基于肿瘤微环境构建纳米药物的研究进展

吕程亮，张 帆，魏 炜，谢海燕

(1. 北京理工大学 生命学院，北京 100081；2. 中国科学院 过程工程研究所 生化工程重点实验室，北京 100190)

肿瘤微环境由多种基质细胞以及细胞外基质构成，是一个极其复杂的综合系统[1]。肿瘤微环境与肿瘤有着十分密切的关系，它们之间的相互作用能促进肿瘤生长和转移、抑制免疫系统对于肿瘤的识别及攻击、削弱抗肿瘤药物的疗效。1889年Stephen Paget提出“种子与土壤”假说阐明了肿瘤微环境的重要性[2]。因此，越来越多的研究以肿瘤微环境为切入点，设计肿瘤微环境调节型或肿瘤微环境响应型药物应用于肿瘤治疗。然而，这些药物进入体内后，由于复杂的内环境无法有效到达肿瘤部位，药物生物利用度低，严重影响抗肿瘤效果[3]。

随着纳米科学的发展，将纳米技术应用于肿瘤治疗过程可有效提高治疗效果。纳米材料可为抗肿瘤药物提供载药平台，通过多功能化设计(如长循环、肿瘤靶向、深部渗透、肿瘤细胞内化增强等)实现药物的高效递送[4]；也可以通过自身的独特性能(如光热性能、光动力性能、耗氧性能、耗酸性能等)诱导肿瘤细胞凋亡，为肿瘤治疗开拓新的领域[5]。近年来，越来越多的科研人员依据肿瘤微环境的特性及纳米技术的优势，构建出基于肿瘤微环境的纳米药物，如：利用肿瘤微环境的理化特征(微酸、乏氧、高蛋白水解酶、高H2O2)进行调控的纳米药物，可以进一步提升纳米药物抗肿瘤疗效[6]；具有独特性质调节肿瘤微环境的纳米药物，通过高效干扰肿瘤微环境与肿瘤的相互作用，达到抑制肿瘤的目的[7]。本文中，笔者综述近年来基于肿瘤微环境(微酸、乏氧、高间质液压、基质细胞及细胞外基质)构建纳米药物的思路及其应用，以期为纳米药物及其载体的设计提供参考。

图1 基于肿瘤微环境构建纳米药物Fig.1 The tumor microenvironment mediated nanodrugs

1 肿瘤微酸环境

在肿瘤发生发展过程中，乏氧的环境促使肿瘤细胞进行高效率的糖酵解，其产生的乳酸蓄积在肿瘤组织内，造成肿瘤组织pH(6.5～6.8)低于正常组织pH(7.4)[8]。根据肿瘤环境微酸这一特性，研究人员构思了多种响应型治疗策略来增强纳米药物的抗肿瘤疗效[9]。此外，由于肿瘤微酸环境与肿瘤生长、转移、化疗药物抗性和免疫抑制密切相关，改变肿瘤微酸环境能搅乱肿瘤微酸环境与肿瘤的交流，从而达到抗肿瘤治疗效果[10]。

1.1 响应肿瘤pH

利用人体内正常组织环境与肿瘤组织的天然pH梯度可构建肿瘤pH响应型纳米药物。此类纳米药物可在血液循环时保持完整的结构，而抵达肿瘤组织后，在肿瘤微酸环境刺激下使载体发生崩解或结构发生变化，以此有效控制负载药物的递送部位和释放速度，从而显著提高靶点药物浓度，实现药物高效低毒。Kang等[11]基于腙键制备了pH敏感的纳米胶束，发现该纳米胶束利用腙键响应微酸环境发生断裂这一特性实现了负载阿霉素(DOX)的可控释放。Huang等[12]制备了负载药物的CaCO3纳米颗粒，利用CaCO3在肿瘤中精准释放药物，并以此增强药物的抗肿瘤活性。

此外，pH响应型纳米药物在肿瘤微酸环境的刺激下还能改变自身的大小、电荷、形状及表面性状等理化性质，以此增强纳米药物在肿瘤组织中的渗透率及肿瘤细胞对纳米药物的摄取，提升药物的抗肿瘤活性。在Yang等[13]的工作中，正电性的聚乙烯亚胺(PEI)-siRNA纳米颗粒表面被对pH敏感的聚乙二醇(PEG)修饰，以此来制备酸响应纳米颗粒，该纳米颗粒利用PEG长循环效应在肿瘤处富集，随后响应微酸环境脱落表面的PEG外衣，通过暴露出的正电性PEI增强其与肿瘤细胞的作用，进而促进siRNA被肿瘤细胞摄取，最终该酸响应纳米颗粒能高效沉默蛋白的表达，并显著抑制肿瘤生长。此治疗策略借助于微酸环境响应，满足了体内循环时与细胞摄取时对纳米药物理化性质不同的需求，提升了纳米药物的疗效，具有极高的研究价值。

