基于金屬有機(jī)框架材料的抗腫瘤藥物遞送與腫瘤治療

李兵太，寇邦國(guó)，蔣永杰，邊攀，尹蘭寧,2

0 引言

近些年，惡性腫瘤的發(fā)病率和死亡率逐步上升，據(jù)估計(jì)，2020年有1930萬新發(fā)癌癥病例，近1000萬人死于癌癥[1]。惡性腫瘤已成為人類健康的重大威脅因素之一。目前，化療仍是治療惡性腫瘤的主要方法之一，盡管多種藥物已經(jīng)用于惡性腫瘤治療，但效果不甚理想，主要原因是絕大多數(shù)藥物缺乏選擇性，溶解性差，在輸送過程中只有少部分能到達(dá)病灶部位，通常需要提高劑量來補(bǔ)償不良的生物分布，導(dǎo)致了嚴(yán)重的不良反應(yīng)[2]。因此，選擇適合的載體對(duì)提高抗腫瘤藥物的治療效果尤為重要。傳統(tǒng)的載體如脂質(zhì)體、乳劑或膠束等，雖然可負(fù)載一定的藥物進(jìn)入腫瘤組織，但存在嚴(yán)重的低載藥量（＜5 wt%）、不滿意的生物利用度、破裂釋放、生物屏障旁路不良和毒性等，這些局限性限制了其應(yīng)用[3]。

金屬有機(jī)框架（metal-organic framework,MOF）是近些年衍生出的一種新型復(fù)合多孔材料，已廣泛應(yīng)用于氣體儲(chǔ)存、分離、催化、傳感等領(lǐng)域[4]。隨著對(duì)MOF更加深入地了解，越來越多的研究集中于生物醫(yī)學(xué)和生物工程，尤其在藥物遞送方面展現(xiàn)出巨大的潛能。目前，一些常見的抗腫瘤藥物已被成功封裝在MOF中，與游離藥物相比，MOF負(fù)載的藥物表現(xiàn)出更好的抗腫瘤活性。除了化療，MOF在其他腫瘤治療中也展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。本文從MOF的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，主要介紹MOF負(fù)載抗腫瘤藥物的優(yōu)勢(shì)及其在抗腫瘤治療中的應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 MOF的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

MOF是一類由無機(jī)金屬（離子、離子簇或多核配合物）和有機(jī)支柱自組裝形成的多孔有機(jī)—無機(jī)雜化網(wǎng)狀分子材料，見圖1，可擴(kuò)展成一、二或三維結(jié)構(gòu)[5]。MOF的金屬中心與有機(jī)支柱在通過配位鍵和共價(jià)鍵連接過程中會(huì)產(chǎn)生超大比表面積和孔隙率（高達(dá)90%）的MOF晶體[6]。MOF的合成方法較簡(jiǎn)單，主要有溶劑熱法、電化學(xué)法、機(jī)械研磨法、微波及超聲波法、高通量合成法等[7]，另外，還可以對(duì)MOF表面進(jìn)行合成后修飾，提高其穩(wěn)定性，微調(diào)其性能，或賦予其額外的功能[8]。MOF結(jié)合了有機(jī)物和無機(jī)分子的優(yōu)點(diǎn)，關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一是可以通過改變金屬和（或）有機(jī)連接劑來輕松調(diào)整其組成。由于組分的幾何形狀、大小和功能的靈活性，MOF的結(jié)構(gòu)在理論上幾乎是無限的，越來越多的MOF被報(bào)道和研究，具有代表性的有MIL（materials of institut lavoisier）系列、UiO（university of oslo）系列和沸石咪唑酯框架（zeolitic imidazolate frameworks,ZIF）系列。

圖1 金屬有機(jī)框架的結(jié)構(gòu)模式Figure 1 Structural pattern of metal-organic frameworks(MOFs)

2 MOF遞送抗腫瘤藥物

2.1 載藥量

MOF以極高的比表面積、可調(diào)節(jié)的孔徑大小和表面性質(zhì)而聞名[7]，這些特點(diǎn)使MOF的載藥能力遠(yuǎn)超過其他藥物載體[4]。2006年，Horcajada等[9]構(gòu)建了兩種立方沸石型MOF——MIL-100和MIL-101，該材料對(duì)布洛芬表現(xiàn)出高達(dá)60%的載藥量，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)載體的負(fù)載能力，首次證明了多孔MOF在藥物負(fù)載方面的高潛能。由于這項(xiàng)研究因金屬鉻的已知毒性而受到爭(zhēng)議，該團(tuán)隊(duì)隨后合成了兩種低毒性的多孔羧酸鐵MOF，在剛性介孔MIL-100中，化療藥物白消安的負(fù)載量高達(dá)25 wt%，分別比聚合物納米粒子體系和脂質(zhì)體高5倍和60倍，MIL-101-NH2負(fù)載的疊氮胸苷三磷酸和西多福韋達(dá)到了前所未有的42 wt%。此后，以MOF作為藥物載體的研究飛速發(fā)展。

