功能化介孔二氧化硅在肿瘤诊疗一体化的应用进展

王美琪，吕春艳,2，高雪艳，张文君,2，崔闻宇,2

(1．哈尔滨商业大学药学院，黑龙江 哈尔滨 150076；2.黑龙江省预防与治疗老年性疾病药物研究重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150076)

肿瘤是目前世界上严重危害人类健康的疾病之一，其治疗方式主要有手术治疗、放射治疗以及化学治疗，但是这些治疗方式诊断与治疗是分开进行的，治疗的滞后性严重影响肿瘤的治愈效果，因此发展新型的诊断治疗模式对攻克肿瘤具有重大意义。纳米材料由于其独特的理化性质，为当前肿瘤的临床治疗问题提供了新的思路。纳米粒子可以作为药物载体，通过光响应、超声、磁响应等物理刺激发挥治疗的作用，在肿瘤治疗中具有突出的优势；此外，纳米材料也可作为造影剂，通过成像技术指导进一步的治疗，因此纳米材料在肿瘤诊断和治疗领域均有广泛应用[1-2]。近年来，材料科学、纳米技术和生物学的交叉融合，加速了诊疗一体化(theranostics)平台的发展[3-5]。以纳米材料作为载体，通过合理设计，将具有诊断功能和治疗功能的材料整合到同一纳米材料中，既保持材料原有的功能，又实现了诊断和治疗于一体(如图1所示)[6]，即诊疗一体化，它的出现为肿瘤的诊疗带来一场全新的变革。

MSNs具有比表面积大、载药量大、孔径可调、表面易修饰等特性，且生物相容性良好，其被不同功能团修饰后，可实现不同功能，例如用靶向分子、成像剂、治疗剂等功能团修饰后，可以保持各自功能特性的同时，用于多种疾病的诊断与治疗。Ma等[7]研制了一种荧光MSNP载体，可以将反义肽核酸(PNA)导入肿瘤细胞，有效抑制Bcl-2蛋白的体外表达，同时实现了荧光成像和基因治疗。Sahoo等[8]用MSNs包覆超顺磁性MnFe2O4，用叶酸、荧光分子进一步修饰合成M-MSN，将核磁共振成像所需的磁芯、负载药物分子的多孔外壳、肿瘤细胞的特异性靶向分子以及成像的荧光分子集成在单一系统中，用于肿瘤的诊断与治疗。Ellison等[9]用放射性As标记硫醇改性的单分散二氧化硅微球，制备出一种新型的纳米平台(As-MSN)，该平台具有良好的体内稳定性，将放射性As的诊断、治疗作用以及MSNs的肿瘤靶向与药物递送功能集于一体。可见功能化MSNs逐步发展为集诊断与治疗于一身的诊疗一体化平台。本文从有机功能化、无机功能化以及有机无机功能化的MSNs在诊疗一体化中的应用进展进行了综述，为MSNs在诊疗一体化中的临床应用提供参考。

1 基于有机功能化MSNs的诊疗一体化平台

常见的用于修饰MSNs的有机基团有荧光染料[10-11]、功能化聚合物[12-13]、脂质体[14]等。荧光染料一般稳定性较差，将其修饰到MSNs上，可以提高荧光染料的光稳定性、水分散性和生物相容性等。Huang等[15]利用阳离子开环聚合反应，在MSNs上引入聚合诱导发光(AIE)材料(PhE-OH)和聚(2-乙基-2-唑啉)(PEtOx)，制备出一种新型荧光二氧化硅(FSNPs)基平台(PhE@MSNs-PEtOx)。与传统方法所得的FSNPs相比，该复合材料的荧光强度、亲水性和生物相容性更优。肿瘤细胞的选择性靶向和药物分子在肿瘤微环境中的释放可以降低传统化疗药物的不良副作用。功能化聚合物不仅可以更容易地装配靶向配体，还可以通过多种触发条件如特定区域内的pH值、温度、癌细胞表面过度表达的酶或者超声波等控制药物在癌细胞释放，使治疗效率提高及副作用减小。Palanikumar等[16]通过二硫交联聚合物对MSNs的孔洞进行非共价封盖，使其具有更高的载药量，通过添加含硫的配体分子，聚合物外壳可以很容易地装饰靶向配体，以便靶向传递到特定的癌细胞，MSNs内的药物分子可在细胞内释放，从而导致细胞死亡，进而达到治疗的作用。Mu等[17]制备了一种基于聚组氨酸(PLH)和聚乙二醇(PEG)包覆介孔二氧化硅纳米颗粒(MSNs)的新型智能pH控制系统(MSNs-PLH-PEG)，实现了在一定pH值时进行释药的功能。此外，修饰MSNs的脂质体通过增强通透性和保留率(EPR)效应，显示出突出的靶向肿瘤的能力。Sun等[18]为了解决DOX的泄露问题，将含吲哚菁绿(ICG)的热敏脂质体包裹在MSNs表面，通过NIR辐照，ICG产生热量使脂质体破裂，从而释放DOX治疗肿瘤。同时ICG还能发挥光热治疗作用。Ma等[19]在MSNs孔内填充多柔比星(Doxorubicin，Dox)，用酞菁锌(ZnPc)封装磷酸钙(CaP)包裹的MSNs，再用PEG修饰，合成MSNs@CaP@PEGylated脂质体，体外实验表明，CaP中间层可实现pH响应的药物释放，促进细胞对纳米粒子的摄取，通过产生的高渗透压作用，诱导细胞凋亡；光敏剂ZnPc可实现光动力疗法(PDT)，Dox可实现化疗，达到协同治疗肿瘤的目的；这种新型MSNs@CaP@PEGylated脂质体有望成为一种多功能theranostic纳米抗癌平台。

