二氧化錳納米復(fù)合材料的合成及其在腫瘤治療中的應(yīng)用進(jìn)展

陳艾紅,張子文,周諾馨,夏瑋,鄺運(yùn)起,趙琳靜,陸杰,羅宇,劉錫建

(上海工程技術(shù)大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,上海 201620)

惡性腫瘤由于其難以治愈且易于轉(zhuǎn)移,已成為危害人類健康的最嚴(yán)重的疾病之一。目前腫瘤治療方法主要有:手術(shù)、放療、化療、分子靶向治療,但都存在一定局限性,隨著納米科技的發(fā)展,給腫瘤治療帶來新的思路,新型的微創(chuàng)治療方法也蓬勃發(fā)展起來,如光動(dòng)力治療(Photodynamic Therapy,PDT)、化學(xué)動(dòng)力治療(Chemodynamic Therapy,CDT)、聲動(dòng)力治療(Sonodynamic Therapy,SDT)等[1-2]。

腫瘤微環(huán)境(TME)會(huì)影響腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移與治療,腫瘤組織在生長過程中會(huì)導(dǎo)致腫瘤微環(huán)境呈現(xiàn)低氧、弱酸性、高谷胱甘肽(GSH)濃度、過氧化氫(H2O2)過度產(chǎn)生等特點(diǎn),這些特點(diǎn)也是導(dǎo)致化療和放療等治療手段療效不佳的重要原因[3]。納米二氧化錳(MnO2)具有過氧化氫酶活性,可以與H2O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成O2,緩解腫瘤微環(huán)境的乏氧狀態(tài),MnO2還可以與腫瘤中還原性的GSH反應(yīng),提高氧化應(yīng)激,提高腫瘤治療效果。另外,MnO2在分解后會(huì)生成Mn2+,Mn2+在腫瘤弱酸環(huán)境下可以發(fā)生芬頓反應(yīng),催化H2O2產(chǎn)生羥基自由基(·OH),從而導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞死亡。同樣的,納米MnO2由于可降解的特性,可以作為腫瘤微環(huán)境響應(yīng)的藥物載體等,用于化療藥物、蛋白、基因等的遞送[4]。

近年來MnO2在腫瘤治療方面取得了重大研究進(jìn)展,本文介紹了幾種納米MnO2的主要合成方法:模板法、水熱法、溶膠凝膠法,對二氧化錳納米材料在光動(dòng)力治療、化學(xué)動(dòng)力治療、聲動(dòng)力治療、化療等方面的應(yīng)用進(jìn)行了綜述,展望了其研究發(fā)展方向。

1 二氧化錳納米粒子的制備方法

二氧化錳(MnO2)納米材料的制備方法主要有模板法、水熱法和溶膠凝膠法。

1.1 模板法

模板法已廣泛應(yīng)用于MnO2納米結(jié)構(gòu)的合成,依據(jù)所用模板的物理性質(zhì),模板法可分為硬模板法和軟模板法。

1.1.1 硬模板法

硬模板法主要采用二氧化硅、碳納米管及聚苯乙烯等聚合物為模板,二氧化錳在其表面生長得到納米二氧化錳。Cheng等[5]人首先合成二氧化硅納米球?yàn)槟０?然后加入氯化錳和尿素反應(yīng)得到二氧化錳包覆二氧化硅核殼納米粒子,高溫焙燒后用NaOH將二氧化硅核刻蝕,得到空心的二氧化錳,二氧化錳表面改性后應(yīng)用于藥物負(fù)載和腫瘤成像,取得良好的效果,如圖1所示。硬模板易制備出分散均一的納米結(jié)構(gòu),但制作成本高,效率較低。

圖1 H-MnO2-FA 的合成路線圖[5]

1.1.2 軟模板法

軟模板主要采用表面活性劑、柔性有機(jī)分子和嵌段聚合體等形成不同形態(tài)的膠束模板,利用靜電、氫鍵和范德華力等作用得到不同形態(tài)的納米材料[6]。例如,油酸作為模板和還原劑,將KMnO4還原制備得到了粒徑約136 nm蜂窩狀MnO2納米結(jié)構(gòu)(H-MnO2)。通過調(diào)整反應(yīng)體系及條件,軟性模板法可被用來制備諸如納米片、納米球及納米棒等多種形態(tài)的MnO2納米結(jié)構(gòu)[7]。軟模板法方法簡單,但均一性和尺寸不易控制,表面活性劑的去除也存在一定的問題。