Yang等[10]用MOF-5裝載抗腫瘤藥物辣椒素和5-氟尿嘧啶（5-Fluorouracil,5-Fu），結(jié)果表明辣椒素和5-Fu的最高載藥量分別為0.592 g/g載體和0.315 g/g載體，累積釋放量分別為76.8%和73.8%，證明MOF-5具有顯著的裝載和緩釋效果。Lin等[11]通過浸染法將甲氨喋呤（methotrexate,MTX）裝入MOF ZJU-64和ZJU-64-CH3中，MTX有效載荷分別達(dá)到13.45 wt%和10.63 wt%。阿霉素（doxorubicin,DOX）在介孔鐵-有機(jī)框架納米粒子中的負(fù)載量高達(dá)55 wt%[12]。多西他賽在MIL-100中的載荷為57.2 wt%[13]。

另外，通過修飾MOF的表面性質(zhì)如表面積、粗糙度、表面電荷、活性基團(tuán)等可以很容易地調(diào)整負(fù)載能力[8]。Giménez-Marqués等[14]利用接枝快速表面工程技術(shù)，用聚乙二醇（polyethylene glycol,PEG）對(duì)MIL-100進(jìn)行外表面修飾，共價(jià)包覆形成PEG涂層，提高了MIL-100納米粒子的化學(xué)和膠體穩(wěn)定性，化療藥吉西他濱（gemcitabine,GEM）被成功地裝載在該納米顆粒中，裝載量約為30 wt%，封裝效率為66%。Pooresmaeil等[15]在羧甲基纖維素/石墨烯量子點(diǎn)基質(zhì)（CMC/GQDs）中原位合成MIL-53，由于GQDs具有更高的水溶性、更大的表面積和更多的官能團(tuán)，結(jié)合GQDs的CMC可以提高載藥能力，因此，形成的MIL-53@CMC/GQDs中DOX的封裝效率（88.90%）遠(yuǎn)超過單純的MIL-53（55.80%）。

2.2 藥物釋放

2.2.1 基于MOF的藥物遞送系統(tǒng) 為了實(shí)現(xiàn)藥物在腫瘤區(qū)域原位釋放和控釋釋放，藥物遞送系統(tǒng)（drug delivery systems,DDSs）被認(rèn)為是最實(shí)用和最有價(jià)值的策略[16]。通過DDSs，宿主MOF可在pH、磁場(chǎng)、離子、溫度、光、壓力等多種刺激激活下將客體藥物靶向傳遞到細(xì)胞或組織并精確釋放，達(dá)到靶向治療效果[17]。將DOX封裝在表面進(jìn)行pH響應(yīng)苯甲酸亞胺鍵和氧化還原響應(yīng)二硫鍵修飾后的納米級(jí)MIL-101中，形成一種靶向腫瘤的藥物遞送系統(tǒng)——TTMOF，該TTMOF表現(xiàn)出pH刺激響應(yīng)性藥物釋放和細(xì)胞內(nèi)還原環(huán)境引發(fā)的藥物釋放現(xiàn)象，可釋放高達(dá)78%的DOX[18]。最近，一種MOF核酸響應(yīng)系統(tǒng)被發(fā)掘——由UiO-66組成的microRNA（miRNA）響應(yīng)四面體雜化載體。該系統(tǒng)中，由核酸功能化的UiO-66裝載抗腫瘤藥物喜樹堿和DOX，在響應(yīng)四面體miRNA-21和miRNA-155的控制下，外切酶Ⅲ通過miRNA觸發(fā)器的再生放大了載體的解鎖，導(dǎo)致負(fù)載的藥物釋放，提升了MOF的釋藥能力[19]。