2 基于无机功能化MSNs的诊疗一体化平台

2.1 金属修饰 将金属离子、金属化合物等引入到MSNs结构中，可以赋予MSNs多种功能。目前，掺杂金属的种类可分为3种：主族金属，过渡金属，稀土金属。用于修饰MSNs的主族金属，常见的有铝、钾、铋、锡等，但多用于化学催化[20-21]、吸附与降解[22-24]。金、银、钆等过渡金属或稀土元素修饰的MSNs多用于成像与治疗。

2.1.1 过渡金属修饰 在贵金属材料中，金纳米粒子(AuNRs)、银纳米粒子(AgNRs)因其优异的表面等离子体共振(SPR)特性和表面增强拉曼散射(SERS)活性而被广泛研究[25-26]。利用硅烷偶联剂的水解作用，在碱性条件下将二氧化硅包覆在AuNRs、AgNRs的表面，或Au、Ag纳米材料包裹MSNs，构成新型的多功能肿瘤诊疗一体化平台，该平台结合了MSNs的大比表面积和AuNRs、AgNRs的光热特性，既保证了高载药量，又能够实现成像治疗[27-28]。Zhang等[29]合成谷胱甘肽(GSH)响应性多功能AuNR@MS纳米载体，并以原位形成的AgNPs作为封盖剂，构建了多功能AuNR@MS@AgNPs纳米平台，其中MSNs壳具有高载药能力，AuNR核心作为热疗剂，AuNRs产生的光热效应可使局部温度迅速升高，增大对肿瘤细胞的毒性，随着靶向适配体的加入，构建的纳米平台可根据细胞内GSH水平释放药物，在肿瘤中释放量最大，在血液中全身释放最小，解决了传统AuNR@MS在外源性刺激下过早释放药物的弊端。Qin等[30]合成了包含壳内小介孔(2.5 nm)和核内大介孔(21.7 nm)的PEG化多重金纳米粒封装双MSNs纳米球(PEG化MGNRs@DMSSs)，通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、透射电镜(TEM)、和共焦显微镜等对该纳米粒子进行表征，结果表明，PEG化的MGNRs@DMSSs在水溶液中呈单球形分散且胶体稳定性良好，相较于单聚乙二醇化金纳米棒，PEG化的MGNRs@DMSSs具有更高的温度增量、更好的光热效应和CT成像性能。Guan等[31]采用溶胶-凝胶法和表面活性剂去除法制备AuNR@mSiO2NPs，同时在MSNs孔中负载DOX，在AuNR@mSiO2NPs表面连接直径5 nm的AuNPs，得到具有核@壳@壳结构的AuNR@mSiO2@Au NPs平台，将罗丹明6G(R6G)嵌入到NPs中，用拉曼光谱法测定NPs的SERS活性，结果表明，即使R6G浓度很低(10-5mol·L-1)时，R6G的拉曼信号强度也明显增强；当使用780 nm激光照射时，AuNR@mSiO2@Au立即将光转化为热，提高AuNR@mSiO2@Au悬浮液的温度；HeLa细胞的TEM分析表明，AuNR@mSiO2@Au NPs被HeLa细胞所吸收，并保持其原有的形态，表明NPs具有较高的靶向性和完整性；细胞存活率测定结果显示，激光照射后NPs能产生热疗作用，导致癌细胞死亡。

