jié)合的方法［16-18］。高濃度的NO可以直接導(dǎo)致癌細(xì)胞的凋亡，因此，基于多模式的協(xié)同抗癌機(jī)制，研究者們提出將PTT與NO氣體治療相結(jié)合，有助于規(guī)避以上問題并提高治療功效。

3.2 光熱治療結(jié)合NO氣體治療

Zhang等［15］報道了一種將PTT與NO氣體治療相結(jié)合的抗癌治療方案，并構(gòu)建了一種納米復(fù)合材料（BNN-Bi2S3）。如圖3所示，該納米復(fù)合材料的光熱轉(zhuǎn)換效率為33.7%，這種高的光熱轉(zhuǎn)化效率使得癌癥部位局部溫度可升高到46℃，而其他正常部位溫度無明顯變化。該方案利用光熱轉(zhuǎn)化劑提供熱能，結(jié)合NO氣體的可控釋放，實現(xiàn)了抗腫瘤功效的增強。

圖3 近紅外光誘導(dǎo)的NO釋放協(xié)同PTT在癌細(xì)胞中的治療機(jī)制示意圖［15］Fig. 3 Schematic diagram of NO release induced by NIR and synergistic mechanism of NO and PTT in cancer therapy［15］

Guo等［19］報道了一種納米藥物體系，以氮摻雜石墨烯量子點為載體，表面共價連接釕亞硝?；衔铮∟O供體）和線粒體靶向基團(tuán)。以HeLa癌細(xì)胞作為模型，該復(fù)合納米體系能夠選擇性富集在腫瘤細(xì)胞的線粒體細(xì)胞器中，在近紅外光照射下藥物富集區(qū)域溫度升高，并伴隨大量NO氣體的釋放。體外細(xì)胞試驗和小鼠體內(nèi)試驗均證明NO氣體治療協(xié)同PTT療法展現(xiàn)出較強的抗腫瘤性能。

4 協(xié)同活性氧療法

細(xì)胞內(nèi)過量的活性氧（reactive oxygen species，ROS）能誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，較高濃度的ROS 則會引起細(xì)胞壞死，并且ROS還能夠誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生自噬現(xiàn)象，從而導(dǎo)致癌細(xì)胞凋亡。NO氣體能夠增強癌細(xì)胞對ROS的敏感性，可以與不同的分子（即O2、·OH、H2O2）反應(yīng)形成各種活性氮氧化物（RNOS），如N2O3或ONOO-，以誘導(dǎo)DNA斷裂并抑制酶的活性，從而導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞凋亡［20-24］。

Zhu等［25］開發(fā)了一種新型多殼納米粒子（CuS@SiO2-L-Arg@PCM-Ce6，CSLPC），可利用ROS和NO氣體的協(xié)同作用治療腫瘤。如圖4所示，該新型納米粒子用模板法合成，以硫化銅（CuS）為核，多孔二氧化硅（SiO2）納米粒子為殼，水溶性的L-精氨酸NO供體負(fù)載在SiO2腔內(nèi)。為了解決L-精氨酸在循環(huán)中過早釋放的問題，將Ce6預(yù)先封裝在一種相變材料（phase-change material，PCM）內(nèi)，并用該PCM密封孔隙。CuS@SiO2在近紅外光區(qū)域有較高的吸光率，產(chǎn)生的光熱效應(yīng)導(dǎo)致納米體系解離，從而準(zhǔn)確可控地在腫瘤部位釋放L-精氨酸和Ce6。然后使用660 nm激光激活Ce6以產(chǎn)生大量的ROS，氧化L-精氨酸產(chǎn)生NO氣體，殺死癌細(xì)胞。在特定部位可控釋放的“聯(lián)動機(jī)制”解決了無法將ROS和NO氣體有效地提供給腫瘤部位的難題。NO氣體和ROS的協(xié)同作用還成功地彌補了單一ROS治療在腫瘤低氧微環(huán)境中不良的治療作用。

圖4 熱控制藥物釋放及協(xié)同光動力/氣體治療的CuS@SiO2-L-Arg@PCM-Ce6納米粒子的示意圖［25］Fig. 4 Schematic diagram of the CuS@SiO2-L-Arg@PCM-Ce6 nanoparticles for thermal controlled drug release and synergistic photodynamic/gas therapy［25］

除了利用光照激發(fā)位于腫瘤部位的光敏劑產(chǎn)生ROS，還可以通過增加腫瘤細(xì)胞內(nèi)的過氧化氫（H2O2）含量，利用一系列反應(yīng)產(chǎn)生ROS，再與NO氣體結(jié)合產(chǎn)生高細(xì)胞毒性的ONOO-，達(dá)到顯著的抗腫瘤效果。例如，Cao等［26］設(shè)計了一種自組裝的納米體系，該納米體系以L-精氨酸作為NO供體，腫瘤細(xì)胞內(nèi)過量的H2O2通過二茂鐵（Fc）催化的芬頓（Fenton）反應(yīng)和哈伯·韋斯（Haber-Weiss）反應(yīng)產(chǎn)生·O2-，細(xì)胞內(nèi)的NO氣體和·O2-結(jié)合產(chǎn)生高細(xì)胞毒性的ONOO-。試驗結(jié)果證實，這種基于ROS和NO氣體的協(xié)同療法具有顯著的癌細(xì)胞抑制作用。

