激发性金属纳米疗法抗肿瘤作用的研究进展△

陈启晨，邓弈樵，陈菁华，赵宏，蔡建强

国家癌症中心/国家肿瘤临床医学研究中心/中国医学科学院北京协和医学院肿瘤医院肝胆外科，北京 100021

纳米医学是21 世纪新兴的关键学科。纳米医学利用直径1～100 nm 粒子的优势，将纳米技术广泛应用于多个生物医学领域，主要包括疾病治疗、诊断、分子成像以及再生医学等。激发性金属纳米疗法是纳米医学的一个重要领域，它结合了纳米科学、生物科学、材料科学和药学，在肿瘤治疗领域发挥着开创性作用。激发性金属纳米疗法的主要抗肿瘤形式包括化学动力治疗（chemodynamic therapy，CDT）、光热治疗（photothermal therapy，PTT）、光动力治疗（photodynamic therapy，PDT）、磁热治疗（magnetic hyperthermia，MHT）、联合免疫治疗等。本文就激发性金属纳米疗法在肿瘤治疗中的研究进展展开综述。

1 激发性金属纳米疗法的机制

激发性金属纳米疗法基于金属纳米粒子（nanoscale metallic nanoparticle，NMN）与激发分子的相互作用。NMN 通过被动靶向（高通透效应、高滞留效应和渗漏血管效应）和主动靶向（表面配体功能化）在肿瘤内积聚，在激发分子的刺激下，NMN发挥抗肿瘤作用。

NMN 的特性主要包括：①高稳定性。由于生物液体的高离子强度，导致脂类、蛋白质和聚合物纳米颗粒的不稳定与聚集。NMN 由于其较低的团聚倾向和易修饰的表面功能化，可以克服在不同生物环境中的稳定性问题。②大小及空间结构的可调节性。NMN 可根据生物医学应用的要求进行粒子大小、空间结构等方面的调整（如纳米球、纳米棒和纳米三角形等），NMN 的大小和空间结构的多功能化可以改变肿瘤细胞的药物摄取率及诱导肿瘤细胞免疫反应的发生。③易修饰的表面功能化。在肿瘤的治疗过程中，NMN 的高表面体积比使得抗体、配体、药物等在NMN 表面易修饰功能化，表面功能化的NMN 增强了抗肿瘤药物的高度靶向性、高细胞内化性及稳定性。④独特的热学、磁学、光学、电学特性。NMN 上述特性的触发，依赖于激发分子的作用，将通过多个机制增强肿瘤细胞的杀伤作用。