2.1.2 稀土元素修饰 稀土元素因其独特的电子结构，具有荧光寿命长、荧光量子产率高、斯托克斯(Stokes)位移大等优点，但其自身稳定性差、生物相容性低，限制了其在医药方面的应用。将稀土元素加载到MSNs纳米结构中，可实现成像和治疗一体化。

MSNs可以为新一代多功能的纳米载体提供结构基础，对其进行修饰后，可作为一种集诊断和治疗于一体的工具，实现肿瘤等疾病的诊断和治疗。Chan等[32]首次将两种基于镧的成像系统结合起来，将药物控释和靶向示踪技术应用于一个基于MSNs的纳米平台上，构建了一种新型的theranostic药物传递系统；在MSNs中掺杂铕(Eu)和钆(Gd)离子，形成具有荧光和磁性的纳米结构(EuGd-MSNs)，再将叶酸(FA)接到EuGd-MSNs表面(EuGd-FA-MSNs)，使其具有靶向功能；此外，通过二硫键将喜树碱(CPT)等抗癌药物连接到EuGd-FA-MSNs表面(EuGd-SS-CPT-FA-MSNs)，再由细胞内高浓度的谷胱甘肽裂解二硫键，释放药物并治疗疾病；体外和体内实验结果表明，功能化的MSNs可将双成像、靶向和治疗技术集合到EuGd-SS-CPT-FA-MSNs平台中。Zhang等[33]将Gd离子引入MSNs中(GM)，作为核磁共振成像的主要载体，用透明质酸(HA)分子进行表面修饰，用于淋巴系统靶向传递(GMH)，再分别引入Iopamidol和DOX功能分子，构成IGMH纳米颗粒和DGMH纳米颗粒，将诊断和治疗相结合用于淋巴系统疾病的治疗；体内体外实验结果表明，IGMH和DGMH纳米颗粒对淋巴系统具有很高的靶向性，并且 IGMH纳米颗粒在淋巴系统中有良好的CT和MR成像功能，DGMH纳米颗粒在淋巴肿瘤中MR成像和化疗效果良好，构建了一种新型的多功能theranostics纳米平台。Han等[34]用MSNs包覆上转换纳米粒子(UCNP)，用氨基使MSNs的孔道带正电，通过静电作用实现带负电光敏剂(PS)的定量负载，建立一种新型光动力治疗纳米平台，静电驱动技术为该平台提供了优异的PS分散性和防泄漏性能；再在MSNs外壳连接亲水β环糊精，既提高其在水中的分散能力，又能通过阻塞毛孔开放进而防止PS泄漏；以负载玫瑰红(RB)分子为例，体外细胞杀伤实验表明，RB分子在近红外808 nm照射下可被激活，有效地产生单线态氧，杀死癌细胞。

2.2 化合物修饰 常见的用于修饰MSNs的化合物有氧化物、硫化物等。氧化铁纳米粒子由于具有磁性，可用于靶向递送药物、核磁共振成像和磁热疗等，是常见的用于修饰MSNs的氧化物之一。氧化铁具有电性和磁性，易发生聚集，通过MSNs与其结合成核壳型、空心型和摇铃型复合材料，可有效解决这一问题，并且可以实现高载药量。Wang等[35]采用模板蚀刻法构建了均匀的摇铃型Fe3O4@SiO2空心微球，与传统的物理模板相比，省去了中间壳的插入和去除，且芯尺寸和壳厚可控；Fe3O4@SiO2空心微球作为药物载体，显示出高效的DOX负载，加载后的DOX释放率与壳体厚度呈惊人的依赖关系，且具有pH响应性药物释放特征；此外，MTT分析表明，即使维持250 μg·mL-1的浓度长达48 h，摇铃型Fe3O4@SiO2空心微球仍表现为无毒。Wang等[]将超顺磁性氧化铁、金纳米棒(GNRs)引入叶酸(FA)功能化MSNs壳中，合成杂化纳米复合材料(Fe3O4@SiO2@GNRs@mSiO2-FA)；经实验表明，该杂化纳米复合材料细胞毒性不明显，在人鼻咽癌细胞(KB)中具有很高的细胞摄取效率；暗场成像技术和磁共振成像技术分析表明，Fe3O4@SiO2@GNRs@mSiO2-FA纳米颗粒诱导的热疗能够提高对KB细胞的毒性。