1.2 水熱法

水熱法利用高溫、高壓在水熱作用下,可以加快和促進(jìn)離子和水解反應(yīng),此方法也是合成納米二氧化錳的常見的方法。Hou等[8]利用硝酸錳水溶液和雙氧水在250 ℃密封的聚四氟不銹鋼高壓反應(yīng)釜內(nèi)反應(yīng)6 h,得到蒲公英狀β-MnO2,水熱法比較簡單,但是高溫高壓存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 溶膠凝膠法

溶膠凝膠法是一種簡單、低溫的制備納米結(jié)構(gòu)金屬氧化物的工藝,但其揮發(fā)溶劑需要較長時(shí)間。Hashemzadeh等人[9]將表面活性劑(十六烷基三甲基溴化銨、聚乙烯吡咯烷酮、P123嵌段聚合物等)溶于乙醇中,加入硝酸和乙酸錳后劇烈攪拌,形成均一的溶液后放置于干燥箱揮發(fā)溶劑,水洗滌后獲得不同形貌的二氧化錳納米材料。

2 MnO2納米體系在腫瘤治療中的應(yīng)用

2.1 MnO2納米材料協(xié)同PDT

光動(dòng)力療法(PDT)是一種新興的、無創(chuàng)的、非侵入性的腫瘤治療方法,在一定波長的激光照射下,光敏劑(PSs)被激發(fā),光敏劑與氧氣作用產(chǎn)生有毒性的活性氧(ROS),例如單線態(tài)氧(1O2),造成線粒體、細(xì)胞膜、溶酶體等亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)損傷,最終誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡或者壞死[10]。由于腫瘤的無限增殖和血管畸形使得腫瘤微環(huán)境氧氣供應(yīng)不足,造成PDT效果下降。利用腫瘤微環(huán)境的弱酸性和高濃度的GSH和H2O2與MnO2反應(yīng)生成O2克服腫瘤乏氧可以顯著提高PDT效果[11]。

Cao等[12]通過將納米藥物(MnO2@Ce6)(Chlorin e6,Ce6)裝載入間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)中制備MnO2@Ce6-MSCs“載氧導(dǎo)彈”。在間充質(zhì)干細(xì)胞的細(xì)胞動(dòng)力學(xué)作用下藥物的靶向性和深層滲透得到增強(qiáng),光敏劑Ce6通過利用物理吸附的作用與MnO2結(jié)合,提高了Ce6在血液循環(huán)中穩(wěn)定性?！皩?dǎo)彈”爆炸后釋放的MnO2@Ce6對H+和H2O2具有高度敏感性,在原位生成O2,在633 nm激光照射下為1O2的生成提供原料,改善了腫瘤的缺氧環(huán)境。與此同時(shí),MnO2分解釋放Mn2+表現(xiàn)出較高T1弛豫用磁共振成像。這種方法實(shí)現(xiàn)了MSCs引導(dǎo),Ce6轉(zhuǎn)換,核磁共振監(jiān)測的PDT為腫瘤的臨床治療提供新的策略。

2.2 MnO2納米材料介導(dǎo)的CDT

化學(xué)動(dòng)力學(xué)療法(CDT)是步文博[13]課題組提出的一種基于活性氧(ROS)治療癌癥的新興策略,利用腫瘤微環(huán)境弱酸、H2O2過表達(dá)等條件介導(dǎo)金屬離子發(fā)生芬頓(Fenton)或類芬頓(Fenton-like)反應(yīng),將H2O2轉(zhuǎn)化為高毒性的羥基自由基(·OH)殺死腫瘤細(xì)胞。

