金屬有機(jī)框架材料在癌癥診斷和治療領(lǐng)域中的一體化應(yīng)用

吳宗乾，劉興燕

(1.陸軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射科，重慶 400038；2.重慶工商大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院 催化與環(huán)境新材料重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400067)

在臨床中，對(duì)癌癥的有效診斷能夠全面、準(zhǔn)確地反映疾病的病理特征和進(jìn)展情況，有助于提高治療的準(zhǔn)確性。目前癌癥診斷的成像技術(shù)主要有光學(xué)成像(OI)[1]，磁共振成像(MRI)[2]，計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)[3]，正電子發(fā)射斷層掃描(PET)[4]，光聲成像(PA)[5]。同時(shí)，化療[6]、放療[7]、光熱療法(PTT)[8]和光動(dòng)力療法(PDT)[9]是癌癥治療的常見方式。將成像技術(shù)和治療策略有效結(jié)合，通過(guò)成像引導(dǎo)的精確癌癥治療成為熱門的研究方向[10]。

本文綜述了近年來(lái)金屬有機(jī)框架材料(MOFs)[11-12]在OI、MRI、CT、PET、PA等單模成像技術(shù)指導(dǎo)下，進(jìn)行腫瘤有效診斷和治療的最新進(jìn)展和成就[13]，探討了MOFs在癌癥治療中的發(fā)展前景和關(guān)鍵挑戰(zhàn)[14]。

1 光學(xué)成像(OI)治療

OI是一種利用顯像劑將光轉(zhuǎn)化為熒光或磷光信號(hào)，反映生物體內(nèi)器官、組織或細(xì)胞信息的疾病診斷成像技術(shù)，具有操作簡(jiǎn)便、靈敏度好、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)選擇自身發(fā)光的金屬節(jié)點(diǎn)/有機(jī)配體或?qū)@像劑封裝/裝飾到MOFs的孔洞空腔中，制備基于納米MOFs的OI治療。此外，由于可見光對(duì)組織的穿透性較淺，近紅外(NIR)染料分子在近紅外光激發(fā)下具有較強(qiáng)的穿透性和較高的穩(wěn)定性，從而獲得增強(qiáng)的OI效應(yīng)。

Zhang課題組報(bào)道了一種基于MOFs的仿生癌細(xì)胞膜生物反應(yīng)器(簡(jiǎn)稱mCGP)，用于熒光成像引導(dǎo)的協(xié)同PDT和癌癥饑餓治療[15]。由Zr6金屬簇和TCPP配體組成球形PCN-224，通過(guò)靜電相互作用負(fù)載葡萄糖氧化酶(GOx)和過(guò)氧化氫酶(CAT)，然后在其表面包裹癌細(xì)胞膜，構(gòu)建具有10 nm均勻外脂質(zhì)雙分子層的仿生核殼mCGP。由于細(xì)胞膜生物反應(yīng)器的仿生表面修飾，mCGP的免疫逃逸和同源靶向能力將顯著提高其對(duì)腫瘤的靶向和滯留效果。當(dāng)被腫瘤細(xì)胞內(nèi)化后，mCGP中負(fù)載的GOx可促進(jìn)葡萄糖的消耗，而CAT將H2O2分解為O2，從而改善缺氧微環(huán)境，使腫瘤獲得有效的饑餓治療。此外，在光照射下，O2轉(zhuǎn)化為高毒性的1O2，進(jìn)而顯著提高PDT的治療效果。體內(nèi)熒光顯像結(jié)果顯示，靜脈給藥后，mCGP能夠在腫瘤部位有效積累，并且在48 h達(dá)到峰值，然后逐漸減弱。在4T1荷瘤小鼠中，能夠明顯觀察到PDT和饑餓協(xié)同治療的顯著效果。另外，該課題組構(gòu)建了另一種仿生治療納米復(fù)合材料mPPt，用于磷光成像和腫瘤靶向治療[16]，表現(xiàn)出高效的PS負(fù)載，精準(zhǔn)靶向和免疫逃脫能力。此外，mPPt的磷光效應(yīng)可用于評(píng)估腫瘤環(huán)境中的O2含量，同時(shí)有效的磷光成像以及PDT能夠明顯抑制腫瘤而無(wú)明顯副作用。這種仿生策略為開發(fā)多功能納米MOFs材料，有效治療疾病開辟了一條新途徑。