MoS2纳米点可作为光声(PA)/X射线计算机断层扫描(CT)对比剂和高温剂。Liu等[37]采用MoS2纳米点作为PA/CT对比剂和超热剂，在MSNs腔内装载NIR吸收光敏剂酞菁铝(AlPc)，再在MSNs表面引入壳聚糖(CS)，作为肿瘤微环境敏感剂，以控制负载药物对肿瘤局部酸性环境的释放，开发了一种新型CS控制和负载MoS2的ALPC纳米平台(AlPc-MoS2@SiO2-CS )，用于NIRF、PA和CT多模态成像引导的光热与光动力联合治疗肿瘤；体内多模式成像发现，AlPc-MoS2@SiO2-CS纳米复合物在静脉注射后能增强对肿瘤的吸收和诊断能力；体外和体内实验表明，该纳米复合物可通过加速肿瘤内的血流量，进而增加肿瘤中的氧供应，显著提高光动力治疗效率。

2.3 量子点修饰 量子点(QDs)，又名“人造原子”，具有亮度高、Stokes位移大、生物相容性好、光稳定性强、荧光寿命长等特点[38]。将QDs整合到MSNs上作为靶向探针，可实现细胞追踪、多模态成像等。

开发具有实时监测能力的刺激响应药物递送系统是研究药物释放的巨大挑战。Zheng等[39]通过ATP适配体将石墨烯量子点(GQDs，受体)封装在荧光MSNs纳米颗粒(FMSNs，供体)中，制备了一种荧光共振能量转移(FRET)的智能药物纳米载体，用于实时监测ATP引发的药物释放；在细胞外条件下，FMSN的荧光在低ATP水平下保持“关闭”状态，限制药物的释放，通过AS1411适体特异性识别并内化到靶肿瘤细胞中，ATP适体的构象转换可使GQD从纳米载体上脱落，引起负载药物的释放，从而产生严重的肿瘤细胞毒性，同时，FMSN的荧光随着GQD的解离而“开启”，进而实时监测药物的释放，这种药物递送系统具有AS1411和ATP适体的双靶识别的高特异性以及基于FRET的监测的高灵敏性。Liu等[40]将碳量子点(CQD)加载到MSNs上，制备了具有pH响应的两性离子表面，酶响应药物释放和蓝色荧光的MSNs纳米载体，在血液系统中可长时间循环，同时在肿瘤组织中实现了有效的细胞吸收和细胞内药物释放。Mathew等[41]在MSNs中心腔内集成金量子点，合成一种“量子摇铃”结构的纳米材料，该材料在水溶液中稳定，不会引起细胞毒性，保留了金量子点近红外光学性和顺磁性，同时显著提高了MSNs壳的载药性能；此外，在体内，量子振动在光热治疗过程中，减少了肿瘤的负担，同时耦合了三种互补的成像模式：近红外荧光、光声和磁共振成像，可用于多模成像指导下的治疗。Chen等[42]将带正电荷的聚电解质(PAH)和带负电荷的荧光量子点(QDs)组装到椭球体Fe3O4@SiO2@mSiO2复合介孔结构表面，在所得到的介孔椭球体上均匀地涂覆四层多环芳烃/量子点，再涂覆一层多环芳烃使椭球表面带正电荷，合成一种新型纳米颗粒，作为生物双峰成像探针和磁靶向抗癌药物递送系统；通过细胞毒性实验、对人红细胞的溶血能力和暴露于纳米颗粒后新鲜人血浆的凝血评价表明，该纳米颗粒具有很高的生物相容性；共聚焦显微镜和生物透射电镜观察表明，该纳米颗粒主要积聚在细胞质中，且细胞对其的吸收是剂量依赖性的，该纳米载体具有较高的r2值[143 mmol·(L·s)-1]，表明其作为MRI造影剂的优异性能。