MnO2納米粒可以在弱酸性的腫瘤微環(huán)境中與GSH反應(yīng)生成Mn2+,從而降低GSH濃度,增強(qiáng)CDT效果。同時(shí),觸發(fā)MnO2納米粒子的分解還可以催化H2O2原位產(chǎn)生O2,以緩解腫瘤環(huán)境缺氧的問題。Li等[14]在Cu/ZIF-8納米球表面加載化療藥物雙硫銨(DSF),并通過物理吸附的方式將葡萄糖氧化酶(GOD)包覆在Cu/ZIF-8納米球表面,最后用MnO2納米殼封裝構(gòu)建了Cu/ZIF-8@DSF-GOD@MnO2(CZ-DG-M),如圖2a所示。在腫瘤微環(huán)境中MnO2消耗GSH破壞活性氧防御機(jī)制,同時(shí)產(chǎn)生氧氣。DSF在生理環(huán)境中易被代謝為DTC,DTC易與Cu2+離子形成DTC-Cu絡(luò)合物(CuET),可損傷腫瘤細(xì)胞的DNA、蛋白質(zhì),導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。同時(shí),生成的Cu+離子與H2O2發(fā)生類芬頓反應(yīng)生成ROS,從而實(shí)現(xiàn)高效的治療效果。此外,釋放的Mn2+具有磁共振成像功能,可以跟蹤納米催化劑在體內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。

(a)CZ-DG-M的合成和增強(qiáng)CDT示意圖[14];(b)發(fā)光納米探針增強(qiáng)CDT的示意圖[15]圖2 MnO2納米材料介導(dǎo)的CDT

Ming等[15]將MnO2納米顆粒與siRNA結(jié)合構(gòu)建一個(gè)基因傳遞載體(ErNPs@MnO2-siS100A4-RGD)如圖2b所示。在高濃度的GSH腫瘤環(huán)境中,MnO2與GSH反應(yīng)釋放S100A4 siRNA(siS100A4),同時(shí)生成Mn2+,隨后,鑭系納米探針(ErNPs)暴露于第二近紅外區(qū)熒光(NIR-II)中,實(shí)現(xiàn)精確的基因定位治療和類芬頓反應(yīng)介導(dǎo)的CDT效應(yīng)。

Li的團(tuán)隊(duì)[16]用中空MnO2納米顆粒負(fù)載抗癌藥物-鹽酸阿霉素(DOX),并用聚乙烯亞胺(PEI)和檸檬酸酐修飾的聚L-賴氨酸(PLL(cit))包覆負(fù)載DOX的MnO2(HMDN)得到了一個(gè)多刺激響應(yīng)的給藥系統(tǒng)DOX@HMDN-PEI-PLL(cit)。在弱酸性的腫瘤微環(huán)境中,HMDNs納米殼的快速破裂釋放DOX,與此同時(shí)MnO2消耗GSH同步釋放Mn2+催化類芬頓反應(yīng)。

2.3 MnO2納米材料增強(qiáng)SDT

聲動(dòng)力療法(SDT)主要原理是利用低強(qiáng)度超聲(0.5～4.0 W·cm-2)輻射,激活聲敏劑產(chǎn)生活性氧(ROS),從而殺死腫瘤細(xì)胞。SDT具有非侵入性,可以利用納米顆粒在腫瘤部位的聚集特性進(jìn)行精確定向腫瘤治療,相比于PDT,SDT利用機(jī)械波的高穿透性可有效地治療深部惡性腫瘤。

超聲波激發(fā)聲敏劑產(chǎn)生電子和空穴,但它們很容易復(fù)合,導(dǎo)致活性氧產(chǎn)生效率降低。Zhou及其團(tuán)隊(duì)[17]構(gòu)建了鑭(La)摻雜MnO2的多孔納米顆粒(LMO),可以極大地改善激發(fā)電子和空穴的分離效率,從而使ROS的產(chǎn)量得到明顯的改善。Liu等[18]將聲敏劑(IR780)和MnO2封裝在PLGA中,并連接Angiopep-2(Ang)合成多功能納米酶(Ang-IR780-MnO2-PLGA,AIMP)來增強(qiáng)SDT。在IR780和低強(qiáng)度聚焦超聲輻照的作用下,AIMP穿透血腦屏障實(shí)現(xiàn)膠質(zhì)瘤的靶向功能(尤其是線粒體)的靶向性,同時(shí)產(chǎn)生活性氧(ROS),誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。另外,MnO2具有酶活性,與H+、H2O2和GSH發(fā)生反應(yīng),釋放O2,增強(qiáng)了SDT的治療效果。Mei團(tuán)隊(duì)[19]通過將金納米顆粒(Au NPs)錨定在二維層狀黑磷(BP)表面,并在表面涂覆MnO2外殼,隨后修飾大豆磷脂(SP)構(gòu)建了Au/BP@MS,包覆的MnO2可以消耗GSH釋放O2,同時(shí)引起細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激放大;產(chǎn)生的Mn2+可作為MR成像劑,用于增強(qiáng)腫瘤特異性成像和檢測。