激发分子包括内部激发分子和外部激发分子。内部激发分子是发生在肿瘤微环境（tumor microenvironment，TME）内部的局部刺激，包括酸性pH 值、氧化还原反应变化、肿瘤细胞分泌酶和过氧化氢（HO）等，内部激发分子相关的激发性金属纳米疗法被广泛用于安全有效的抗肿瘤药物传递：①正常细胞和肿瘤细胞之间的pH 值差异为药物可控传递提供了条件。肿瘤细胞生长需要大量能量，这将导致葡萄糖分解代谢的增加和乳酸、氢离子浓度的增加，进而导致TME pH 值变得更低。酸性pH 值将激发NMN 位点特异性和可控释放特性，有利于抗肿瘤药物的靶向传递。②谷胱甘肽（glutathione，GSH）在细胞生长中发挥重要作用，细胞内GSH 含量明显高于细胞外。GSH 通过氧化活性氧（reactive oxygen species，ROS）保护细胞并阻止细胞凋亡。肿瘤细胞内GSH 的含量明显高于正常细胞，GSH 诱导的氧化还原反应的显著变化将促进氧化还原反应型NMN 药物载体将靶向药物运送到肿瘤部位。③肿瘤细胞分泌酶（基质金属蛋白酶与其他蛋白水解酶）通过触发代谢活性和肿瘤转移促进肿瘤细胞的增殖。靶向肿瘤细胞分泌酶可以作为促进抗肿瘤药物释放的生物触发器，将触发分泌酶反应的部分修饰到NMN 载体药物中，可在不影响药物特异性的情况下实现有效的靶向药物释放。④HO是存在于肿瘤细胞中的丰富ROS，可促进肿瘤细胞增殖、血管生成和肿瘤转移。与正常细胞相比，肿瘤细胞具有高水平的HO。基于肿瘤细胞的该特性，ROS 反应型NMN 可靶向药物传递，通过Fenton 反应或类Fenton 反应催化HO生成羟基自由基和分子氧，引起脂质过氧化、DNA 损伤和细胞凋亡。内部激发分子依赖于TME 的特点，而TME 受到个体差异和肿瘤生物学行为影响。相比较于内部激发分子，外部激发分子具有可调控的特性，更适用于抗肿瘤药物的靶向传递与肿瘤的精准靶向治疗。然而，外部激发分子需要专门设备和技术来达到特定的要求，包括光、交变磁场和超声波等。光触发疗法通过光热转化、产生ROS 杀伤肿瘤细胞，并激活细胞毒免疫细胞对抗肿瘤细胞；交变磁场可诱导NMN 产生热疗和放疗效应，广泛应用于肿瘤的治疗；超声波激发NMN 产生ROS 和超声微泡，进而干扰细胞反应并诱导肿瘤细胞凋亡。NMN的抗肿瘤治疗可以在多种内外激发分子的联合作用下增强，内部刺激促进NMN 修饰药物靶向聚集、内吞至肿瘤细胞内，而外部刺激可以随时、靶向触发NMN 杀伤作用，内外刺激的联合作用将显著增强抗肿瘤作用。

2 激发性金属纳米疗法的抗肿瘤形式

2.1 CDT

CDT 的机制是基于氧化铁诱导的Fenton 反应以及其他NMN（CuNP、MnO和GNP）诱导的类似Fenton 反应催化HO生成羟基自由基和分子氧，引起脂质过氧化、DNA 损伤和细胞凋亡。CDT 的主要研究前沿是探索通过内源性HO触发原位化学反应，通过Fenton 反应产生更多的毒性羟基自由基，进一步诱发非凋亡性程序性细胞死亡。超顺磁氧化铁纳米粒子（superparamagnetic iron oxide nanoparticle，SPION）是一类被广泛应用于肿瘤治疗和MRI 的NMN。SPION 在肿瘤细胞的酸性环境中代谢为铁离子（Fe和Fe），并通过二价金属转运体进入细胞质，铁离子通过细胞内过氧化物酶的氧化还原反应在细胞内产生ROS，触发铁死亡通路的发生。青蒿素及其衍生物含有过氧化基团，可加速铁离子或铜离子的Fenton 反应。相关研究将青蒿素及其衍生物修饰到NMN 中，NMN 修饰药在TME 酸性条件下降解释放Fe、青蒿素及其衍生物，Fe与青蒿素及其衍生物产生Fenton 反应，引起脂质过氧化、DNA损伤。通过对氧化铁纳米粒子表面修饰可实现对脑肿瘤的特异性靶向。Shen等研制了表面修饰顺铂、乳铁蛋白（lactoferrin，LF）和RGD 二聚体的FeO/GdO杂化纳米粒子用于治疗脑肿瘤。LF 功能化促进了LF 受体的激活，通过胞吞作用穿过血脑屏障，RGD 二聚体加速肿瘤细胞内吞，有效地运输FeGd-HN＠Pt 至脑肿瘤细胞内。脑肿瘤细胞内的酸性条件激发FeGd-HN＠Pt 释放Fe、Fe和顺铂，顺铂参与NADPH 氧化过程，通过释放过量的超氧化物离子和HO，将NADPH 转化为NADP+，进一步介导铁死亡通路的发生。Ding 等以金属有机骨架纳米粒子和金纳米粒子（AuNP）为构建块，制备了一种纳米药物（Au/FeMOF＠CPT NP）以实现肿瘤的化疗和CDT的联合。在高浓度磷酸根离子的触发下，纳米药物在内化后崩塌，导致其完全释放并激活级联催化反应；细胞内葡萄糖被金纳米颗粒（gold nanoparticle，GNP）氧化后，可作为Fenton 反应的化学燃料以产生细胞毒性极强的ROS。研究显示经PEG-Au/FeMOF＠CPT NP 处理的细胞IC值最低达（0.31±0.04）µg/ml。

