纳米氧化铈在肿瘤和炎症组织中的EPR效应研究进展

杨通旺综述，吴 刚审校

（包头医学院研究生学院，内蒙古包头014040）

纳米氧化铈在肿瘤和炎症组织中的EPR效应研究进展

杨通旺综述，吴 刚审校

（包头医学院研究生学院，内蒙古包头014040）

铈/药理学； 肿瘤/病理学； 纳米结构； 炎症； 通透性； 综述

铈是含量最丰富的一种稀土元素，而二氧化铈（CeO2）是铈的天然和最稳定存在形式。纳米氧化铈则是一种纳米稀土金属氧化物，其既是纳米材料也是一种重要的稀土金属氧化物，因而同时具有纳米材料和稀土金属氧化物的物理、化学和生物学性质。纳米氧化铈由于其特殊的尺寸和结构，表现出许多与常规氧化铈不同的特殊效应，如表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和抗氧化应激效应。纳米氧化铈的这些特殊的不同于常规氧化铈的物理、化学和生物学性质，使得纳米材料被广泛应用于诸如环境工程、化工、医药制药和化妆品领域[1]。现对纳米氧化铈在肿瘤及炎症组织中的EPR效应研究作一综述。

1 纳米粒子在肿瘤和炎症组织中的EPR效应

1.1 肿瘤和炎症组织的血管缺陷 通过注射聚合树脂获得的血管铸型的电镜图片显示肿瘤血管和正常血管系统之间有着显著的不同[2]。同时，肿瘤组织中的血流量也与正常组织中的显著不同。正常组织中的血流受注射血管紧张素Ⅱ调节的血压的影响较小，相对一致不变。在相同的处理下，肿瘤组织中的血流量却显著增加，且肿瘤组织中血流的方向也可能突然改变，血流可能以不稳定的方式停止或者开始，并能出现过度外渗[3]。肿瘤血管的内皮细胞比正常血管内皮细胞大，细胞间隙开口增大允许大分子向肿瘤组织的间质性空间渗漏[4]。

1.2 肿瘤和炎症组织的淋巴功能缺陷 应用罂粟种子油的碘化乙基脂肪酸（碘油）作为X射线造影剂发现，正常组织通过淋巴回流得到快速恢复，而肿瘤组织中碘油不能从沉积的部位（肿瘤组织）轻易地被恢复，这表明肿瘤组织的淋巴恢复功能受到损坏[5]。利用肿瘤的这种特异性滞留碘油的有利条件，通过将亲脂性聚合物连接的抗癌药物SMANCS（新抑癌菌素连接上共聚SMA）以一种碘油的形式来治疗包括肝、肾和胆囊在内的各种肿瘤[6]。

1.3 血管效应分子 Dvorak等[7]从肿瘤细胞中分离出来一种肿瘤特异性血管通透性因子（vascular permeability factor，VPF），后来VPF被证明是血管内皮细胞生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），这是一种在炎症和肿瘤中共有的血管效应分子，并在炎症和肿瘤中高表达。VEGF事实上也能够增加正常血管的血管通透性，这个过程涉及内皮细胞NO和一氧化氮合成酶。

1.4 纳米粒子的EPR效应 由于肿瘤和炎症组织血管缺陷，使得纳米粒子和大分子物质可向这些组织渗漏，而淋巴回流功能的受损又降低了其将纳米粒子和大分子物质清除出肿瘤和炎症组织的可能，使得纳米粒子和大分子物质得以在肿瘤和炎症组织滞留的现象就称之为增强的通透性和潴留作用（enhanced permeability and retention effect，EPR）[8]，也称为EPR效应。纳米粒子在肿瘤和炎症组织中的EPR效应使得其可以选择性地在肿瘤和炎症组织中累积，从而达到靶向运输的效果，也被称之为纳米粒子的被动靶向运输。

Jansen等[9]在固态肿瘤中发现了有活性的血管生成素。促血管生成素-1（Ang-1）、促 Ang-2/酪氨酸受体 2（tie2）是血管内皮生长因子之外的一条重要血管生成信号转导通路[10]。给予血管生成素，纳米粒子在肿瘤和炎症组织中的EPR效应确实得到改善。需氧细胞在代谢过程中产生的活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）包括O2-、H2O2及HO2·、·OH等，血管生成素本身对EPR效应没有影响，但ROS是Ang-1/tie2受体通路的一个重要介质，Ang-1通过NAPDH氧化酶复合体产生ROS，ROS促进内皮细的转移和PAK-1的磷酸化而对Erk1/2的磷酸化起到负性调节的作用[11]。通过向不同的细胞中加入血管生成素，发现其抑制了H2O2引起的细胞和基因毒性[12]。雄性小鼠注射Ang-2，其血压升高且含有AT1aR的丘脑室旁核神经元中ROS的生成增加[13]。也就是血管生成素是通过ROS来影响纳米粒子在肿瘤和炎症组织中的EPR效应。

影响肿瘤和炎症组织EPR效应的分子还有很多，如血红素氧合成酶-1、CO，TGFβ抑制剂和TNFα都在小鼠模型中表现出增强对的EPR效应。在微生物感染或炎症期间产生的氧自由基和NO也能在局部组织增强纳米粒子EPR效应。并且，同样功能的分子还在不停地被发现，而肿瘤和炎症组织中纳米粒子的EPR效应的分子机制也将进一步被阐明。

