納米氣體制劑的構(gòu)建及治療惡性腫瘤的研究進(jìn)展

陸秀鑫，劉軍杰，王欽，吳雅菲，郭靜，張維青

1 廣西醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院超聲科，南寧 530000；2 廣西醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院超聲科；3 廣西醫(yī)科大學(xué)附屬腫瘤醫(yī)院實(shí)驗(yàn)研究部

惡性腫瘤作為人類健康的頭號殺手，發(fā)病率逐年增加［1］。迫切需要開發(fā)安全、高效、徹底的非侵入式腫瘤治療策略。研究發(fā)現(xiàn)，外源補(bǔ)充一氧化氮（NO）、一氧化碳（CO）、硫化氫（H2S）、氫氣（H2）、二氧化硫（SO2）等氣體信號分子在癌癥治療過程中發(fā)揮重要作用［2］。因此，氣體療法在腫瘤治療中引起廣泛關(guān)注，并可能成為一種有潛力的“綠色”治療方式［3］。然而，這些氣體分子的溶解性低、擴(kuò)散性高、組織滲透性差等特性極大限制了氣體療法在實(shí)際治療過程中的應(yīng)用［4］。氣體前體藥物多為小分子化合物，體內(nèi)循環(huán)時(shí)間短，缺乏在腫瘤內(nèi)主動聚集和可控釋放的能力，從而導(dǎo)致治療效果不理想［5］。納米氣體制劑將前體藥物與納米載體相結(jié)合，借助刺激源來實(shí)現(xiàn)氣體分子的腫瘤靶向遞送與可控釋放，最大限度地提高氣體分子及其前體藥物的利用率。目前，關(guān)于納米氣體制劑的研究聚焦于如何提高氣體分子或前體藥物的負(fù)載量、催化反應(yīng)效率及氣體釋放的可控性，從而提高氣體療法的腫瘤治療效果?，F(xiàn)對已報(bào)道納米氣體制劑的構(gòu)建形式及基于氣體療法的聯(lián)合腫瘤治療策略總結(jié)如下。

1 納米氣體制劑的構(gòu)建形式

1.1 提高分子負(fù)載量構(gòu)建納米氣體制劑 中空介孔納米材料裝載氣體前藥是提高治療氣體分子濃度的有效策略。FAN 等［6］通過將葡萄糖氧化酶（GOx）與NO 氣體前藥精氨酸（Arg）共同負(fù)載至中空介孔二氧化硅（hMON），成功構(gòu)建了葡萄糖響應(yīng)性釋放NO的納米氣體制劑（Arg@hMON-GOx）。同樣地，羰基釕、羰基鐵和羰基錳等CO 氣體前藥可擔(dān)載至多孔載體，用于提高氣體療法的癌癥治療效果［7］。GONG等［8］利用一種光催化納米材料（HisAgCCN）實(shí)現(xiàn)了光響應(yīng)性釋放CO。除此之外，基于H2S 氣體納米制劑也得到了廣泛研究。有學(xué)者合成的Fe1-xSPVP納米顆粒可在弱酸性腫瘤微環(huán)境（TME）解離生成S2-，并原位生成H2S 氣體［9］。CHEN 等［10］首次合成了新的 H2S 供體，并通過疏水相互作用將其加載到上轉(zhuǎn)換納米粒子（UCNPs） 表面，在980 nm 的激光照射下，熱分解釋放出H2S。