2.2 PTT 和PDT

PTT 与PDT 需要依靠光敏剂的激发作用，光敏剂在电磁辐射如近红外光的作用下被激发，进而吸收光能并产生热能与ROS。PTT 通过光能转化为热能引起细胞内温度的急剧升高，进而导致蛋白质变性、细胞裂解，进一步诱导肿瘤细胞物理死亡与程序性死亡的发生。PDT 依赖于激发的光敏剂产生各种ROS，包括羟基自由基、单态氧和过氧化物离子，作用于细胞代谢的多条通路，导致肿瘤细胞死亡。NMN 是一类强效光敏剂，它可以被多次刺激产生热能和ROS，而其他光敏剂如染料、蛋白等经过一次照射即降解。GNP 广泛应用于肿瘤PTT，在光的诱导下金纳米星（gold nanostar，GNS）产生增强的等离子体效应和较高的光热转换效率。基于GNS 的化疗-PTT 联合疗法已成为肿瘤治疗的新方向：①GNS 表面修饰叶酸-巯基聚乙二醇可特异性靶向MCF-7 乳腺癌细胞，在近红外光照射下（808 nm，0.9 W/cm），GNS 产生强烈的PTT 效应并触发化疗药物释放，联合化疗-PTT治疗对MCF-7 乳腺癌细胞、乳腺癌动物模型和耐药MCF-7/ADR 肿瘤模型均有显著抑制作用。②金纳米壳是有效的药物载体，在近红外光区域内能迅速吸收光线，转化热能。在结直肠癌中，载铂的金纳米壳在低功率密度（1.0 W/cm）的近红外光照射下消融肿瘤区域并触发药物释放。③Xu等研发了基于近红外光/pH 双重响应的金纳米棒修饰药物，用于乳腺癌的化疗-PTT 联合治疗。GNR 被多巴胺功能化的羟乙基壳聚糖-多西环素-透明质酸修饰。羟乙基壳聚糖是一种pH 依赖的阳离子多糖，可在酸性肿瘤环境中调节多西环素-GNR 修饰药表面电荷从负到正，基于CD44 的靶向和表面电荷逆转显著提高了药物的靶向性。在近红外光（2.0 W/cm）照射10 min 下，多西环素-GNR 修饰药可触发温度急剧升高，并诱发多西环素的释放。近红外光/pH 双重响应的多西环素-GNR 修饰药显示了更高的肿瘤细胞靶向效应、热能效应与化疗药物的细胞毒性作用。银纳米颗粒（AgNP）被广泛用于PDT 治疗。Zhang 等通过将AgNP 修饰到卟啉多孔配位网络（porphyrinic porous coordination network，PCN）上，同时用具有炎症靶向性的中性粒细胞膜再进行伪装，构建了AgNP 和PCN 之间的近红外光控互锁作用，以实现PDT 和金属离子联合的纳米治疗平台。此外，He 等反向利用肿瘤内部乏氧环境和PDT 治疗时需进一步消耗氧的特点，设计了A＠uio-66-H-P 纳米粒子以实现PDT 诱导缺氧和缺氧激活的协同效应，氧丰富时由于纳米粒子的有效屏蔽，生物还原前体药物班诺蒽醌（AQ4N）得以很好地保持原态；PDT 进一步加剧缺氧，AQ4N 则会被内源性iNOS 和细胞色素P450（cytochrome P450 protein，CYP）同工酶降解还原，其活性形式AQ4 具有很强的DNA 亲和力和拓扑异构酶抑制作用，进一步杀伤细胞。基于硫化铜纳米颗粒（CuS）的PTT 和PDT 联合治疗受到了广泛关注。CuS 是优良的光热转化剂，近红外光触发CuS 将光能转化为热能，同时产生大量ROS，通过热能的物理杀伤与ROS 的氧化杀伤作用显著抑制了肿瘤的生长。Curcio 等研发了IONF＠CuS 用于肿瘤治疗和MRI 成像，并结合PTT、PDT 和磁热疗实现三联疗法。IONF＠CuS 在高频交变磁场（alternative magnetic field，AMF）和近红外光照射下表现为双峰纳米加热效应，显著提高光热转化效率。其他NMN 包括Mo、Pd、Pt、Mn 和Bi 纳米颗粒，在光热治疗与光动力治疗领域目前也展开了广泛研究。