Liu課題組通過(guò)水熱法和后修飾策略合成了一種多功能治療納米材料UiO-66-NH2-FA-5-FAM/5-FU，用于熒光成像和癌癥治療[17]。通過(guò)調(diào)節(jié)苯甲酸的用量，得到了平均粒徑在20～200 nm的UiO-66-NH2。鑒于疾病治療對(duì)分散性和載體尺寸的要求，選擇50 nm的UiO-66-NH2作為載體負(fù)載藥物5-氟尿嘧啶(5-FU)，然后用熒光試劑5-羧基熒光素(5-FAM)和葉酸(FA)進(jìn)行功能化修飾。熒光成像實(shí)驗(yàn)表明，UiO-66-NH2-FA5-FAM/5-FU在高葉酸受體表達(dá)的活細(xì)胞和荷瘤小鼠中具有良好的熒光成像能力。該納米材料具有優(yōu)異的控釋性、水溶性、良好的生物相容性和優(yōu)異的靶向性，在體內(nèi)腫瘤診斷和治療中表現(xiàn)出了明顯的增強(qiáng)效果，為基于MOFs材料熒光成像與化療相結(jié)合的治療技術(shù)設(shè)計(jì)和構(gòu)建奠定了一些基礎(chǔ)。

2 磁共振成像(MRI)治療

MRI是一種利用外部磁場(chǎng)/無(wú)線電波與被檢測(cè)軟組織中的質(zhì)子(通常是水中的氫原子)相互作用產(chǎn)生的射頻信號(hào)來(lái)獲取生命體解剖和生理過(guò)程的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。MRI因其無(wú)創(chuàng)性、高空間分辨率和深組織穿透性而被廣泛應(yīng)用于臨床。MRI造影劑可以改變檢測(cè)部位水質(zhì)子的縱向(T1)和橫向(T2)弛豫率，進(jìn)而構(gòu)建疾病診斷圖像。目前，小分子Gd螯合物和超順磁氧化鐵分別用于T1加權(quán)(正信號(hào)增強(qiáng))成像和T2加權(quán)(負(fù)信號(hào)增強(qiáng))成像，但往往存在劑量大，水溶性差，有效半衰期短等缺點(diǎn)。有鑒于此，我們開發(fā)了多種含Gd、Mn、Fe及其衍生物的MOFs材料作為高分辨率MRI造影劑，以改善腫瘤積聚和腫瘤診療過(guò)程中的圖像質(zhì)量。

Gref課題組報(bào)道了一系列基于無(wú)毒Fe基MOFs的治療性納米材料(MIL-53,MIL-88A,MIL-89,MIL-100和MIL-101-NH2)，通過(guò)環(huán)境友好的介質(zhì)進(jìn)行抗癌藥物的可控輸送，逆轉(zhuǎn)錄病毒藥物(白消安(Bu),疊氮胸苷三磷酸(AZT-TP)，阿霉素(DOX) ，西多福韋(CDV)等)和MRI效應(yīng)[18]。藥物負(fù)載實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)e基MOFs不僅能夠有效負(fù)載AZT-TP、CDV等親水性藥物，還能包埋Bu、DOX等疏水性藥物和兩親性藥物。同時(shí)，在生理?xiàng)l件下，藥物能夠以可控的方式釋放，并保持藥理活性。細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)、急性毒性實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)亞急性毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)e基MOFs具有良好的生物相容性和生物安全性。值得注意的是，MIL-88A在Wistar雌性大鼠的肝臟和脾臟中表現(xiàn)出良好的T2加權(quán)MRI效應(yīng)，表明Fe基MOFs可以作為非常優(yōu)異的MRI材料。

