纳米载药系统靶向肿瘤干细胞的研究进展

朱 琳 张春霞

癌症是世界范围内的公共卫生健康问题，具有极高的发病率和死亡率[1-2]。临床用于治疗癌症的方法主要有手术切除、放疗和化疗等，但是传统治疗后肿瘤复发和转移的几率仍然很高。随着对肿瘤细胞增殖、侵袭转移和放化疗抵抗机制的不断研究，越来越多的证据表明在乳腺癌[3]、肺癌[4-5]、肝癌[6]、胰腺癌[7]等恶性肿瘤中均存在一类特殊的细胞群体，称之为肿瘤干细胞(Cancer stem cells，CSCs)，它被认为是肿瘤发生发展、侵袭转移和放化疗抵抗的根本原因[8]。纳米载药系统(Nano-drug delivery system，NDDS)具有多种特性，常被用于靶向递送和缓释药物[9]。又因肿瘤细胞吞噬能力强、病变组织血管丰富、血管内皮细胞间隙大，NDDS更易进入肿瘤毛细血管壁间隙并在肿瘤组织中富集，为根除CSCs提供了新的方法。本文将对CSCs和NDDS的特点以及近年来NDDS在CSCs中的研究进展做一综述。

1 CSCs

CSCs与正常干细胞相似，不仅能够快速增殖，还具有多重耐药、高致瘤性、自我更新和多向分化的潜能[10-11]。虽然仅占肿瘤组织的1%，但多数CSCs长期处于G0期，传统的化疗药物只能杀伤增殖期肿瘤细胞，对G0期CSCs无效，使CSCs得到保护，逃脱了化疗药物的攻击，不易被常规治疗所根除。再经过一段时间的增殖、分化形成新的肿瘤，导致肿瘤复发。因此，消灭CSCs是提高化疗敏感性，治愈癌症的有效方法之一。

目前靶向根除CSCs主要有以下几种方式[12]：(1)通过与CSCs的特异表面标志结合，例如CD133、CD90、CD44、ALDH1、ABCG2等；(2)P13K/AKT/mTOR、Notch、Wnt、Hedgehog等信号通路在多种CSCs常处于异常激活状态，针对这些信号通路可有效靶向CSCs；(3)诱导CSCs分化成non-CSCs，使CSCs失去自我更新增殖能力；(4)针对肿瘤微环境，抑制正常干细胞转为CSCs。

2 NDDS的特点

纳米载体具有尺寸小、比表面积大、表面活性高、可体内降解、生物相容性好和无免疫原性等多种特性，并且可以通过表面修饰，增加载药量和改善药代动力学，实现药物靶向递送和缓释[13-15]。目前NDDS包括以下几种递送方式：(1)递送化疗药物，提高化疗药物在肿瘤组织中的浓度，减少化疗药物对正常组织的毒副作用；(2)递送基因药物，增加内源性抗肿瘤基因的表达程度，避免转染效率低导致的脱靶问题；(3)同时递送两种或多种不同功能的药物，实现药物的联合转运和治疗。

3 NDDS在CSCs中的靶向治疗

3.1 纳米-化疗药物

3.1.1 纳米载紫杉醇 代谢重编程是机体为肿瘤细胞和CSCs提供充足能量及营养物质的方式之一，对维持CSCs的活性至关重要[16]。Shen等[17]将载紫杉醇纳米粒注射于小鼠卵巢移植瘤，发现该纳米粒有效逆转代谢重编程过程，肿瘤生长显著受抑，实验鼠存活时间延长。细胞穿透肽可与胶质瘤干细胞整合素αvβ3结合，并通过受体介导的转胞吞作用快速穿透脂质膜和血脑屏障，为此Liu等[18]制备表面经细胞穿透肽R8修饰的载紫杉醇纳米颗粒，该纳米颗粒特异性靶向CSCs，并使血管生成拟态受阻，营养物质和血液供应减少，胶质瘤CSCs增殖受抑。