2.3 MHT

MHT 利用磁性纳米颗粒在AMF 作用下的产热效应以及肿瘤细胞比正常细胞热耐受性差的特性，将磁性NMN 注入到肿瘤部位，在AMF 下通过Néel-Brownian 弛豫转换为热能，提高局部病灶部位组织温度（42 ℃以上），选择性地引起肿瘤细胞的凋亡。MHT 主要基于以下3 个方向：①通过调整NMN 粒径、组分、形貌和表面修饰等影响其磁化率、饱和磁化强度（Ms）、磁晶各向异性（K）和弛豫时间等优化NMN，提高比吸收率（specific absorption rate，SAR），进而提高磁热转化。Jang 等通过调整γ-FeO中的Mg掺杂量进而合成极高固有 损 耗 功 率 参 数（inherent loss power，ILP）的Mg0.13＠γ-FeO；Lee 等利用磁性软壳和磁性硬核之间的交换耦合来调控K 值，提高NMN 的磁性，使得特异性功率损耗值（specific loss power，SLP）大幅提高；Liu 等设计的亚铁磁性涡旋磁畴纳米环，当暴露在外部AMF中时将从涡旋状态转变为洋葱状态，显著提高了SAR，最高可达3050 W/gFe（400 kHz，740 Oe）。②有研究提示，磁性NMN 在细胞内的微观磁热效应可能是决定其疗效的主要因素，由磁性NMN 介导的微观、纳米尺度热效应可作为一种刺激，通过调节细胞功能或细胞内成分进而导致肿瘤细胞死亡。③联合化疗、放疗、免疫治疗、PTT、PDT 和基因治疗的综合治疗可显著提高疗效。一项关于MHT 和CDT 协同治疗的研究提示，二者常常有相互促进作用，局部温度升高促进了Fe（Ⅲ）向Fe（Ⅱ）（从25 ℃增加到42 ℃）和HO向OH 的转化，促进CDT 效应增强；CDT 诱导的细胞内氧化还原稳态的破坏有助于增强MHT 的敏感性。