1.2 提高分子釋放可控性構(gòu)建納米氣體制劑 納米氣體制劑在外源性刺激源（如光、超聲波、X 射線、磁場和熱等）的作用下實(shí)現(xiàn)氣體地可控釋放，通過調(diào)節(jié)刺激源的功率和時(shí)間來控制其釋放氣體的速率和量［11］。目前，研究較多的刺激源為近紅外光（NIR），其組織穿透性高和光毒性低。因此，使用NIR 響應(yīng)構(gòu)建氣體納米制劑實(shí)現(xiàn)氣體可控性釋放無疑具有廣大的發(fā)展前景。XU 等［12］構(gòu)建了可控釋放NO 的納米顆粒IPH-NO，它將光敏劑（IR780）和紫杉醇（PTX）加載到NO 供體-S-亞硝化人血清白蛋白（HSA-NO）中。NIR 照射誘導(dǎo)NO 的迅速釋放，從而誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡并抑制腫瘤生長，同時(shí)NO 結(jié)合光療和化學(xué)療法殺滅腫瘤細(xì)胞。相較于NIR，超聲具有更強(qiáng)的組織穿透性（深達(dá)20 cm）和空間靶向性［13］。因此，構(gòu)建超聲響應(yīng)的負(fù)載能力高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可重復(fù)利用的氣體釋放納米平臺引起人們的廣泛關(guān)注。FENG 等［14］將替拉扎明（TPZ）負(fù)載到中空介孔二氧化鈦納米粒子（HMTNPs）中，并修飾S-亞硝基硫醇（R-SNO），構(gòu)建了多功能納米平臺TPZ/HMTNPs-SNO。在超聲刺激下，HMTNP 組分作為聲敏劑產(chǎn)生活性氧（ROS），ROS 進(jìn)一步使-SNO 基團(tuán)在腫瘤部位中實(shí)現(xiàn)NO 可控性釋放。同時(shí)，產(chǎn)生的NO可作為氣核增強(qiáng)SDT 的空化效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)SDT/氣體療法協(xié)同增強(qiáng)腫瘤治療的效果。

1.3 提高化學(xué)催化反應(yīng)效率構(gòu)建納米氣體制劑 為了確保身體的正常運(yùn)行，人體內(nèi)會發(fā)生多種酶和化學(xué)催化反應(yīng)。在納米材料介導(dǎo)的腫瘤治療策略中，這些催化反應(yīng)效率直接決定了其治療效果。首先，通過靶向輸送特定酶和相應(yīng)底物提高其給藥劑量，可提高治療氣體供給。有學(xué)者制備了2-油酰-1-棕櫚錫甘油-3-磷酸膽堿（POPC）脂質(zhì)體包封半乳糖籠的NONOate （β-gal-NONOate，一 種 穩(wěn) 定 的NO 前藥），靶向到達(dá)腫瘤內(nèi)，脂質(zhì)體在腫瘤內(nèi)弱酸性環(huán)境下降解導(dǎo)致β-gal-NONOate 緩慢滲透，釋放出β-gal-NONOate 在生物酶解作用下進(jìn)一步催化分解為NO［15］。可見，酶和底物的高特異性保證了氣體釋放的高選擇性。但生物酶的活性受環(huán)境影響很大，因此開發(fā)穩(wěn)定的人工仿生酶也是未來的探索方向。

2 聯(lián)合納米氣體制劑的腫瘤治療

2.1 聯(lián)合NO 納米氣體制劑的腫瘤治療 目前普遍認(rèn)為，化療失敗主要?dú)w因于多重耐藥性（MDR），但這有望被NO 逆轉(zhuǎn)。WANG 等［16］開發(fā)了酸性響應(yīng)和生物正交化學(xué)反應(yīng)介導(dǎo)的尺寸轉(zhuǎn)化簇狀納米系統(tǒng)，可在酸性TME 下通過生物正交反應(yīng)形成大尺寸聚集體，有良好腫瘤滯留率。這些大聚集體可解離成超小樹狀聚氨基胺/阿霉素/一氧化氮納米材料（PDN），更好地穿透腫瘤，可將阿霉素（DOX）和NO輸送到缺氧的腫瘤內(nèi)。以往研究發(fā)現(xiàn)，低氧誘導(dǎo)因子- 1α （HIF-1α）通過上調(diào)P-糖蛋白（P-gp）表達(dá)而導(dǎo)致化療失敗，與化療耐藥有關(guān)。而NO 可通過下調(diào)HIF-1α 水平，增強(qiáng)化療作用，并通過重編程血管的生成增強(qiáng)DOX 誘導(dǎo)的抗腫瘤免疫反應(yīng)。NO 作為放射增敏劑，在X 射線照射后加重DNA 損傷并抑制DNA 修復(fù)，使NO 顯著增強(qiáng)放療的作用，但它易被血紅蛋白 （Hb）清除 。LIN 等［17］學(xué)者提出了一種仿生納米材料，內(nèi)含有聚乳酸-乙醇酸共聚物 （PLGA）和中空微球（HM），其水核中含有NONOate 和表面活性劑分子（癸酸鈉，SC）。在酸性腫瘤環(huán)境中，HM 的PLGA 殼允許質(zhì)子從外部滲透，激活NONOate 的裂解，自發(fā)產(chǎn)生NO 氣泡，NO 氣泡可擠壓后會通過其SC 保護(hù)層逐漸被動擴(kuò)散到腫瘤部位。同時(shí)，它可在Hb 環(huán)境中產(chǎn)生和輸送NO，最大限度提高其在放療中的功效。NO 還能與ROS 生成劇毒活性氮物質(zhì)（如 N2O3、ONOO-等），為NO 氣體增強(qiáng)聲動力療法奠定了基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)NO氣體治療聯(lián)合聲動力治療，本課題組將氟碳螯合中空介孔有機(jī)二氧化硅納米粒子（FHMONs）作為載體共同負(fù)載磷酸二酯酶5 抑制劑（PDE5-i）和Ce6 光敏劑構(gòu)建了一個光響應(yīng)的NO釋放納米平臺，Ce6/PDE5-i@FHMON-O2可以釋放ROS 并將其轉(zhuǎn)換為活性氮自由基（RNS），由于 RNS比ROS具有更長的壽命，具有持久抗腫瘤作用［18］。