5 協(xié)同化療

5.1 協(xié)同普通化學(xué)藥物

大量研究已經(jīng)證實，癌癥的化學(xué)治療效果不佳是由于腫瘤細(xì)胞的抗藥性［27-28］。而導(dǎo)致抗藥性的主要原因是腫瘤細(xì)胞表面P-糖蛋白（P-glycoprotein）的過表達(dá)。P-糖蛋白可以將化療藥物排出到細(xì)胞外，使得癌細(xì)胞內(nèi)的藥物含量減少，降低治療效果。因此，多藥耐藥性癌癥治療迫切需要一種能有效抑制P-糖蛋白表達(dá)以改善細(xì)胞內(nèi)藥物蓄積的有效方法。

Riganti等［29］提出NO能夠抑制P-糖蛋白和多藥耐藥性相關(guān)蛋白在腫瘤細(xì)胞上的表達(dá)，使得藥物較多地累積在細(xì)胞內(nèi)，從而改善化學(xué)藥物對耐藥性癌細(xì)胞的治療效果。Kim等［30］和Yoo等［31］報道了通過抑制P-糖蛋白的表達(dá)改善癌細(xì)胞的耐藥性的研究，證實了NO的這一特性。Chung等［32］組建了一種空心微球，將NO供體［二(氨乙基)-1-羥基-2-羰基-1-三氮烯］和化療藥物伊立替康封裝進(jìn)該微球內(nèi)部。將該微球注射到酸性腫瘤組織中后，H+透過空心微球的外殼并與封裝在內(nèi)的NO供體反應(yīng)產(chǎn)生NO氣體，改善抗藥性，使得伊立替康藥物在細(xì)胞內(nèi)的積累量超過細(xì)胞殺傷閾值，增強了其抗腫瘤活性。因此，這種pH響應(yīng)性空心微球系統(tǒng)為治療多藥耐藥性的癌癥提供了一種潛在有效的治療方法。

Ding等［33］進(jìn)一步證明了NO通過抑制P-糖蛋白表達(dá)，展現(xiàn)出了更強的與化療藥物的協(xié)同治療效果。該研究報道了一種多肽涂覆的聚多巴胺納米復(fù)合物［聚（L-半胱氨酸）-b-聚（L-賴氨酸）-b-聚（環(huán)氧乙烷）］連接S-亞硝基硫醇NO供體和 2，3-二甲基馬來酸酐（DMMA），用作 pH 敏感的多肽層，有獨特的電荷逆轉(zhuǎn)能力。該納米復(fù)合物在生理環(huán)境（pH 7.4）中較穩(wěn)定，通過高滲透長滯留（enhanced permeation and retention，EPR）效應(yīng)到達(dá)腫瘤細(xì)胞環(huán)境（pH 6.8）后，納米復(fù)合物表面的負(fù)電荷轉(zhuǎn)換為正電荷，使得藥物遞送和細(xì)胞攝取能力增強。在近紅外光的輻射下，釋放出的高濃度NO氣體抑制P-糖蛋白表達(dá)，減少藥物流出，從而使化療藥物阿霉素（doxorubicin，DOX）起作用。研究表明，該納米材料能夠完全根除MCF-7/ADR腫瘤，為癌癥研究中的聯(lián)合治療提供了有效的策略。

5.2 協(xié)同鉑類藥物

鉑（Pt）類藥物也是一類重要的癌癥治療藥物，如順鉑、卡鉑和奧沙利鉑。二價鉑的藥物對機(jī)體有嚴(yán)重的毒副作用，因此，開發(fā)出相對惰性的四價鉑前體藥物是非常必要的。四價鉑前體藥物本身沒有毒性，但進(jìn)入腫瘤細(xì)胞后，細(xì)胞中的還原性物質(zhì)將其還原為二價鉑藥物，針對性的對抗癌細(xì)胞，有效降低了二價鉑對身體其他部位的損害［34-38］。