1.2 调节肿瘤pH

调节肿瘤pH型纳米药物主要由CaCO3、MnO2和Ca3(PO4)2等组成，通过此类耗酸材料与肿瘤内H+反应提升环境pH来抑制肿瘤生长。Som等[14]通过尾静脉注射Ca3(PO4)2纳米颗粒将肿瘤部位pH提升到7.4，发现该调节效果能干扰肿瘤细胞，并在小鼠的抑瘤实验中能显著抑制肿瘤生长。此外，由于肿瘤微酸环境与化疗抵抗和肿瘤内的免疫抑制密切相关，通过纳米药物调节肿瘤pH可以协助化疗和免疫治疗发挥更加高效的治疗作用。Chen等[15]设计了装载CD47抗体-CaCO3纳米颗粒的凝胶，发现该凝胶中CaCO3通过酸解能改善肿瘤组织部位的微酸环境，缓解肿瘤内免疫抑制情况，协同CD47抗体进行术后防复发治疗，显著降低了肿瘤复发率。

2 肿瘤乏氧环境

肿瘤存在乏氧现象，与正常组织氧分压(3.199 7～8.799 2 kPa)相比，肿瘤组织内的氧分压较低，大致在0～2.666 4 kPa[16]。肿瘤的乏氧现象是由于O2供应与需求不平衡导致的：一方面肿瘤细胞的快速增殖，加快了O2的消耗；另一方面肿瘤组织内高度畸形、数量少、分布不均一的血管，限制了O2的补给。对于正常细胞而言，乏氧环境会诱导细胞凋亡；对于肿瘤细胞而言，乏氧环境非但不会引起肿瘤细胞凋亡，反而有助于肿瘤血管增生及肿瘤转移，促进肿瘤的进一步恶化。因此，调节肿瘤内部乏氧环境，改变肿瘤氧分压，也是一种有潜力的肿瘤治疗策略[17]。

2.1 缓解肿瘤乏氧

放射治疗和光动力治疗是备受科研人员关注的2种肿瘤治疗手段，二者的疗效与肿瘤组织内O2的含量紧密相关，Yoshimura等[18]研究发现，在肿瘤中普遍存在的乏氧现象会降低放射治疗和光动力治疗的疗效，引起肿瘤复发。通过血红蛋白[19]及全氟化碳[20]缓解肿瘤乏氧是一种有效提升放射治疗/光动力治疗疗效的增敏策略。Song等[21]开发了一种基于全氟化碳乳液微滴的O2递送体系，在该体系中全氟化碳可在肺部吸收O2，在肿瘤部位通过超声释放O2，从而提升肿瘤部位氧分压，增敏放射治疗和光动力治疗，最终使两者的肿瘤抑制效果分别提高了约6倍和9倍。纳米药物还可利用O2生成类药物，将肿瘤内富含的H2O2转化为O2，实现O2的原位供给。此类纳米药物的主要功能性成分包括过氧化氢酶[22]、MnO2等。Prasad等[23]进行了MnO2颗粒与放疗协同的抗肿瘤治疗，发现MnO2能增加肿瘤内的氧分压，进而显著提升放疗的抗肿瘤疗效。Zhu等[24]制备了同时荷载MnO2和光动力材料Ce6的纳米胶束，利用MnO2与肿瘤内富含的H2O2反应，为Ce6的光动力治疗提供了O2，进而提升了Ce6产单线态氧的效率，有效抑制肿瘤生长，大大延长了荷瘤小鼠的生存期。