3.1.2 纳米载吉西他滨 CD44通过与透明质酸(Hyaluronic acid，HA)、细胞骨架蛋白等结合，参与细胞的增殖分化、侵袭转移和血管形成等过程，被认为是乳腺癌[19]、肝癌[20]、肺癌[21-22]和胃癌[23]等恶性肿瘤的CSCs表面标志物。Han等[24]用HA修饰的脂质体递送吉西他滨(Gemcitabine，GEM)至乳腺癌CSCs，药物稳定性提高，半衰期被延长，并且对细胞的毒性、抗肿瘤转移和抑制细胞克隆形成等作用显著增强。同时在异种移植瘤小鼠模型中，该药物的抗肿瘤作用是游离GEM的3.3倍，且未对正常组织表现出明显的副作用。

3.1.3 纳米载沙利霉素 沙利霉素(Salinomycin，Sali)可通过活化p38 MAPK和抑制Wnt信号通路发挥特异性杀灭CSCs作用，但由于Sali溶解性差以及强毒性，其临床应用受限。Zhao等[25]将Sali与MPBH、亲水性弹性蛋白样多肽偶联，两亲性化合物自组装成无毒且生物学稳定的纳米颗粒。继续将Sali、DMHA和α-生育酚共载入该纳米颗粒，通过增强通透性和滞留效应，提高了Sali在CSCs中的聚集程度以及对CSCs的毒性作用。

3.1.4 纳米载表柔比星 表柔比星通过干扰DNA、RNA合成和复制过程发挥抗肝癌作用，但作为ABC转运蛋白底物，常被识别和外排，并且ABC转运蛋白抑制剂临床使用效果不佳。Wang等[26]将金刚石纳米粒与表柔比星经物理吸附作用形成复合物EPND，再通过内吞和巨胞饮作用被肿瘤细胞摄取。研究发现，EPND在酸性环境中(PH=2)可快速完全释放，但在中性环境(PH=7)和碱性环境中(PH=10)中释放缓慢甚至受抑。因此，EPND不仅能限制表柔比星在血液循环系统(PH 7.35～7.45)中的作用，避免对正常组织和器官的损伤，还能有效提高肿瘤酸性环境内表柔比星的浓度。

3.2 纳米-基因药物

3.2.1 纳米载miRNA miR-34a通过负调控CD44抑制肿瘤细胞转移、生长和分化，但是miR-34a在肿瘤组织中通常呈缺失或低表达状态，且易受核酸酶和聚阴离子性质的影响，突破体内屏障到达肿瘤细胞实属困难。Jang等[27]使用纳米囊泡包裹PLI/miRNA并进行裸鼠原位瘤和皮下移植瘤的全身递送，发现内源性miR-34a升高，CD44下调，Bcl-2，Oct 3/4，Nanog表达降低，肿瘤生长显著被延迟。

聚氨基酯(Poly(β-amino esters)，PBAE)是一类新型阳离子聚合物，具有合成简单、毒性相对较低并能介导基因有效转染等优点，特别适用于细胞内递送基因、蛋白和小分子药物[28]。Lopez-Bertoni等[29]采用PBAE共载miR-148a和miR-296-5p，发现PBAE可逃离核内体直接进入细胞质，并在肿瘤微环境的诱导下释放miRNA，肿瘤细胞生长显著受抑，移植瘤小鼠存活时间延长。

明胶酶是与恶性肿瘤的侵袭转移密切相关的蛋白酶，在肿瘤组织中常过表达。Cui等[30]合成了对明胶酶敏感的高分子纳米载体PEG-Pep-PCL，负载miR-200c并作用于胃癌细胞后，发现胃癌细胞对放疗显著增敏。另外，CD44表达下调，CD44+BGC823细胞数目减少，细胞侵袭转移和抗凋亡能力减弱，CSCs放疗抵抗相关特性降低。