3 基于有机无机功能化MSNs的诊疗一体化平台

将有机和无机功能团巧妙地组合在一起，将有助于开发多功能纳米医学平台，同时用于诊断和治疗。

金属表面能够增强荧光效应，因此金属与荧光染料可以修饰MSNs用于诊疗一体化。金属表面增强荧光效应是多种因素综合作用的结果，程铸洪博士将增强机制理论模型归纳为3种[43]：①荧光分子与金属表面之间的能量转移；②金属表面分子附近局域场的增强；③荧光分子辐射衰减速率的增加。Lee等[44]在MSNs中掺杂染料，并在其表面固定多个磁铁矿纳米晶体，作为能够同时进行磁共振(MR)、荧光成像和药物递送的载体；体内实验表明，这些多功能复合纳米粒子通过被动靶向的方式传递到肿瘤部位，作为多模态成像探针，向肿瘤部位提供抗癌药物。MRI与NIRFI相结合的双模态成像，可以将高分辨率解剖成像与高灵敏度体内荧光成像相结合，有望在生物医学研究中发挥重要作用。Zhu等[45]在MSNs纳米颗粒(MSNs-NH2)上偶联近红外荧光七甲基嘧啶染料(IR-808)和MR造影剂(Gd-DTPA)，制备了一种双模成像探针(NIR/MR MSNs)。NIR/MR MSNs不仅具有近红外荧光成像特性，而且MR的T1为14.54 mmol·(L·s)-1，是Gd-DTPA的3倍；体外实验表明纳米探针具有较高的吸收和滞留能力，细胞活力实验表明双模成像探针具有良好的细胞相容性；在肿瘤内注射NIR/MR MSNs后，MR成像显示肿瘤解剖边界区清晰度增强，近红外荧光显示出较高的肿瘤敏感检测能力。Shi等[46]在MSNs孔内引入超细氧化铁纳米颗粒，再将聚多巴胺涂覆在MSNs表面，合成了聚多巴胺包覆的磁性MSNs纳米颗粒，实验表明，该纳米颗粒的胶体稳定性、r1相对强度和近红外吸收均增强，可用于多模态指导下的热疗。Jin等[47]在MSNs中掺杂顺磁Gd，再用脂质双分子层包覆，合成了新型纳米复合材料GdMSNs-LP，具有更好的胶体稳定性、生物相容性和更有效的细胞吸收能力，经MR成像证实，GdMSNs可作为一种潜在的T1造影剂。将一种促凋亡肽KLA包裹在GdMSNs-LP中，KLA可成功进入细胞内诱导线粒体肿胀和凋亡，同时在细胞外无毒。Prasad等[48]利用谷胱甘肽裂解二硫键设计的高效绿色荧光碳量子点(CQDs)生物反应器，用其封装负载抗癌药物阿霉素的MSNs纳米颗粒MSNPs，在模拟的肿瘤细胞内环境中能够实现药物的控释；荧光图像表明，用叶酸配体对该纳米颗粒进行修饰，可靶向HeLa细胞；通过XRD、TEM、BET分析、载药试验、药物释放动力学、MTT检测和荧光细胞成像等手段对该设计进行了表征，证明了该系统具有无创靶向给药和生物成像功能。Li等[49]将酶激活细胞穿透肽(CPP)与包覆量子点的MSNs纳米颗粒相结合，合成一种新型的纳米载体(CPP-QDs@mSiO2)，实现可控核靶向抗肿瘤药物递送和细胞内药物分子转运的实时成像，在装载抗肿瘤药物DOX后，将其暴露于肿瘤细胞环境中的蛋白酶，肽序列的酶切激活了QDs@mSiO2表面上的TAT阳离子残基，直接将DOX递送至细胞核；细胞成像和细胞毒性研究证实，酶响应的CPP-QDs@mSiO2纳米颗粒可以选择性地在组织蛋白酶B酶高表达的肿瘤细胞中释放DOX，并能促进DOX在靶核中的积累，从而增强这些细胞的抗肿瘤活性，与此相反，在没有酶表达的细胞中观察到有限的核靶向药物的积累和较低的细胞毒性。

4 结论

MSNs的优良性质使其在肿瘤诊疗一体化中具有独特的优势，并取得了许多重要成果，如上述引入的功能化MSNs克服了限制抗肿瘤药物治疗效果的几个障碍：增加肿瘤组织中的积累、促进肿瘤细胞的内化、提高细胞内药物释放不足等问题。然而，在未来的临床应用中仍存在一些需要克服的难题。首先，目前功能化的MSNs的制备方法比较复杂，在临床应用中可能不会很好地展现所有功能，因此探索开发更简单的制备过程及控制方案是研究者们应该关注的重要方面之一。其次，目前基于功能化MSNs的研究多集中在体外和模型动物的基础上，并且多数是短期研究，对于复杂的人体环境，长期慢性毒性的系统性评价较少。第三，随着功能化MSNs的使用增多，其体内毒性尚未完全确定，尤其是与MSNs分离后的功能化物质在细胞内的分布和转移，仍是临床应用关注的问题。所以，在临床应用前，需要对功能化的MSNs进行深入的体内研究，如它们的治疗效率、毒性、分布、生物相容性和代谢等的系统研究，以提高其安全性。随着科技的进步和研究的深入，相信能够获得更加安全、有效的MSNs，扩展其应用领域。