2.2 促进肿瘤乏氧

当肿瘤内出现乏氧现象时，肿瘤细胞可以通过表型的自我调节来适应乏氧环境。然而，此适应过程需要时间，且肿瘤细胞的自我调节能力有限[25]。通过使用特定纳米药物，快速引发肿瘤乏氧环境的极度恶化，从而突破肿瘤细胞自我调节的极限，诱导肿瘤细胞凋亡，是一种抗肿瘤治疗的创新型思路。此类纳米药物通常以光动力材料、脱氧剂材料及葡萄糖氧化酶等为主要功能成分，通过耗氧材料与肿瘤内O2反应来加重肿瘤乏氧程度。Feng等[26]在脂质体中装载光动力材料Ce6，在激光照射下Ce6可将O2转化为单线态氧，将肿瘤内乏氧区域由给药前的34%扩大到61%。但是此类材料作用时长有限，治疗效果无法维持，肿瘤容易出现复发情况。为了增加治疗效果，此类纳米药物通常协同靶向乏氧的药物治疗肿瘤。Zhang等[27]构建了同时装载生物还原剂替拉扎明与葡萄糖氧化酶的仿生纳米颗粒，利用葡萄糖氧化酶对于肿瘤内O2的快速消耗可以激活替拉扎明发挥作用，进而诱导肿瘤细胞凋亡，最终实现了对肿瘤生长的完全抑制。此外，通过纳米药物阻塞肿瘤内血管，切断血管对于O2的输送，是促进肿瘤乏氧的另一个思路[28]。Li等[29]利用装有凝血酶的DNA“纳米机器人”，实现凝血酶在肿瘤血管中的特异性释放，从而在肿瘤血管内形成血栓，造成肿瘤组织缺氧坏死,有效抑制肿瘤生长。相较于前述方法，此策略具备长效性，但对纳米颗粒的肿瘤组织靶向性的要求比较高，易造成器官损伤。

3 肿瘤高间质液压

高间质液压现象在肿瘤中普遍存在，肿瘤的间质液压是正常组织液压的2～4倍[30]，其原因一方面是肿瘤内血管的通透性高，导致血管内的生物大分子渗漏到肿瘤间质，增加了肿瘤的间质液压；另一方面是肿瘤内存在致密的细胞基质，会压迫肿瘤内的淋巴管，造成淋巴管损伤，从而阻碍肿瘤间质的液体和大分子的排出，进一步提高了间质液压。肿瘤的间质液压不均匀分布，越靠近肿瘤边缘部分液压越低。该特性会促进肿瘤内流体有外流趋势，阻碍药物向肿瘤内部的渗透及递送，使药物作用范围仅在血管周围，这严重制约着药物的抗肿瘤疗效。因此，依据高间质液压的形成机制，可设计相应的纳米药物降低高间质液压，克服其对抗肿瘤治疗的阻碍效应，为抗肿瘤治疗提供新的策略。

3.1 促进血管正常化

在正常组织中，促血管生长因子与抗血管生长因子保持平衡，以此维持了血管结构与功能的完整[31]。而在肿瘤组织中促血管生长因子过度表达，致使平衡向血管生成方向转移，导致了肿瘤内畸形血管大量产生。抗血管生成药物能使促血管生长因子与抗血管生长因子恢复平衡，促使肿瘤血管正常化，降低间质液压，最终能显著促进药物渗透，增强抗肿瘤疗效，Chauhan等[32]通过抗体阻断血管内皮生长因子受体-2，介导肿瘤血管的正常化，将肿瘤组织的间质液压降低到正常组织水平，结果表明大小为12 nm的纳米颗粒在肿瘤内的渗透状况得到了改善；然而超过125 nm的纳米颗粒的渗透状况并未得到有效改善，这是由肿瘤组织内致密网络结构的阻碍导致的。因而，针对粒径较大的纳米颗粒，单一的血管正常化策略无法改善其在肿瘤组织内的渗透状况，仍需要开发新型制剂。

3.2 改善肿瘤致密细胞外基质

肿瘤致密基质不仅能通过高间质液压阻碍药物的渗透，而且还能通过其致密的结构挤压肿瘤内的空隙，限制药物的扩散，它是阻碍药物高效递送的重要关卡。纳米药物可通过自身的产热、产自由基及响应超声等性能破坏肿瘤致密基质结构[33]，实现药物的高效递送。Zhao等[34]利用金纳米颗粒的光热性能破坏致密的肿瘤基质来促进颗粒渗透，发现激光照射后的金纳米颗粒的渗透状况明显优于未进行激光照射的金纳米颗粒。此外，改善肿瘤基质成分，比如肿瘤相关成纤维细胞、透明质酸及胶原蛋白等也是一种高效降低肿瘤高间质液压的治疗策略[35]，这部分会在后面进行讨论。

4 肿瘤基质细胞

肿瘤的基质细胞包括肿瘤相关成纤维细胞(CAF)、肿瘤相关巨噬细胞(TAM)、骨髓来源细胞、淋巴细胞和血管内皮细胞等[36]。肿瘤基质细胞广泛参与肿瘤的生命活动，对肿瘤有着重要的影响。相较于高度异质性的肿瘤细胞，肿瘤基质细胞具有固定的表型变化方向、稳定的基因组、弱的耐药性，是一个理想治疗靶标，吸引了研究人员的注意。目前，大部分研究集中在CAF和TAM上。