2018年，Zhang課題組制備了一種基于Fe3O4@UiO-66核殼結(jié)構(gòu)和水溶性羧基柱[6]芳烴(WP6)納米閥的復(fù)合材料Fe3O4@UiO-66@WP6，用于MRI和宮頸癌治療[19]。將負(fù)載抗腫瘤藥物5-氟尿嘧啶的UiO-66-NH2生長(zhǎng)在具有較強(qiáng)MRI和磁分離效應(yīng)的Fe3O4表面，構(gòu)建Fe3O4@UiO-66核殼納米材料。隨后，通過(guò)與UiO-66-NH2上含有1-(6-溴已基)溴化吡啶(Py)的動(dòng)態(tài)主-客體相互作用，將WP6納米管負(fù)載到Fe3O4@UiO-66納米復(fù)合材料的表面，該Fe3O4@UiO-66@WP6納米材料在病理環(huán)境下表現(xiàn)出多重刺激響應(yīng)性藥物釋放能力。這種治療性納米材料具有良好的生物相容性、卓越的T2加權(quán)MRI效應(yīng)，并且對(duì)海拉細(xì)胞有卓越的抗癌作用。WP6納米閥的存在能夠使藥物持續(xù)釋放超過(guò)7 d，證明了超分子納米閥在藥物可控釋放中的有效性和可調(diào)性。

3 X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描成像(CT)治療

作為臨床輔助檢查的重要策略之一，具有良好空間分辨率和深部組織穿透性的CT成像是通過(guò)掃描組織間X射線衰減的差異重建的三維圖像，為癌癥的可視化診斷提供了良好的基礎(chǔ)。目前，高原子序數(shù)元素如碘、金、鉍、鋇等，常被用作小分子CT造影劑，以增加靶組織與周圍組織的對(duì)比效果。但是，由于血液和淋巴管滲出，低靶向性，高劑量等問(wèn)題，小分子CT造影劑的應(yīng)用受到嚴(yán)重限制。而且，密度相近的組織在CT成像中很難區(qū)分。隨著MOFs合成和表面功能化策略的迅速發(fā)展，基于MOFs的造影劑能夠解決上述相關(guān)問(wèn)題，從而增強(qiáng)CT成像指導(dǎo)下的腫瘤治療效果。

Zhang課題組合成了一種含有單分散碘硼二吡咯亞甲基(BODIPY)的納米MOFs材料UiO-PDT，用于大鼠原位肝癌的CT成像[20]。二碘取代單羧基修飾的BODIPY染料與UiO-66中的配體進(jìn)行配體交換，制備了粒徑約70 nm的八面體UiO-PDT。研究表明，UiO-PDT具有良好的生物安全性和濃度依賴性的X射線衰減效應(yīng)，在濃度為40 mg/mL時(shí)衰減值為236 HU,R2為0.997。大鼠原位肝癌的CT成像結(jié)果顯示，UiO-PDT優(yōu)先聚集在腫瘤部位，而不是周圍結(jié)締組織和臟器，靜脈注射24 h后，腫瘤與周圍組織的輪廓完全清晰，CT成像效果最佳。這項(xiàng)工作為構(gòu)建具有CT成像能力的MOFs及其診斷和治療疾病提供了可能性。

