纳米气体在癌症治疗领域的应用

李博，刘锦，杨童，周倩

(1.广东药科大学中医药研究院，广州 510006； 2.暨南大学生命科学学院，广州 510632)

临床上，手术、放疗、化疗等传统癌症治疗手段通常具有不良反应，且易诱发肿瘤耐药、远端转移及术后复发，疗效有限。近年发现，肿瘤微环境(tumor microenvironment，TME)广泛参与癌症的发生和演变进程[1]。TME往往具有缺氧、弱酸性以及高水平的过氧化氢(hydrogen peroxide，H2O2)及谷胱甘肽等独有特征，在维持肿瘤增殖、能量代谢、药物耐受及细胞侵袭中发挥关键作用[2]。因此，阻碍或破坏TME稳态能够有效杀灭癌细胞。

研究发现，一氧化氮(nitric oxide，NO)、氢气(hydrogen，H2)、一氧化碳(carbon monoxide，CO)、氧气、硫化氢(hydrogen sulfide，H2S)及二氧化硫(sulfur dioxide，SO2)等气体分子对癌症演进具有调控作用[3]。调节TME中相应气体浓度能够影响癌细胞沃伯格效应，进而抑制其增殖并加速凋亡进程，而正常细胞的活性及生理功能不受影响[4]。同时，气体在体内无残留风险，有望成为一种安全有效的癌症“绿色”疗法[5]。

现阶段，临床主要通过吸入式进行气体治疗，易诱发机体中毒且难以实现病灶区域的按需气体释放，严重制约其应用范围[6]。近年来，纳米技术的飞速发展为气体体内精准递送与控释奠定了基础，也为未来精准气体治疗提供了新的视角[7-8]。现就纳米气体在癌症治疗中的应用予以综述，以期为气体疗法的临床转化应用提供思路。

1 NO纳米体系用于肿瘤治疗

NO是首个被发现的具有生化信号功能的气体分子，也是已知最简单的生物活性分子，其广泛参与心血管系统的生理调控活动[9]。NO在癌症进展中起双重作用，低浓度NO可促进肿瘤生长，而高浓度NO具有抗肿瘤作用[10]。NO供体分子存在水溶性差、稳定性低、半衰期短及毒副作用大等缺点，故无法实现肿瘤区域NO的富集及精准控释。将NO供体分子与多功能纳米体系结合并进行靶向修饰，可借助纳米材料弥补NO供体分子的缺陷，提高治疗效果。

1.1内源响应NO控释纳米体系 利用TME实现NO特异性响应释放是近年研究热点之一。Jia等[11]将NO前药NPQ负载到有机硅壳保护的纳米胶束中，构建了具有氧化还原/酶双重响应释放NO的新型纳米材料QM-NPQ@PDHNs，该系统能避免NO在体内循环中提前释放，促进NO在肿瘤病灶富集，并降低正常组织中NO的浓度；其在肿瘤区域富集后能够响应TME中高表达的谷胱甘肽和谷胱甘肽转移酶，从而实现肿瘤病灶NO的富集及特异性释放，达到高效、精准气体治疗的目的。前期研究发现，L-精氨酸(L-Arg)能够被一氧化氮合酶或活性氧类(reactive oxide species，ROS)氧化诱导生成NO[12]。基于此，Fan等[13]将葡萄糖氧化酶和L-Arg共载到介孔氧化硅纳米结构上，得到功能纳米体系L-Arg-HMON-葡萄糖氧化酶，其不仅能将肿瘤区域的葡萄糖转化为H2O2，切断肿瘤能量来源，同时其产物及TME中的H2O2能快速氧化L-Arg产生大量NO，从而增强肿瘤“类饥饿/NO气体”的协同疗效。Cao等[14]利用富含Arg的聚ε-己内酯共载β-拉帕酮和二茂铁(Fc)形成表面带负电的pH敏感亲水性二嵌段聚合物修饰的P-lapa-Fc纳米结构；其在肿瘤区域富集后可依靠TME弱酸环境触发内化进入癌细胞，随后β-拉帕酮被细胞内烟酰胺腺嘌呤二核苷酸分解产生大量H2O2，Fc利用H2O2产生高活性羟基自由基(·OH)杀伤癌细胞；同时，H2O2也能氧化L-Arg产生NO，随后NO继续被H2O2氧化生成毒性更强的过氧亚硝酸根阴离子(ONOO-)，协同NO和·OH杀灭癌细胞，这为利用TME实现NO精准控释及增强气体协同抗肿瘤疗效提供了新思路。