2.4 联合免疫治疗

肿瘤免疫治疗的机制是基于机体免疫系统对肿瘤细胞的杀伤。在肿瘤细胞死亡的过程中，释放的肿瘤抗原被抗原提呈细胞如未成熟的树突状细胞（interdigitating dendritic cell，IDC）捕获，并通过组织相容性复合物Ⅰ与Ⅱ激活T 细胞，进而对肿瘤产生杀伤作用。但是，多种机制限制了免疫系统对肿瘤细胞的杀伤作用，在清除过程中肿瘤细胞将释放白细胞介素-10（interleukin-10，IL-10）、转化生长因子-β、鞘蛋白-1-磷酸等免疫抑制因子，这些免疫抑制因子将M巨噬细胞极化为M巨噬细胞进而减少肿瘤内部M巨噬细胞群。此外，凋亡的肿瘤细胞通过分泌化学分子招募M肿瘤相关巨嗜细胞（tumor-associated macrophage，TAM）、骨髓源性抑制细胞（myeloid-derived suppressor cell，MDSC）浸润入肿瘤内，同时抑制免疫反应。另一方面，肿瘤细胞通过表达程序性死亡受体配体1（programmed cell death 1 ligand 1，PDCD1LG1 或PD-L1）、PD-L2、细胞毒性T 淋巴细胞相关蛋白4（cytotoxicT-lymphocyte-associated protein 4，CTLA-4）和程序性死亡受体1（programmed cell death 1，PDCD1，也称PD-1）触发免疫系统逃逸的发生。为了有效解决这些问题，研究者们研发了纳米级载体传递抗原和佐剂，激发分子触发的金属纳米治疗药物可以靶向传递抗原和佐剂，同时触发免疫反应的发生，其抗肿瘤免疫机制主要基于以下3个方面：①通过诱导免疫原性细胞死亡（immunogenic cell death，ICD）和释放肿瘤抗原从而发挥多种免疫原性反应。②减少TME 区域内MDSC、MTAM 和调节性T 细胞（Treg）等细胞亚群浸润，增强免疫反应。③通过将肿瘤重塑为热肿瘤，进而促进肿瘤抗原释放到TME 中，调节细胞毒性T 细胞的浸润。Kang 等报道了GNP 疫苗靶向淋巴结诱导免疫反应发生。卵清蛋白（ovalbumin，OVA）是一种初级抗原，与不同大小的GNP 结合（OVAGNP），进而刺激树突状细胞摄取抗原和CD8T 细胞渗入。Wang 等研制了金纳米星（AuNS）封装的硒纳米颗粒（Au＠Se），通过金硒配合用于PTT的免疫治疗。硒通过AuNS 等离子体耦合增强光热转换效应，近红外光诱导硒纳米颗粒的激活，促进细胞次生代谢和凋亡。近红外光辐照过程中，Au＠Se 通过抗原交叉呈递上调热休克蛋白70（heat shock protein 70，HSP70）和肿瘤相关抗原（tumor associated antigen，TAA）的表达，诱导CTL 浸润和促炎细胞因子的分泌，将免疫抑制的TME 改造为免疫支持的TME。

3 激发性金属纳米疗法的安全性

尽管激发性金属纳米疗法在肿瘤治疗中取得了重大研究成果，但NMN 的毒性、生物降解性、体内生物分布、免疫原性和清除性等问题限制了NMN 的临床使用，仅有极少数获准用于临床试验。NMN 的大小和形状影响在体毒性、药代动力学。非常小的NMN 可以通过机体的排泄系统被清除，而较大的NMN 则在不同的器官中积累，进而继发全身毒性。NMN 的形状通过影响NMN 的表面积而影响其生物毒性，一般认为大表面积会产生更多的反应性，可能会导致正常细胞损伤和氧化应激。因此，NMN 的大小和形状对决定NMN 肿瘤内循环时间、生物毒性至关重要。此外，有研究提示氧化锌纳米粒和二氧化硅纳米粒以淋巴细胞和天然免疫细胞（如巨噬细胞）为靶点，引起免疫毒性和持续的免疫抑制；也有研究提示NMN 可通过引起DNA 损伤，如DNA 链断裂、氧化DNA 损伤和突变等引起遗传毒性。值得一提的是，激发性金属纳米疗法根据不同的治疗目的通过纳米杂化设计实现NMN 的功能特异性，而独特的NMN 杂化材料的设计和其化学、物理性能也可能带来安全问题。因此，NMN 的设计必须兼顾安全性和有效性，最终目标是将其对人体的毒性降至最低。

4 小结

本文对激发性金属纳米疗法的机制及多种治疗形式展开了综述。内部激发分子触发的金属纳米疗法被广泛用于安全有效的抗肿瘤药物传递；外部激发分子具有可调控的特点，适用于抗肿瘤药物的靶向递送与肿瘤的精准靶向治疗；内部激发分子与外部激发分子联合的金属纳米疗法为肿瘤的联合治疗提供了新思路。然而，各种NMN 均显示出不良反应，通过改变NMN 大小、形状、表面积与生物兼容性可克服这一障碍。随着研究的深入，金属纳米颗粒与激发分子相结合的激发性金属纳米疗法将会被发掘出更多的治疗潜力，在肿瘤治疗方面具有极大的前景。