2019年，Han課題組構(gòu)建了基于金納米棒(NRs)和ZIF-8的納米復(fù)合材料LA-AuNR/ZIF-8，用于H22負(fù)載BALB/c小鼠的CT成像和協(xié)同光熱治療[21]。在該體系中，將ZIF-8與聚丙烯酸相互作用后，負(fù)載在Au NRs上，然后在側(cè)面進(jìn)行靶向基團(tuán)乳酸菌酸修飾，進(jìn)而制備LA-AuNR/ZIF-8。為了評(píng)估藥物傳送能力，以30%的DOX作為模型藥物加載到LA-AuNR/ZIF-8中進(jìn)行pH/NIR刺激響應(yīng)性釋放行為。由于Au NRs的存在，LA-AuNR/ZIF-8顯示出33%的光熱轉(zhuǎn)換效率和明顯的CT對(duì)比度，表明該材料具有良好的PTT能力和CT成像能力。因此，具有良好生物相容性和雙重刺激反應(yīng)性藥物釋放的LA-AuNR/ZIF-8在近紅外激光照射下，可以有效地進(jìn)行CT成像引導(dǎo)下的肝癌協(xié)同化療和PTT治療。

4 正電子發(fā)射斷層掃描成像(PET)治療

PET成像是一種利用發(fā)射正電子的核素解體來(lái)可視化人體代謝過(guò)程的核醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。與其他成像技術(shù)相比，PET成像具有穿透深、劑量要求小、靈敏度高、定量能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。一般PET顯像劑含有11C、13N、15O、18F、64Cu、68Ga、89Zr，但在臨床診斷中往往存在半衰期短、特異性差等問(wèn)題。由于離子組成的多樣性、高負(fù)載量和易于功能化的特點(diǎn)，許多基于MOFs的造影劑廣泛應(yīng)用于增強(qiáng)PET成像效果。

Liu課題組報(bào)道了一種尺寸控制的治療性納米混合療法，該療法采用一種快速、簡(jiǎn)便和完全水相的策略用于PET成像引導(dǎo)的腫瘤化療[22]。通過(guò)無(wú)毒聚丙烯酰胺(PAH)作為調(diào)制劑的競(jìng)爭(zhēng)配位特性，精確合成了直徑在30 ～ 150 nm的球形AZIF-8。隨后，通過(guò)在AZIF-8的合成過(guò)程中添加DOX，得到不同直徑的負(fù)載DOX的AZIF-8，并表現(xiàn)出相似的理化性質(zhì)，這為評(píng)估其尺寸依賴性的生物學(xué)特性提供了優(yōu)勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞攝取、細(xì)胞內(nèi)藥物釋放和藥代動(dòng)力學(xué)行為與DOX負(fù)載AZIF-8的大小相關(guān)。其中，60 nm的材料表現(xiàn)出最大的細(xì)胞/腫瘤攝取和延長(zhǎng)血液循環(huán)，最小尺寸的DOX負(fù)載AZIF-8表現(xiàn)出最快的藥物釋放行為。此外，體內(nèi)抗腫瘤研究表明，60 nm DOX@AZIF-8在4T1荷瘤小鼠中表現(xiàn)出顯著的PET成像效果、高的腫瘤積累、良好的生物安全性和明顯的治療效果。

最近，Chen等人通過(guò)原位聚合策略制備了一種具有強(qiáng)生理穩(wěn)定性的納米級(jí)聚合物包裹的MOFs，用于可控藥物傳送[23]。MOFs主要包括鋯基卟啉MOFs(Zr-MOFs)、MIL-101(Fe)、ZIF-8和UiO-66，錨定雙[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]磷酸鹽(BMAP)配體和不同單體(如N,N’-雙(丙烯酰)胱胺、丙烯酸、聚(乙二醇)二丙烯酸酯、熒光素二甲基丙烯酸酯、和聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯))，進(jìn)而得到聚合物包裹的MOFs。透射電鏡(TEM)圖像顯示，與原始MOFs相比，聚合物包裹的MOFs在磷酸鹽緩沖鹽水和細(xì)胞培養(yǎng)基RPMI-1640中具有顯著增強(qiáng)的穩(wěn)定性。同時(shí)，聚合物包裹MOFs的穩(wěn)定性也與表面包覆的單體類型有關(guān)。與64Cu配合后，Zr-MOFs在A431荷瘤小鼠中表現(xiàn)出良好的PET成像效果。 重要的是，與64Cu標(biāo)記的Zr-MOF相比，64Cu標(biāo)記的聚合物包裹的Zr-MOF具有EPR效應(yīng)，在腫瘤區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了延長(zhǎng)循環(huán)和顯著的腫瘤聚集。