2 CeO2 通过血管效应分子影响EPR效应

目前并无发现纳米CeO2本身直接对血管的通透性影响的报道，因而不能直接证明纳米氧化铈对纳米粒子在肿瘤和炎症组织中EPR效应的影响。但纳米氧化铈与影响血管通透性的血管效应分子却有着复杂的联系。CeO2晶体具有萤石立方结构，其中Ce4+占据八面体空隙，O2-占据四面体空隙。由于纳米氧化铈粒径小表面能高，晶体表明产生氧空位，随着氧空穴的产生与消除，氧化铈中的铈离子在+3和+4两种价态间可逆转换，在氧化铈被还原时，位于四面体空隙的氧会逸出，所剩余的2个电子被离其最近的2个Ce4+获得，Ce4+被还原成Ce3+[14]。这就赋予了氧化铈独特的氧储存和释放能力，并在细胞和生物体内表现出类似SOD的清除氧自由基功能。而纳米氧化铈的这种独特的清除氧自由基特性也在越来越多的实验中得到了证明。纳米氧化铈在A549，CACO2和HepG2细胞系中抑制了H2O2引起的基因毒性[15]。通过支气管滴注大剂量的纳米CeO2时，虽然在肺部也产生了急性炎症损伤，但是NO却显著下降[16]。

ROS本身就是一个重要的血管效应分子，ROS的降低使得依赖血管效应分子的纳米粒子在肿瘤和炎症组织中的EPR效应降低，血管内皮细胞和内皮细胞间隙的结构也将的到改善，从而抑制肿瘤细胞增殖和炎症的发展。不但ROS本身作为一种血管效应分子对纳米粒子在肿瘤和炎症组织的EPR效应产生影响，且血管生成素和内皮细胞生长因子也都是通过ROS来影响EPR效应的。纳米氧化铈保护脑卒中[17]和抑制肿瘤生长的原因可能就与纳米氧化铈由于EPR效应在病变组织中聚集有关。纳米氧化铈是一种纳米粒子，可以通过EPR效应在炎症和肿瘤组织累积，而纳米氧化铈的聚集就会通过降低ROS来阻止VEGF和血管生成素的作用，且血管的通透性受到抑制，从而抑制肿瘤的增长和炎症的蔓延。

3 纳米氧化铈应用及其安全性

作为一种新型纳米材料，纳米氧化铈具有纳米粒子的一般特性，当其表面连接上药物时，由于纳米粒子的EPR效应使得纳米氧化铈包被物能被动靶向运输至特定的部位。通过支气管滴注发现，纳米氧化铈在肝和脾这些血流旺盛的组织中的聚集比其他组织高出两个数量级[18]。纳米氧化铈的被动靶向运输克服了一些低溶解性和高毒性药物由于高剂量使用引起的生物毒性，同时也延长了药物半衰期，增加患者的依从性，延长药物的生命周期并降低了医疗费用。脱铁蛋白由于其半衰期短使得其抗氧化的效率受到影响，而当脱铁蛋白结合上纳米CeO2时，其类似SOD的抗氧化功能得到显著改善[19]。同时纳米氧化铈的生物兼容性相对于其他的纳米材料更好，在相对较短的时间内没有对细胞产生细胞毒作用和基因毒性作用。支气管内滴注纳米CeO2后，虽然也引起了急性炎症的症状，但在7d内开始恢复，并在28d实验结束时恢复到实验前水平[20]。

4 小 结

在体外模拟肺泡巨噬细胞的吞噬溶酶体的环境，将纳米氧化铈置于pH为4.5的环境中搅拌72 h也只融解了0.120%[18]。当纳米氧化铈进入细胞内时，特别是当纳米CeO2被运输至溶酶体这样的酸性环境中时，即使是少量的氧化铈溶解，也会在细胞能产生高浓度的Ce4+。而在东北紫杉醇细胞中Ce4+激活磷脂酶D，从而降解结构性磷脂导致细胞凋亡[21]。由于纳米氧化铈与细胞膜、DNA和胞内细胞器的动力学反应使得纳米氧化铈在卵母细胞中通过氧化应激引起基因毒性[22]。当纳米氧化铈与细胞膜紧密接触时，纳米氧化铈通过直接的生物还原机制在大肠杆菌中产生细胞毒性[23]。通过细胞外大分子阻止纳米粒子和纳米粒子稳定剂与细胞的直接接触，纳米氧化铈在蓝藻中引起间接的细胞毒性。而纳米CeO2即使在1 nmol/L的环境相关浓度下也可通过催化ROS产生对线虫的明显毒性，使线虫的平均寿命水平显著降低[24]。纳米氧化铈在正常和肿瘤细胞系中的状态和细胞毒性在很大程度上取决于其表面电荷[25]。由此，虽然纳米氧化铈的生物学效应研究取得了一定的进展，但仍处于起步阶段，对于纳米氧化铈生物学效应的诠释，特别是对于具有争议性的生物毒性的研究还需要科学家们的不懈努力。

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10.3969/j.issn.1009-5519.2015.20.019

A

1009-5519（2015）20-3096-03

2015-07-15）

杨通旺（1990-），男，湖南湘西自治州，在读研究生，主要从事生物化学与分子生物学研究；E-mail：123620677@qq.com。