2.2.2 pH刺激響應(yīng)性藥物釋放與ZIF材料 腫瘤代謝導(dǎo)致腫瘤微環(huán)境較人體正常組織呈酸性[20]，為把藥物靶向遞送到腫瘤特定區(qū)域創(chuàng)造了前提條件。因此，pH響應(yīng)型藥物遞送系統(tǒng)作為一種能以可控方式給藥的“智能”系統(tǒng)越來越受到人們的關(guān)注，許多對(duì)pH敏感的載體在抗腫瘤藥物輸送方面已經(jīng)成功地展示了腫瘤靶向性[21]。

在眾多的MOF中，ZIF材料由于其自身的pH敏感度備受關(guān)注，已被研究應(yīng)用于腫瘤疫苗接種、抗體的保護(hù)與存儲(chǔ)、腫瘤標(biāo)志物檢測(cè)、誘導(dǎo)成骨等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。作為ZIF的代表，ZIF-8具有高孔隙率，比表面積可達(dá)到1970 m2/g[22]。ZIF-8在中性條件下具有良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，但在酸性環(huán)境中，由于H+的競(jìng)爭(zhēng)，Zn2+與氮原子之間的配位打開，結(jié)構(gòu)崩塌[23]，見圖2。

圖2 ZIF-8載藥及pH響應(yīng)性藥物釋放示意圖[24]Figure 2 Diagram of ZIF-8 drug loading and pH responsive drug release[24]

Sun等[25]首次發(fā)現(xiàn)了ZIF-8的pH響應(yīng)藥物釋放特性，用ZIF-8負(fù)載5-Fu進(jìn)行pH響應(yīng)藥物釋放實(shí)驗(yàn)顯示：5-Fu在PBS（pH=7.4）中不釋放或少許釋放，在醋酸緩沖液（pH=5.0）中的釋放速率明顯提高，超過45%的5-Fu在1 h左右釋放，釋放量在12 h內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，總釋放量超過85%。用ZIF-8負(fù)載二磷酸氯喹（chloroquine diphosphate,CQ）作為自噬抑制劑，以甲氧基聚乙二醇葉酸（polyethylene glycol-folate,FA-PEG）作為靶向癌細(xì)胞涂層，形成FA-PEG/CQ@ZIF-8納米顆粒。該納米顆粒中CQ的裝載量達(dá)18 wt%，pH=7.4條件下24 h只有9.9%的CQ釋放，在pH=6.0和pH=5.0條件下，24 h的累積釋放量分別達(dá)到68.6%和96.5%，證實(shí)了pH誘導(dǎo)的CQ釋放[26]。將D-α-生育酚琥珀酸酯（D-αtocopherol succinate,α-TOS）包封到ZIF-8中，隨后覆蓋透明質(zhì)酸（hyaluronic acid,HA）外殼，形成的HA/α-TOS@ZIF-8納米平臺(tái)中α-TOS的負(fù)載率高達(dá)43.03%。在腫瘤微環(huán)境中，透明質(zhì)酸酶分解HA外殼，使包裹的α-TOS@ZIF-8暴露，導(dǎo)致ZIF-8在酸性環(huán)境中分解，釋放α-TOS，該HA/α-TOS@ZIF-8納米平臺(tái)在體內(nèi)外均具有高抑制腫瘤生長(zhǎng)的性能[27]。

以上的研究結(jié)果均表明，ZIF-8不但可以高效負(fù)載抗腫瘤藥物，而且能在中性的血液循環(huán)過程中減少藥物損失，當(dāng)?shù)竭_(dá)酸性環(huán)境的腫瘤組織后，載藥的ZIF-8對(duì)腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞毒性歸因于pH誘導(dǎo)的ZIF-8結(jié)構(gòu)崩塌，提高了藥物的有效濃度。因此，ZIF-8有望成為最佳的抗腫瘤藥物載體。

2.3 載體的生物降解

MOF常見的金屬基團(tuán)是毒性較低的Zn基、Fe基和Cu基，這些金屬基團(tuán)和有機(jī)配體之間形成的相互作用較弱，使MOF較容易被生物體降解[28]。另外，不同的化學(xué)觸發(fā)物（如pH值變化、離子、ATP或氧化還原劑）和物理刺激（如光或熱）可用于降解MOF[29]。一項(xiàng)在小鼠體內(nèi)的降解和排泄實(shí)驗(yàn)表明，MOF降解后為其組成成分，并在肝臟和脾臟中積累，隨尿液和糞便排出體外[30]。然而，目前對(duì)于MOF在體內(nèi)降解的報(bào)道仍然很少，需要更多的探索來填補(bǔ)這些空白。