2.2 聯(lián)合CO 納米氣體制劑的腫瘤治療 CO 可顯著抑制ATP 合成并加重氧化應(yīng)激，而對正常組織幾乎無毒性［19］。LI 等［20］開發(fā)了一種基于介孔普魯士藍(lán)納米顆粒（PB NPs）的NIR 響應(yīng)性CO 釋放納米平臺，通過CO 誘導(dǎo)的代謝耗竭來逆轉(zhuǎn)MDR。五羰基鐵［Fe（CO）5］通過配位作用與PB NPs 偶聯(lián)，DOX 被封裝到PB NPs 的孔隙中。在逐層涂層后，NPs 顯示出所需的血清穩(wěn)定性以增強(qiáng)在腫瘤中的積累。在NIR（808 nm）照射下，裂解Fe-CO 鍵釋放CO，加速線粒體代謝以阻斷ATP 合成并抑制ATP 依賴性藥物流出，逆轉(zhuǎn)MDR 從而增強(qiáng)化療功效。CO 作為放射增敏劑在較低輻射劑量下抑制腫瘤生長和減少副作用而來起到協(xié)同治療的作用［21］。有人將GdW10 納米粒子和MnBr（CO）5（MnCO）封裝在納米膠束系統(tǒng)（PLGA）中，合成了GW/ MnCO@ PLGA，構(gòu)建了X 射線觸發(fā)的CO 釋放納米制劑用于協(xié)同放療［22］。其中在多鎢酸釓（GW）的X射線增敏作用下，強(qiáng)氧化性超氧陰離子（-O2-）活性物質(zhì)的產(chǎn)生可導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。此外，-O2-進(jìn)一步氧化并與Mn中心競爭，導(dǎo)致按需釋放CO，實(shí)現(xiàn)了放療/氣體治療協(xié)同作用以增強(qiáng)腫瘤抑制作用。癌細(xì)胞對CO 有較高能量需求，當(dāng)CO 作用于癌細(xì)胞線粒體后，會引發(fā)呼吸加速和ATP 消耗增加，最終誘發(fā)癌細(xì)胞凋亡。ZHAO 等［23］設(shè)計(jì)了FeCO-MnO2@MSN 納米藥物，用于腫瘤內(nèi)衍生的ROS和CO 的級聯(lián)釋放。其中MnO2納米顆粒通過類Fenton 反應(yīng)分解產(chǎn)生大量-OH 用于化學(xué)動力學(xué)療法（CDT），然后觸發(fā)共載的FeCO 分解為CO 用于氣體治療，實(shí)現(xiàn)了CDT和氣體治療的協(xié)同效應(yīng)。