1.2外源响应NO控释纳米体系 开发响应外源刺激的NO纳米发生器也是近年的研究热点。Diring等[15]采用NO光响应供体分子构建了多孔配位聚合物，实现了NO的精准光控释放，将上述聚合物嵌入生物基质后与细胞共孵育，实现细胞微环境中NO含量的按需调节。除直接利用外源光触发光响应供体释放NO外，还可通过纳米材料实现光/热、光/电、光/化学等能量转移，进而激发不同类型供体释放NO。Guo等[16]将热敏性NO供体分子(S-nitrosothiols，SNO)整合入具有光热转换能力的纳米平台Fe3O4@polydopamine@MSN，在808 nm近红外光下，上述纳米结构通过材料的热转换激活NO释放。Wan等[17]将L-Arg负载到癌细胞膜修饰的卟啉金属框架纳米结构中，得到L-Arg@PCN@Mem，该结构在近红外光辐照下产生ROS，并进一步将L-Arg氧化为NO，从而实现针对癌症的混合气体治疗。X线是临床常用的肿瘤诊疗手段，Fan等[18]将响应X线刺激的SNO偶联到介孔二氧化硅得到功能纳米结构PEG-USMSs-SNO；其富集到肿瘤部位后，SNO的SN键被X线破坏而释放NO；基于X线的穿透性，该体系有望实现针对深层肿瘤的X线放射及NO联合治疗。Dou等[19]将SNO与光敏剂吲哚菁绿共载入掺杂有铕离子(Eu3+)的NaGdF4纳米平台中，该纳米结构在肿瘤富集能显著提升局部放射剂量，同时X线辐照能激活吲哚菁绿产生ROS，并破坏SNO释放NO，增强放疗和光动力疗法(photodynamic therapy，PDT)的疗效。肿瘤的声动力疗法因极佳的超声穿透性及生物安全性而备受关注[20]。然而，仅依赖声动力疗法往往无法取得预期疗效，需要与其他治疗方式联合应用[21]。An等[22]将GSNO和光敏剂二氢卟吩e6一起封装入沸石咪唑酯骨架(zeolitic imidazolate framework-8，ZIF-8)纳米颗粒，并在其表面包被癌细胞膜得到GCZ@M；靶向富集到肿瘤部位的GCZ@M能在超声及TME弱酸触发下持续释放NO，随后NO被二氢卟吩e6启动的光动力过程进一步氧化为高毒性的ONOO-，从而增强声动力疗法及PDT的疗效。

2 H2纳米体系用于肿瘤治疗

在早期研究中，H2被认为是一种惰性气体分子，不参与机体生理功能活动。随后的研究发现，H2可穿透生物膜并进入线粒体、细胞核等细胞器，选择性地与胞质中的·OH和ONOO-相互作用并将其清除，而不影响体内其他的ROS途径[23]。这些特点使H2成为治疗多种疾病的潜在有效策略[24]。

2.1内源响应H2控释纳米体系 基于TME的特质，Yang等[25]构建了负载氨硼烷的介孔二氧化硅纳米材料氨硼烷@MSN，该结构H2负载率高达130.6 mg/g，TME弱酸环境触发肿瘤区域富集的氨硼烷@MSN持续释放H2(>2 d)，在体内外实验中，氨硼烷@MSN表现出高特异性抗癌活性，这为基于H2抗癌疗法的研究提供了新方向。进一步利用超声辅助化学刻蚀法合成二维镁硼化物纳米片，其对胃酸高度敏感，通过在胃部持续释放H2治疗胃癌；用聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone，PVP)将镁硼化物纳米片和阿霉素封装后静脉注射，能显著增强化疗与H2疗法的协同疗效[26]。尽管响应内源刺激实现H2体内控释的研究取得了一定成果，但由于内源刺激条件不稳定，病灶区域的H2持续释放仍面临一定挑战，目前开发响应外源控释H2的纳米体系也是研究的热点。

2.2外源响应H2控释纳米体系 除了响应TME的控释体系，外源刺激响应的H2控释纳米体系也同样引起广泛关注。Zhao等[27]率先设计开发了一种新型氢化钯纳米晶体PdH0.2，利用Pd的近红外光吸收特质及对氢的高束缚能力，实现氢分子在肿瘤部位的有效富集及近红外光光控释放。Chen等[28]将Pd修饰到卟啉金属有机框架后，通过Pd负载氢气得到多功能纳米平台PCN-224@Pd/H2，其能在660 nm激光辐照下产生PDT效果，并可持续释放H2，从而达到H2/PDT协同抗癌效果。Wang等[29]设计了以NaGdF4:Yb和Tm/g-C3N4/Cu3P复合材料为核，表面包被叶酸改性的ZIF-8外壳的功能纳米结构，其能靶向富集到肿瘤区域，随后外壳ZIF-8在TME酸性条件下崩塌，其内核暴露在980 nm激光辐照实现光热转换并产生ROS，同时将TME中的H2O分解为H2，其自身Cu2+则形成芬顿反应增强对肿瘤的杀伤效果；该纳米体系实现了激光辐照下的H2/光热/PDT/化学动力学联合治疗，为探索开发新的癌症治疗模式提供了思路和借鉴。尽管H2展现出明显的抗肿瘤功效，但其潜在调控机制尚未阐明，纳米载氢体系在体内的储氢及控释能力仍需进一步研究。