研究者們已經(jīng)證明，NO氣體可以增強鉑類藥物對人類癌細(xì)胞的細(xì)胞毒性［39］，NO氣體和鉑類藥物聯(lián)合會產(chǎn)生積極的協(xié)同抗癌作用［40-42］。Pramanick等［43］通過將光響應(yīng)的硝基苯與光不穩(wěn)定的聚合物膠束組合，設(shè)計了一種光觸發(fā)NO釋放的鉑前體藥物（圖5）。膠束進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)后，紫外光照射促進(jìn)硝基苯解離釋放出NO氣體，減輕癌細(xì)胞的耐藥性，同時，光不穩(wěn)定的疏水基團(tuán)從膠束中裂解出來，NO供體的親水性增強，從而導(dǎo)致鉑 (IV) 前體藥物的快速釋放。鉑（IV）前體藥物和NO氣體治療的協(xié)同治療策略產(chǎn)生了增強的抗癌作用。

圖5 光觸發(fā)釋放NO的鉑（IV）前體藥物［43］Fig. 5 Schematic diagram of the photoactivated NO-releasing Pt (IV) prodrugs［43］

6 多模式協(xié)同

除了將單一模式的腫瘤治療方案與NO氣體治療相結(jié)合，也有研究者嘗試將NO氣體治療與多種模式結(jié)合，以求達(dá)到更好的治療效果［44-45］。Shi等［46］報道了一種納米體系，該納米體系以量子點為載體，共價結(jié)合了金屬NO供體、四價鉑前體藥物和葉酸分子，將NO氣體與PTT、鉑類藥物結(jié)合實現(xiàn)三模式協(xié)同治療。如圖6所示，該納米體系選擇性靶向葉酸受體過表達(dá)的腫瘤細(xì)胞，在腫瘤細(xì)胞的酸性環(huán)境下釋放出二價鉑藥物，對癌細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞毒性，同時，808 nm 近紅外光照射導(dǎo)致NO的釋放并伴隨PTT的產(chǎn)生，損傷腫瘤細(xì)胞。與只存在單一治療模式的對照藥物對比，該三種治療模式相結(jié)合的納米體系表現(xiàn)出更顯著的抗癌功效。

圖6 納米體系（N-GQDs@Ru-NO-Pt@FA）的結(jié)構(gòu)以及NO與鉑類藥物、PTT協(xié)同攻擊癌細(xì)胞示意圖［46］Fig. 6 Schematic showing nanosystem (N-GQDs@Ru-NO-Pt@FA), and its synergistic attack on cancer cells through NO, Pt-based drug and PTT［ 46］

7 總結(jié)與展望

NO通過破環(huán)細(xì)胞內(nèi)的主要物質(zhì)來誘導(dǎo)癌細(xì)胞的凋亡，NO氣體治療作為一種新興的治療模式，還可以與其他癌癥治療模式結(jié)合，起到增強的協(xié)同抗癌效果。放射治療能夠通過X射線的高穿透力和精準(zhǔn)定位治療體內(nèi)深藏的腫瘤，但腫瘤細(xì)胞的嚴(yán)重缺氧降低了X射線對其的殺傷力，而NO氣體能有效增強缺氧癌細(xì)胞對X射線的敏感性［1-4］。傳統(tǒng)的超聲波可以診斷癌癥，還可以穿透組織輔助治療腫瘤，超聲波和NO氣體治療的結(jié)合大大增強了抗腫瘤效果［9-13］。光熱治療利用光能轉(zhuǎn)化成熱能，使腫瘤部位溫度升高消融癌細(xì)胞，但是溫度過高會損傷正常人體組織［14］。若采用溫和的熱消融方式又會使癌細(xì)胞產(chǎn)生自我修復(fù)，因此將溫和的光熱治療與NO氣體治療結(jié)合可有效改善治療效果［15-18］。ROS能夠誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞壞死，而NO氣體能夠與ROS分子結(jié)合增強癌細(xì)胞對ROS的敏感性［25-26］。傳統(tǒng)的化學(xué)治療會使癌細(xì)胞產(chǎn)生耐藥性［27-28］，而NO氣體可通過抑制P-糖蛋白的表達(dá)降低耐藥性，增強細(xì)胞內(nèi)的藥物富集，協(xié)同抗癌［29-33］。

因此，將NO氣體治療與其他的腫瘤治療方式結(jié)合，組成多模態(tài)的NO釋放納米體系協(xié)同機(jī)制是非常有價值和潛力的。然而，盡管有很多文獻(xiàn)報道了這方面的研究，但NO氣體的協(xié)同抗癌治療應(yīng)用還面臨一些問題和挑戰(zhàn)：1）設(shè)計出能夠在特定腫瘤組織可控釋放NO的納米體系，提高納米體系的靶向效率，并研究藥物的有效釋放性能，減少藥物的損耗及對其他組織的副作用；2）增加NO協(xié)同治療模式的機(jī)理研究，為協(xié)同抗癌治療提供更多理論依據(jù)。

綜上所述，以長遠(yuǎn)的目光來看，研究并不斷改進(jìn)NO氣體與其他抗癌治療方式的結(jié)合來提高腫瘤治療效率將為癌癥的治療起到推動作用。