3 基于MOF的抗腫瘤治療

3.1 放射治療

放射治療（radiotherapy,RT）在惡性腫瘤治療中扮演著重要的角色，然而，腫瘤的低輻射吸收率和輻射抗性以及RT對(duì)正常組織的放射毒性往往影響治療效果[31]。MOF在RT領(lǐng)域的不斷發(fā)展，為提高RT的療效、減少不良反應(yīng)帶來了希望。Du等[32]開發(fā)了一種利用MOF負(fù)載D-精氨酸（D-arginine,D-Arg）的納米顆?！狧A@MOF/D-Arg，其中D-Arg作為NO供體，HA作為腫瘤靶向劑，在HA@MOF/D-Arg和低劑量X射線照射下，能增強(qiáng)骨肉瘤消融，并能預(yù)防荷瘤小鼠肺轉(zhuǎn)移，而且對(duì)正常細(xì)胞和小鼠的毒性相對(duì)較低。該研究表明MOF提高了骨肉瘤的放射敏感度，可以有效地抑制腫瘤生長(zhǎng)，防止骨肉瘤復(fù)發(fā)和肺轉(zhuǎn)移。

3.2 光動(dòng)力治療

近年來，由光活化配體或光敏劑修飾而成的MOF已成為一類新型的光動(dòng)力增強(qiáng)劑。鉿-卟啉納米金屬有機(jī)框架——DBP-UiO，可以作為一種特別有效的光敏劑，用于耐藥頭頸部腫瘤的光動(dòng)力治療[33]。用HA修飾的ZIF-8，可以高效包覆光動(dòng)力治療的第二代光敏劑二氫卟吩e6（chlorin e6,Ce6），解決了游離Ce6在生理環(huán)境中容易團(tuán)聚、在腫瘤組織中積累不良的問題，提高光動(dòng)力治療效率[34]。

3.3 免疫治療

在腫瘤免疫治療方面，通過免疫工程，可以將小分子藥物、生物大分子（包括肽類抗原、核酸類免疫佐劑作為癌癥疫苗）、抗體等多種免疫治療藥物納入MOF，進(jìn)行免疫調(diào)節(jié)和全身抗腫瘤免疫[35]。有研究[36]發(fā)現(xiàn)ZIF-8可作為抗體保護(hù)層，利用PEG修飾保護(hù)的ZIF-8傳遞程序性死亡配體-1（programmed death ligand 1,PD-L1）。在酸性的腫瘤區(qū)域，PD-L1從塌陷的ZIF-8中暴露后到達(dá)目標(biāo)腫瘤組織，形成了一個(gè)強(qiáng)大的抗腫瘤免疫系統(tǒng)。Ni等[37]使用MOF Hf-DBP共遞送Toll樣受體7激動(dòng)劑咪喹莫特（imiquimod,IMD）和抗CD47抗體（αCD47）用于癌癥免疫治療，瘤內(nèi)注射IMD@HfDBP/αCD47可有效維持IMD和αCD47的局部濃度，使巨噬細(xì)胞再極化。在X射線照射下，IMD@Hf-DBP/αCD47與免疫檢查點(diǎn)抑制劑PD-L1共同作用時(shí)，能有效調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境、激活固有免疫系統(tǒng)從而協(xié)調(diào)適應(yīng)性免疫，完全根除了雙側(cè)結(jié)直腸腫瘤模型中的原發(fā)和遠(yuǎn)端腫瘤。

3.4 基因治療

經(jīng)過20年的深入研究，基因療法現(xiàn)已成為治療癌癥最有希望的方法之一。然而，裸DNA/RNA分子體積過大，無法通過細(xì)胞膜，經(jīng)常迅速被血液中的血清核酸酶降解[38]，缺乏理想的給藥系統(tǒng)限制了基因治療的潛力。Morris等[39]基于UiO-66-N3，創(chuàng)建了第一個(gè)MOF表面DNA功能化的納米顆粒——核酸綴合物，為基因治療提供了前景。將小干擾RNA（small interfering RNA,siRNA）通過與金屬位點(diǎn)的配位加載在六邊形板形態(tài)的UiO表面，可保護(hù)siRNA不被核酸酶降解，提高了其細(xì)胞攝取，并促進(jìn)siRNA從核內(nèi)體逃逸，沉默了多藥耐藥基因，逆轉(zhuǎn)了卵巢癌細(xì)胞對(duì)順鉑的化療耐藥[40]。通過仿生礦化和共沉淀法可將質(zhì)粒DNA大分子封裝到ZIF-8和ZIF-8聚合物載體中，兩種系統(tǒng)均具有良好的質(zhì)粒DNA負(fù)載、釋放和保護(hù)能力，在細(xì)胞內(nèi)基因傳遞和表達(dá)中表現(xiàn)出良好的性能[41]。