3 CO纳米体系用于肿瘤治疗

生物体内的CO由血红素加氧酶催化降解血红素时产生，其在机体正常生理活动中发挥信号递质的作用，具有抗炎和细胞保护功效。高浓度CO可有效杀死癌细胞，表现出显著的抗癌功效，被认为是一种有效的气体治疗分子[30]。然而，由于血红蛋白与CO的亲和力较氧气更高，扩散至血液中的CO与血红蛋白竞争性结合，使血红蛋白携氧量降低，导致机体缺氧损伤甚至死亡[31]。现阶段CO治疗主要依赖气体供体分子实现，但面临供体分子溶解性差及不可控释放导致的潜在毒性等问题，迫切需要开发新的体系，以实现病灶区域CO的精准递送与控释。

3.1内源响应CO控释纳米体系 Wang等[32]率先通过“点击-释放”策略合成了CO供体分子，其能在生理条件下释放CO；为进一步实现TME响应的CO控释，该团队设计了若干pH响应的CO供体分子(BW-CO-201-205)，其能在胃肠道(pH>5)等环境下实现CO控释[33]。锰基材料在TME响应领域具有明显特质，Jin等[34]将疏水性羰基锰(MnCO)负载到中空介孔SiO2纳米颗粒中得到MnCO@hMSN，其在肿瘤区域富集后能被TME中富含的H2O2触发释放CO杀伤癌细胞，但其对正常组织细胞几乎没有毒性。Gao等[35]设计合成了水溶性的六羰基二铁有机金属复合物TG-FeCORM，并证实该结构能够被TME中的谷胱甘肽触发，进而实现CO的定点释放。Wang等[36]将葡萄糖氧化酶和CO供体分子Mn2(CO)10共封装入聚乳酸乙醇酸，并用红细胞包被其表面得到仿生气体发生器MGP@RBC；其富集到肿瘤后，葡萄糖氧化酶能够持续消耗内源性葡萄糖并将其转变为H2O2，后者将触发Mn2(CO)10持续释放CO，进而诱发线粒体功能障碍，杀灭癌细胞；该体系实现了TME响应的饥饿/CO协同疗效，在肿瘤能量代谢及气体疗法中具有广阔的应用前景。

3.2外源响应CO控释纳米体系 受自然界CO2捕获和转换机制的启发，Zheng等[37]构建了Ag3PO4掺杂的碳纳米点修饰C3N4纳米(AgCCN)，并用组氨酸对其功能化修饰得到光催化纳米体系(HisAgCCN)；该结构在630 nm激光辐照下能够将内源性的CO2转变为CO，从而显著增强阿霉素的疗效。Wu等[38]将MnCO与介孔聚多巴胺耦连得到功能纳米材料(MnCO@MPDA NPs)，该系统的光热转换效率较高，且能响应TME产生CO，展现出高选择性的CO/光热联合抗癌效果。Zheng等[39]将MnCO负载到中空介孔硫化铜纳米结构中得到MnCO@CuS，通过CuS的近红外光热转换效果增强TME中H2O2触发MnCO释放CO的反应，从而实现磁共振成像引导下肿瘤的光热/CO联合治疗。此外，通过将近红外光激活的光热/光电转换材料与CO供体分子耦连，开发了一系列近红外光控释的CO纳米气体系统，这些研究成果为CO的精准递送和控释提供了发展方向[40]。后期开发的能够实现磁性/X线等控释的CO体系将有望为深层肿瘤治疗提供新的临床方案[41]。

4 H2S纳米体系用于肿瘤治疗

与CO类似，H2S也是内源性气体递质，其在生理浓度下主要发挥抗炎、促生长及免疫调节功能，在抗炎、缺血再灌注损伤及脑损伤方面表现出良好疗效[42]。高浓度H2S能够诱导细胞凋亡，表明其具有潜在的抗肿瘤疗效[43]。H2S具有刺激性气味和潜在毒性，因而无法通过直接吸入进行治疗。现阶段开发的H2S供体分子大多溶解性较差，且存在毒性，其在肿瘤病灶的有效富集及控释仍是临床亟待解决的难题。借助纳米平台达到H2S供体分子的精准递送和控释，是实现H2S气体治疗癌症的途径之一。