2.3 聯(lián)合H2S 納米氣體制劑的治療 目前，H2S 氣體分子用于癌癥治療的研究主要集中在其對癌細(xì)胞增殖和存活的影響［24］。研究證明，在進(jìn)行放療前給予H2S 供體（NaHS），可改善腫瘤氧合和對放療的敏感性［25］。LI 等［26］構(gòu)建了金屬酚類納米增敏劑（Hf-PSP-DTC@PLX），該納米平臺通過響應(yīng)弱酸性TME生成H2S，產(chǎn)生的H2S對線粒體產(chǎn)生呼吸抑制而降低細(xì)胞耗氧率，利用O2來增強(qiáng)放療的功效并激活免疫原性。這種改善氧合和氧利用策略將在氣體治療聯(lián)合放療方面具有巨大潛力。H2S 介導(dǎo)的呼吸抑制與光動力學(xué)療法（PDT）相結(jié)合的巧妙策略，可有效增強(qiáng)抗 癌 效 果。YANG 等［9］設(shè) 計(jì) 合 成 了 響 應(yīng)TME 的Fe1-xS-PVP納米顆粒。在弱酸性TME中，該納米顆粒解離的S2-與H+結(jié)合，在腫瘤部位生成H2S 氣體。同時(shí)，F(xiàn)e1-xS-PVP 納米顆粒在NIR（808 nm）的激光照射下呈現(xiàn)良好的光熱轉(zhuǎn)化效率（24%），通過Fenton反應(yīng)產(chǎn)生高濃度的-OH。另外，F(xiàn)ENG等［27］報(bào)道了Cu（II）-卟啉衍生的納米級共價(jià)有機(jī)框架（COFs），觸發(fā)硫化反應(yīng)產(chǎn)生H2S，同時(shí)生成無金屬的COF光敏劑。其原位生成的CuS可用作光熱劑，實(shí)現(xiàn)了H2S氣體治療同時(shí)聯(lián)合PDT和光熱療法（PTT）用于惡性腫瘤治療。

2.4 聯(lián)合H2、SO2納米氣體制劑的治療 H2對惡性腫瘤顯示出一定的療效。有研究者構(gòu)建了一種含有聚多巴胺（PDA）和氨基硼烷（AB）的生物膜偽裝納米藥物（mPDAB）［28］。在酸性TME中，AB釋放H2并與-OH原位反應(yīng)，通過增加細(xì)胞內(nèi)ROS 水平，下調(diào)TNF-α 和IL-6 水平，減輕PTT 誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)。SO2通過耗盡TME 中的谷胱甘肽（GSH）和破壞膜結(jié)構(gòu)，對其造成氧化損傷。有學(xué)者設(shè)計(jì)了一種基于SO2氣體藥物輸送系統(tǒng)，通過加載抗癌藥物苯丁酸氮芥并使用GSH和NIR作為刺激條件來克服腫瘤的MDR［29］。

綜上所述，氣體療法是一種新興的、有前途的癌癥治療方法，氣體納米制劑的開發(fā)將為癌癥治療問題提供一些特殊的解決方案。為了實(shí)現(xiàn)高效安全的治療，需要根據(jù)不同治療模式構(gòu)建高效、多功能納米氣體制劑。而在構(gòu)建納米氣體制劑的過程中，如何提高氣體分子或前體藥物的負(fù)載量、催化反應(yīng)效率、以及氣體釋放可控性仍是一個熱門話題。另外，單一的氣體治療不能達(dá)到最佳的治療效果，因此，如何利用單一納米平臺實(shí)現(xiàn)不同治療模式的高效協(xié)同作用，并對其分子機(jī)制進(jìn)行研究是該研究領(lǐng)域的研究重點(diǎn)與難點(diǎn)。而多功能的納米結(jié)構(gòu)有望實(shí)現(xiàn)多種治療方式的有機(jī)結(jié)合，加速了癌癥的多模態(tài)聯(lián)合治療策略的發(fā)展。除本文綜述的聯(lián)合治療方法外，免疫治療、基因治療等其他治療模式也有可能通過納米藥物途徑與氣體治療相結(jié)合來改善其治療效果，目前尚未見報(bào)道，但也是可以預(yù)期的。