4 多功能抗腫瘤MOF

利用MOF合成的可調(diào)諧性和結(jié)構(gòu)規(guī)律性，設(shè)計(jì)各種功能配體、納米粒子、生物分子進(jìn)行合成后修飾，可以調(diào)控MOF的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，使不同的生物分子分層集成到一個(gè)單一的框架中，從而實(shí)現(xiàn)多功能[42]。

靶向生物成像和藥物遞送的多功能載體在癌癥早期診斷和治療中備受關(guān)注。將Fe3O4粒子加入到多孔網(wǎng)狀MOF-3中，能制備出一種磁性納米金屬有機(jī)框架，把化療藥物紫杉醇、成像元件和腫瘤靶向配體葉酸整合到該框架中，可以達(dá)到良好的成像和靶向殺傷癌細(xì)胞的效果[43]。以氧化錳（Mn3O4）納米顆粒作為腫瘤診斷劑，聚丙烯酸（polyacrylic acid,PAA）、ZIF-8作為pH敏感度藥物傳遞劑和作為治療劑的MTX共同構(gòu)建形成Mn3O4@PAA@ZIF-8/MTX體系。該體系保留了單個(gè)組件的所有功能，具有較強(qiáng)的成像能力和較高的MTX輸送能力[23]。上述這種結(jié)合診斷成像功能和靶向治療的新型多功能MOF實(shí)現(xiàn)了腫瘤診療一體化，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

將多組分引入一個(gè)MOF能結(jié)合多種腫瘤治療方法，可以突破單一治療模式的不足，增強(qiáng)腫瘤的治療效果。金基Au@MOF核殼可以有效結(jié)合光動(dòng)力和光熱療法殺滅癌細(xì)胞，抑制腫瘤生長(zhǎng)[44]。上轉(zhuǎn)換納米顆粒（upconversion nanoparticles,UCNP）與MOF的結(jié)合體——UCNP@MOF，能將近紅外光觸發(fā)的光化學(xué)治療和缺氧激活的化療與免疫治療相結(jié)合，對(duì)抗目前腫瘤治療的局限性,實(shí)現(xiàn)高效的腫瘤協(xié)同治療[45]。MOF材料Hf-MOL介導(dǎo)的放射療法-放射動(dòng)力學(xué)療法（radiotherapy-radiodynamic therapy,RT-RDT）和PD-L1聯(lián)合不僅根除了三陰性乳腺癌模型的原位腫瘤，而且顯著降低了肺轉(zhuǎn)移[46]。Wang等[47]設(shè)計(jì)了一種鋯離子MOF，攜帶光敏劑和抗腫瘤藥物黃酮，實(shí)現(xiàn)了光動(dòng)力療法和化學(xué)療法聯(lián)合的高效抗腫瘤作用。Zhao等[48]將ZIF-8作為基因載體和化學(xué)動(dòng)力學(xué)治療誘導(dǎo)劑，遞送高載量的治療性核酸藥物miRNA，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡，開辟了一條協(xié)同基因治療和化學(xué)動(dòng)力學(xué)治療途徑。

因此，多功能MOF在腫瘤治療中具有比單一成分更大的優(yōu)勢(shì)，為臨床治療提供了一種很有效的方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)語與展望

綜上所述，MOF的多種優(yōu)良特性有望成為抗腫瘤藥物載體的替代品，尤其是ZIF-8材料，由于其pH刺激響應(yīng)性，應(yīng)該是最有價(jià)值的候選載體。多種治療手段的結(jié)合是治療腫瘤的理想方法，可以提高腫瘤的治療效果，改善患者的生活質(zhì)量，因此，多功能抗腫瘤MOF為加強(qiáng)腫瘤治療效果提供了一種新的思路和方法，如果能更深入地轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用，相信這將是人類抗腫瘤史上的重大成就。然而，對(duì)于MOF的長(zhǎng)期毒性及其生物降解的研究仍處于起步階段，其生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究還遠(yuǎn)未應(yīng)用于臨床，因此，我們需要對(duì)其在機(jī)體內(nèi)的吸收、分布、藥代動(dòng)力學(xué)/藥效學(xué)、劑量反應(yīng)、積累和排泄等方面進(jìn)行更加全面深入的認(rèn)識(shí)。