4.1 调节肿瘤相关成纤维细胞

CAF是肿瘤组织内成纤维细胞经肿瘤细胞驯化产生的，在肿瘤生长及转移过程中发挥着至关重要的作用：一方面能通过分泌众多细胞因子(CXC趋化因子12、CXC趋化因子14及IL-6等)促进肿瘤的生长和转移；另一方面还能通过分泌基质金属蛋白酶对肿瘤的细胞外基质进行重塑，进而去除肿瘤转移的组织学屏障来促进肿瘤转移。因此，调节CAF以阻断CAF与肿瘤细胞的交流，能抑制肿瘤生长[37]。Miao等[38]通过脂质体向CAF递送表达人可溶性肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体的质粒，诱导CAF凋亡，进而显著抑制肿瘤生长，他们的研究说明CAF可作为一个抗肿瘤治疗的靶标。Ji等[39]开发一种靶向CAF荷载DOX的纳米胶束，利用活化蛋白-α的抗体对CAF的靶向作用，促进CAF内化DOX，进而高效诱导CAF凋亡，最终修饰抗体纳米胶束的抗肿瘤效果明显优于不含抗体的纳米胶束。Han等[40]在金纳米颗粒上装载全反式视黄酸和小干扰RNA(siHSP47)，通过全反式视黄酸和 siHSP47抑制胰腺内的CAF(胰腺癌星状细胞)分泌胶原，进而降低肿瘤组织内的胶原含量，以此促进化疗药物吉西他滨向肿瘤内部渗透，极大地提升了吉西他滨的疗效。此治疗策略将CAF调节和化疗药物结合在一起，解决化疗药物的渗透难题，是一种非常有前景的肿瘤协同疗法.

4.2 调节肿瘤相关巨噬细胞

TAM是肿瘤组织内从属巨噬细胞系的一类免疫细胞，它是外周血的单核细胞浸润到肿瘤组织经肿瘤微环境刺激演变而来的，一般多表现为M2型巨噬细胞表型。与抑制肿瘤生长的M1型细胞相比，M2型细胞有助于肿瘤增殖，其不仅与肿瘤生长、血管生成、肿瘤转移密切相关，而且能引起肿瘤免疫抑制，极大降低免疫治疗效果。因此，调节肿瘤内的TAM能在促进肿瘤血管正常化、抑制肿瘤生长和转移的同时，改善肿瘤免疫抑制环境，激活抗肿瘤免疫应答，最终达到高效治疗肿瘤的目的[41]。Tian等[42]制备了负载放射性同位素的二磷酸钙纳米颗粒，通过该纳米颗粒释放的二磷酸盐抑制TAM活性，引发TAM耗竭，进而在一定程度上解除免疫抑制，激活抗肿瘤相关的免疫反应，同时提高了肿瘤氧分压，进一步提升放射性同位素的治疗效果，最终实现高效的抗肿瘤协同治疗。但是此类治疗策略忽视了TAM的可塑性以及M1型巨噬细胞的抗肿瘤作用，并没有最大程度地发挥基于TAM抗肿瘤治疗的疗效。在Choo等[43]的工作中，将极化后的M1细胞通过物理挤压的方式得到粒径为200 nm左右的细胞囊泡，利用该囊泡促使肿瘤内M2型巨噬细胞向M1型转变的生物学功能，改善肿瘤的免疫抑制性环境，重新激活巨噬细胞免疫监控作用，进而诱导机体产生高水平的抗肿瘤免疫反应，显著提升了PD-1抗体的疗效。此类纳米药物能协助免疫治疗实现更高效的肿瘤抑制效果，是一种可有效放大免疫治疗疗效的治疗策略。

5 肿瘤细胞外基质

肿瘤细胞外基质是分布在细胞表面或细胞之间的生物大分子所构成的错综复杂的网络结构，不仅作为肿瘤组织的支撑结构，而且还参与了肿瘤细胞间的信号传导等诸多生理活动。目前，基于细胞外基质的抗肿瘤治疗策略主要分为纳米药物调节细胞外基质(胶原蛋白和透明质酸)与纳米药物响应细胞外基质(基质金属蛋白酶和H2O2)两方面。