2.4 MnO2納米材料增強(qiáng)化療

化療是作為常用的治療方法,通常使用化學(xué)藥物來殺死腫瘤細(xì)胞[20]?；熓且环N全身性的癌癥治療方法,無論是口服,還是靜脈、體腔注射,化學(xué)藥物都會(huì)通過血液循環(huán)擴(kuò)散到身體的大部分器官和組織,具有較大的毒副作用。

為了解決這一系列問題,Zhang等[21]將g-C3N4和DOX封裝在ZIF-8中,然后裝載MnO2納米點(diǎn),最后用F217表面修飾而成(FMZ/DC)。其中,將DOX包裹在ZIF-8載體中,減少了DOX的非特異性藥物釋放,最大限度地減少了藥物的副作用。重要的是,負(fù)載的MnO2納米點(diǎn)催化內(nèi)源性H2O2產(chǎn)生溶解氧、持續(xù)釋放DOX,這樣可以降低對抗腫瘤藥物的耐藥性,提高了腫瘤治療的效率(圖3a)。

(a)FMZ/DC的制備和化療示意圖[21];(b)MTX@MnO2-Opca對膠質(zhì)瘤的治療示意圖[22]圖3 MnO2納米材料協(xié)同化療

腦膠質(zhì)母細(xì)胞瘤被認(rèn)為是無法治愈和最致命的癌癥之一,由于血腦屏障(BBB)的存在,在生理環(huán)境下,血腦屏障阻止治療藥物循環(huán)血液進(jìn)入腫瘤所在的大腦。為了實(shí)現(xiàn)藥物無創(chuàng)通過血腦屏障的能力,Zhang的團(tuán)隊(duì)[22]利用腦膜炎奈瑟菌的Opca蛋白修飾裝載有化療藥物甲氨蝶呤(MTX)的空心二氧化錳(MnO2)納米顆粒(MTX@MnO2-Opca)。Opca蛋白的存在使藥物能夠穿過血腦屏障并滲透到腫瘤組織中。MTX@MnO2-Opca在腫瘤區(qū)域積累后,MnO2催化腫瘤組織中多余的H2O2分解產(chǎn)生O2,緩解腫瘤缺氧增強(qiáng)化療效果(圖3b)。

3 結(jié)論與展望

綜上所述,本論文對MnO2納米材料的性能、合成方法以及在腫瘤治療的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。近年來,雖然以MnO2納米復(fù)合材料的合成以及在腫瘤治療中應(yīng)用研究有了長足的發(fā)展,但MnO2納米材料的進(jìn)一步臨床應(yīng)用還面臨著許多問題。雖然許多研究表明,MnO2納米體系的生物相容性好、毒性低等,但其長期毒性還沒有得到充分的評(píng)估,在臨床應(yīng)用時(shí)必須降低其毒性,加快其生物降解。

為了實(shí)現(xiàn)多種治療方式相結(jié)合,在制備過程中需要加入各種功能成分,例如微粒、生物分子、高分子等,不同作用成分的加入給MnO2納米材料的穩(wěn)定可靠的制備帶來新的挑戰(zhàn),尚待研究人員開發(fā)MnO2納米材料的大規(guī)模、高品質(zhì)的生產(chǎn)工藝。

單靠一種療法無法完全實(shí)現(xiàn)根除的惡性腫瘤,而聯(lián)合療法則能彌補(bǔ)單一療法的缺陷,提高治療效率。但是MnO2納米材料如何與其他功能試劑、藥物等發(fā)揮協(xié)同和互補(bǔ)作用,還需要進(jìn)一步驗(yàn)證和確認(rèn)。