3.2.2 纳米载基因 多形性胶质母细胞瘤对替莫唑胺(Temozolomide，TMZ)的抗性与O6-甲基嘌呤DNA甲基转移酶(O6-methylguanine-DNA methyltransferase，MGMT)上调相关，野生型p53可下调MGMT，但是p53跨越血脑屏障(Blood-brain barrier，BBB)受限，导致治疗效率不高。转铁蛋白受体(Transferrin receptor，TfR)是一种跨膜糖蛋白，在正常细胞中表达水平较低，但在多种肿瘤细胞和BBB中表达显著增加。Kim等[31]利用抗TfR抗体与TfR结合的特点，将p53基因质粒载于表面经抗TfR抗体修饰的纳米复合物中，制备成SCL-p53。当SCL-p53遇到肿瘤细胞时，可与TfR结合并通过受体介导的内吞作用有效内化和破坏核内体细胞膜，促使p53基因质粒释放，实现核内体逃逸。当小鼠全身给予SCL-p53后，MGMT表达下调，多形性胶质母细胞和CSCs对TMZ增敏，细胞凋亡增多。

3.2.3 纳米载siRNA CD133是一种细胞膜表面糖蛋白，已在多种实体瘤中证实CD133+肿瘤细胞具有CSCs特性[32-34]。Bmi-1基因与CD133共表达，是CD133+细胞致瘤的关键因子，但是未被包封的核苷酸片段易被核酸酶降解。因此，Wei等[35]采用壳聚糖-甲氧基聚乙烯纳米粒子包封Bmi-1 siRNA，由于该纳米粒子具有疏水性，所以容易被网状内皮系统吞噬，转染效率提高。将其作用于CD133+Hep-2细胞，发现Bmi-1 mRNA水平显著降低，细胞侵袭能力减弱，对放化疗增敏。

3.3 纳米-两种药物联合治疗

全反式维甲酸(All-trans retinoic acid，ATRA)通过干扰维持细胞干性的多条信号通路，达到促进CSCs分化的效果，但是ATRA本身对CSCs的杀伤和抑制并不明显。阿霉素(Doxorubicin，DOX)作为传统化疗药物，可被多种CSCs抵抗，引起CSCs富集，导致肿瘤化疗耐受、复发和转移。Sun等[36]通过控制ATRA和DOX的投料比获得同时包埋两种药物的聚乙二醇-嵌段-聚乳酸载药纳米颗粒，该纳米颗粒诱导乳腺癌CSCs分化为non-CSCs，减弱CSCs初始增殖能力，使DOX对乳腺癌细胞杀伤作用增强。并在细胞和动物实验中证实，该纳米颗粒可提高乳腺CSCs对药物的摄取，延长药物半衰期，提高药物富集度，肿瘤生长抑制效果显著。

紫杉醇(Paclitaxel，PTX)对多种恶性肿瘤具有良好的治疗效果，已成为乳腺癌化疗的一线药物。但是，PTX水溶性差、作为多药耐药蛋白和P-糖蛋白的底物使其临床应用受限。Sali对乳腺癌干细胞的杀伤作用是PTX的100倍，并且作为P-gp抑制剂，可减少药物外排。据此，Muntimadugu等[37]使用聚乳酸-羟基乙酸制备表面经HA修饰的载PTX和Sali纳米颗粒，发现CD44+细胞数量显著减少。

4 小结和展望

癌症是严重危害人类身体健康的常见疾病之一，传统治疗后仍存在较高的复发率，其根源主要是存在CSCs，它具有无限增殖、自我更新、高度致瘤和多重耐药性。随着对CSCs的深入研究，我们意识到肿瘤的复杂性和异质性，全面清除肿瘤细胞和CSCs将是治愈癌症的有效措施之一。纳米粒因具有尺寸小、比表面积大、表面活性高、可缓释和特异性靶向等多种优势，常被作为给药载体，提高肿瘤组织中化疗药物浓度，使肿瘤细胞和CSCs对放化疗增敏等，实现最终杀灭CSCs，提高癌症治愈率。免疫疗法是继放疗、化疗和手术后的重要方法，并在多种癌症治疗中取得了显著的效果，已成为研究的热点。目前纳米载药系统多见于递送化疗药物、基因药物等，尚无化疗药物联合免疫治疗的报道，纳米载药系统能否在肿瘤免疫治疗中有新的突破，更大程度的发挥每种治疗方式的潜能，有待更深入的研究。