5.1 调节细胞外基质

肿瘤组织内大量产生的胶原蛋白与透明质酸是颗粒递送过程中的生理屏障，它们使得纳米颗粒及药物滞留在血管周围，导致肿瘤深部细胞缺乏有效药物覆盖，抗肿瘤疗效不佳，是限制药物临床转化的重要瓶颈。减少组织内胶原蛋白与透明质酸的含量能促进纳米药物渗透，提升纳米药物的疗效。此类治疗策略可通过CAF的调节、蛋白水解酶(基质金属蛋白酶、胶原蛋白酶及透明质酸酶等)的递送及内源性蛋白水解酶的激活等手段来实现。Liu等[44]研究发现，透明质酸酶能增强化疗药物或是纳米颗粒的抗肿瘤活性，连接透明质酸酶金纳米颗粒能高效降解肿瘤内的透明质酸，将肿瘤组织的间质液压降低了约40%，进而极大地增强颗粒向肿瘤的渗透。Dong等[45]在介孔SiO2纳米颗粒里装载阿霉素和S-亚硝基硫醇(具有释放NO功能)，利用S-亚硝基硫醇在肿瘤部位释放NO，激活肿瘤的内源性基质金属蛋白酶，进而有效降解肿瘤组织内的胶原，促进颗粒向肿瘤内部渗透，最终使得联合治疗组的抗肿瘤疗效相较于单独的介孔SiO2纳米颗粒组提升了约3倍。此类纳米药物设计将细胞外基质的调控与化疗药物相结合，有效提升化疗药物抗肿瘤疗效，给增加化疗药物疗效提供一个新的思路。

5.2 响应细胞外基质

基质金属蛋白酶(MMPs)在正常组织内表达量较低，但在绝大多数肿瘤中都过度表达。利用MMPs的这种组织间的差异性能设计出MMPs敏感型纳米药物，以此提升药物疗效[46]。Li等[47]在载药纳米胶束表面通过MMPs敏感肽(GPLGVRGC)连接肿瘤抑制肽Pe，利用该敏感肽在肿瘤部位时可被肿瘤组织内高表达的MMPs特异性水解这一特点，实现了肿瘤抑制肽Pe的可控释放。此外，H2O2也是一种在正常组织内含量少、在肿瘤组织内含量高的分子。利用H2O2肿瘤内外的差异性可设计H2O2响应型纳米药物[48]。De Gracia Lux 等[49]基于硼酸酯制备了H2O2敏感的高分子聚合物，发现该聚合物在50 μmol/L H2O2的浓度下(模拟体内浓度)会发生崩解，进而释放其荷载的小分子药物。Cheng等[50]构建了一个pH和H2O2双响应的水凝胶，发现该水凝胶通过α-环糊精和聚醚胺酯依次响应肿瘤pH和H2O2精准释放药物，并以此有效抑制了肿瘤生长。此类双响应的药物释放策略实现了药物在肿瘤组织内的精准释放，大大降低药物的脱靶效应，这种多层次响应的设计是响应型纳米药物发展的方向之一。

6 展望

依据肿瘤微环境特性构建的纳米药物在肿瘤治疗领域具有广阔的应用前景：一方面该类纳米药物可特异性作用于肿瘤组织，对正常组织具有较低的毒性，保证了药物使用的安全性；另一方面该类纳米药物适用于多种肿瘤，具备普适性。尽管如此，此类纳米药物离临床应用还有一段距离，主要有以下几方面原因：①纳米药物在体内递送过程中会遇到多重生理屏障，从而阻碍药物的高效递送；②目前用于纳米药物递送的载体材料多未通过FDA批准，材料生物安全性还需进行系统评估；③研究所用的动物肿瘤模型无法全面模拟人体肿瘤微环境，动物水平治疗效果无法全面反映出实际临床治疗效果。

针对上述问题，研究人员正从以下几点进行进一步的探索：①对于多重生理屏障，可使用机体内源物质(如铁蛋白、外泌体等)，遵循此类物质固有的体内递送路径，实现生理屏障的全面突破；②针对生物安全性问题，可使用FDA批准的安全材料(如壳聚糖、聚乳酸-聚羟基乙酸等)，以其作为纳米药物的载体材料，保障应用的安全性；③针对肿瘤模型问题，可使用人源肿瘤异种移植模型，保持原代人源肿瘤大部分的生物学特点(如肿瘤异质性、耐药性等)，可更真实地模拟出人体肿瘤微环境，提高研究的临床预见性。可以相信，随着肿瘤生物学及纳米技术的进一步发展，研究人员能开发出更多的新型基于肿瘤微环境构建的纳米药物，实现此类纳米药物的临床转化，为攻克恶性肿瘤贡献一分力量。