4.1内源响应H2S控释纳米体系 He等[44]利用胎牛血清白蛋白(bovine serum albumin,BSA)为生物模板制备了硫化锰纳米材料(MnS@BSA)，其可以在TME的弱酸环境中降解释放H2S用于气体治疗。Xie等[45]将BSA与硫化亚铁(FeS)自组装为非晶态的纳米团簇(FeS@BSA)；在TME酸性条件下，FeS@BSA的无定型状态使其能被迅速降解释放H2S气体和Fe2+，后者将进一步诱发芬顿反应生成毒性更强的ROS杀灭癌细胞。Zheng等[46]合成了载有Fe3+的五倍子酸修饰的MoS2功能纳米体系MoS2@五倍子酸-Fe，其在TME环境中谷胱甘肽和少量·OH的催化下可发生芬顿反应，产生大量·OH和H2S气体，从而实现肿瘤的·OH和H2S协同治疗。

4.2外源响应H2S控释纳米体系 与气体外源响应控释方法类似，H2S的外源控释现阶段主要通过特定波长激光辐照实现。Chen等[47]将紫外响应的H2S供体分子负载到上转换纳米颗粒(UCNPs)，该结构能在近红外二区980 nm辐照下通过光转换产生紫外线，后者将H2S供体分子光解为双硫醇，其进一步转变为H2S气体，该体系使用更为安全的红外光源，避免了紫外线穿透力不足的缺陷。Fang等[48]设计了ZnS包被的ZIF-8金属框架纳米结构(ZnS@ZIF，ZSZ)，并用其负载吲哚菁绿及替拉扎明得到多功能纳米体系ZSZIT，其在TME酸性条件下分解，ZnS可原位反应产生H2S，同时ZIF-8分解释放吲哚菁绿和替拉扎明，吲哚菁绿在808 nm激光消耗内源性氧气产生ROS，而H2S则通过抑制过氧化氢酶活性增强替拉扎明的疗效，该体系实现了H2S增敏的PDT/化疗协同抗肿瘤疗效，具有广阔的应用前景。Yang等[49]通过简单的“一步水热法”合成了PVP改性的多功能硫化铁纳米结构(Fe1-xS-PVP-NPs)，其光热转换效率达24%；在808 nm激光辐照下，Fe1-xS-PVP-NPs升温促进芬顿反应生成大量·OH；同时，Fe1-xS-PVP-NPs也能在TME酸性条件下原位产生H2S，增强光热介导的化学动力学疗效。

5 SO2纳米体系用于肿瘤治疗

SO2是公认的大气污染物，长期暴露在高浓度SO2环境中会诱发氧化应激反应，破坏生物大分子，进而导致呼吸及心血管系统损伤[50]。一定浓度的SO2在增强血管舒张、抗结核分枝杆菌及协同克服癌症化疗耐药性等方面发挥重要作用[51]。但受限于SO2的刺激性气味，SO2治疗无法用于临床吸入式全身给药，且现阶段SO2供体分子均存在较大毒性、过早释放等问题，因此急需开发SO2精准纳米控释系统。Shen等[52]设计了一种两亲性SO2聚合物前药DNs，其能在水溶液中自组装为纳米胶束，并高效负载阿霉素得到多功能纳米体系NPs(阿霉素)；该结构能够被TME中富含的谷胱甘肽触发释放SO2和阿霉素，从而实现协同克服肿瘤耐药性的作用疗效。与上述气体外源控释相似，SO2的外源控释也主要通过激光辐照实现。Li等[53]将SO2供体分子负载于核壳结构的转换多孔二氧化硅颗粒上，得到RUCSNs-DM纳米功能平台，该体系可在近红外光下将光子转换激发SO2供体分子，释放SO2并激活氧化应激，从而杀灭癌细胞。Xu等[54]将SO2前药BTS负载于Au-Ag空心三角纳米结构体中得到Au-Ag-BTS HTN；在近红外光辐照下，Au-Ag HTN能够通过光热转换杀伤癌细胞；同时BTS被TME酸性环境触发释放SO2，进一步增强了光热治疗效果。Lu等[55]合成了掺杂苯并噻唑及其衍生物(一种水溶性SO2前药)的金纳米棒@聚多巴胺纳米体系，其具有良好的生物相容性和较高的光热转换效率，能够在TME酸性环境和近红外光辐照双重刺激下释放SO2，后者可进一步扩散至肿瘤内部产生大量ROS，进而增强肿瘤光热疗效。

6 小 结

作为一种抗癌新策略，纳米气体疗法在肿瘤病灶的气体靶向富集及可控释放方面的疗效明显优于常规气体疗法，并将对未来癌症的精准气体治疗产生深远影响[56-57]。但其进入临床应用前仍有许多问题有待进一步探究，如载体系统的生物安全性及其在体内循环系统中气体的泄漏量等；同时，尚缺乏病灶原位长效气体供给的研究，这是实现长效抑癌的关键，有待未来进行深入的研究。