5 光聲成像(PA)治療

PA是由生物組織吸收脈沖激光產(chǎn)生光聲成像信號(hào)而形成的一種獨(dú)特的無(wú)創(chuàng)非電離醫(yī)學(xué)成像檢測(cè)技術(shù)，為研究目標(biāo)組織的形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)、病理特征和代謝功能提供了重要工具。該方法特別適合于癌癥的早期診斷和治療監(jiān)測(cè)。與其他成像技術(shù)一樣，MOFs的應(yīng)用在一定程度上能夠獲得高質(zhì)量成像和增強(qiáng)治療效果。

6 結(jié)論和展望

簡(jiǎn)要綜述了MOFs作為單模態(tài)成像技術(shù)(包括OI、MRI、CT、PET、PA)腫瘤診斷與治療的多功能診療領(lǐng)域的最新進(jìn)展和成就。通過(guò)將成像技術(shù)和治療策略整合到一個(gè)體系中，開發(fā)了基于MOFs成像引導(dǎo)的精確治療體系，實(shí)現(xiàn)腫瘤的診斷和治療。MOFs作為智能治療主要依靠其獨(dú)特的特性：成分多樣、尺寸可調(diào)、表面積和孔隙大、負(fù)載能力強(qiáng)、表面易于改性和生物降解性。雖然MOFs在實(shí)驗(yàn)室研究方面取得了重大進(jìn)展，但在癌癥診斷和治療方面仍面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這限制了MOFs在臨床中進(jìn)一步應(yīng)用。

MOFs的毒性和生物安全性是臨床應(yīng)用前需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。由于MOFs種類繁多，毒性與其組成、尺寸、穩(wěn)定性以及理化性質(zhì)密切相關(guān)，同時(shí)也要考慮人體不同活體組織的耐受性。因此，非常有必要對(duì)MOFs的毒性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。目前報(bào)道的關(guān)于MOFs毒性的研究主要集中在急性毒性和短期毒性，而對(duì)長(zhǎng)期毒性的研究較少，因?yàn)檫@需要大量的體內(nèi)和長(zhǎng)期組織積累研究。

由于癌癥的復(fù)雜性和多樣性，有必要開發(fā)智能和多樣化的MOFs治療系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)精確的癌癥治療。需要強(qiáng)調(diào)的是，動(dòng)物腫瘤模型和人類腫瘤之間存在著顯著的差異。許多MOFs治療體系在動(dòng)物模型中表現(xiàn)出了出色的抗腫瘤能力，但實(shí)際對(duì)人類腫瘤的治療效果仍需綜合評(píng)價(jià)。

MOFs在體內(nèi)代謝過(guò)程中的降解機(jī)制也需要深入分析，進(jìn)一步保證腫瘤診斷和治療的生物安全性。由于MOFs診療的成像特點(diǎn)，可以通過(guò)成像策略監(jiān)控MOFs的降解過(guò)程，盡管存在降解不可預(yù)測(cè)和時(shí)空限制等缺點(diǎn)。因此，需要通過(guò)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期的吸收-分布-代謝-排泄過(guò)程，可靠、全面地研究多次給藥引起的MOFs在組織中的持續(xù)積累。

隨著成像技術(shù)和癌癥治療策略的快速發(fā)展，未來(lái)的工作可能集中在構(gòu)建無(wú)毒、專一性的MOFs，以實(shí)現(xiàn)腫瘤特異性清除。盡管MOFs作為臨床治療手段仍面臨長(zhǎng)期挑戰(zhàn)，但MOFs具有獨(dú)特的可精準(zhǔn)定制的特性，我們堅(jiān)信MOFs將在未來(lái)的臨床應(yīng)用中得到廣泛的應(yīng)用。