納米材料在腫瘤治療領(lǐng)域的研究進(jìn)展

李 帥 徐文涵 李曉東 劉 沖 何金瞳 何澤宇 李天琪 張燕燕 邵海波

納米材料一般指結(jié)構(gòu)單元的尺寸在1～100nm間的物質(zhì)。因其特殊的尺寸，納米材料具有不同于一般材料的熱學(xué)、生物學(xué)、電磁學(xué)性能，例如表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等。近年來，納米材料在生命科學(xué)中的應(yīng)用逐漸成為研究的熱點(diǎn)[1～3]。研究者發(fā)現(xiàn)許多納米材料(如金屬以及金屬氧化物納米顆粒等)具有獨(dú)特的抗腫瘤特性，這一特性使得納米材料在腫瘤治療領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。并且，基于納米材料本身的理化特性，也使得其在腫瘤治療領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用潛力。例如，最近邵海波等成功地運(yùn)用負(fù)載多柔比星(doxorubicin,DOX)的中空片層二硫化鉬納米材料治療小鼠肝癌模型，在取得良好療效的同時(shí)，有效抑制了腫瘤的復(fù)發(fā)，具有重大的臨床意義[1]。另外，在許多動物實(shí)驗(yàn)中均觀察到納米材料的確在腫瘤的熱消融治療中起到增敏作用[4～6]。納米材料作用于腫瘤的機(jī)制復(fù)雜多樣，許多研究人員都在這一問題上進(jìn)行積極的研究探索，本文通過復(fù)習(xí)相關(guān)文獻(xiàn)，將從納米材料自身抗腫瘤的機(jī)制與基于納米材料理化特性用于腫瘤治療的研究兩方面綜述納米材料用于腫瘤治療的研究進(jìn)展，現(xiàn)報(bào)道如下。

一、納米材料自身抗腫瘤的機(jī)制

1.誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡：某些納米材料，如納米氧化銅顆粒，通過吖啶橙與碘化丙啶雙染色實(shí)驗(yàn)證實(shí)其確實(shí)可以誘導(dǎo)人類紅白血病細(xì)胞凋亡。并且在接受納米氧化銅處理之后的肝癌細(xì)胞，Bax/Bcl-2比率增加，因此表明線粒體介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡途徑參與其中[7～11]。還有一些納米材料，例如納米氧化鋅顆粒、納米氧化鎳顆粒等可以通過增加細(xì)胞內(nèi)活性氧(ROS)水平，產(chǎn)生氧化應(yīng)激，由于腫瘤細(xì)胞缺少正常細(xì)胞所具有的抗氧化酶類，因此導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[8，9，12，13]。三氧化二砷是具有顯著抗腫瘤特性的藥物，特別是對于血液系統(tǒng)惡性腫瘤。研究發(fā)現(xiàn)，三氧化二砷納米顆粒通過使賴氨酸14殘基上的組蛋白H3乙酰化以及絲氨酸10殘基上的H3磷酸化，從而激活P21基因，并因此導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[10]。

2.誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞自噬：自噬是目前生命科學(xué)研究最為關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。自噬與腫瘤的發(fā)生發(fā)展亦有著密切而復(fù)雜的聯(lián)系。一方面，自噬可以增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞對不良環(huán)境的耐受(組織缺氧、酸中毒等)；另一方面，自噬可以消除損壞的蛋白和細(xì)胞器，因此避免了基因組損傷，從而抑制腫瘤的發(fā)生。目前認(rèn)為，在腫瘤發(fā)生的過程中，自噬還是主要起到抑制腫瘤細(xì)胞的發(fā)生和惡化的作用。許多納米材料均已被證實(shí)具有誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞自噬的功能[14]。透射電鏡觀察自噬泡的形成是檢測自噬的金標(biāo)準(zhǔn)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究人員在經(jīng)過納米氧化錳顆粒處理18h的HeLa細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了自噬泡[15]。LC3-Ⅱ蛋白水平是檢測自噬的常用手段。張力等發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過納米氧化錳顆粒處理過的HeLa細(xì)胞LC3-Ⅱ明顯增多，并且研究人員將納米氧化錳材料作用于經(jīng)過同源重組敲除內(nèi)源性p53表達(dá)的HCT116細(xì)胞，仍然可以觀察到LC3-Ⅱ的積累，由此可以看到，納米氧化錳材料引起的細(xì)胞自噬是非依賴p53轉(zhuǎn)錄激活途徑的。以上研究足以表明，納米氧化錳顆粒能夠引起腫瘤細(xì)胞自噬[15]。還有研究人員報(bào)道，經(jīng)過納米銀顆粒處理的B16細(xì)胞，在電鏡下亦觀察到自噬泡。并且，研究者發(fā)現(xiàn)，通過運(yùn)用PtdIns3K通路抑制劑wortmannnin可以抑制納米銀引起的LC3-Ⅱ轉(zhuǎn)換，由此證明了納米銀是通過PtdIns3K通路來促進(jìn)自噬的發(fā)生[16]。

3.影響腫瘤微環(huán)境：腫瘤微環(huán)境主要是指腫瘤在其發(fā)生、發(fā)展過程中所處的內(nèi)環(huán)境，由腫瘤細(xì)胞、微血管、間質(zhì)細(xì)胞、組織液以及浸潤細(xì)胞等共同組成。腫瘤微環(huán)境與腫瘤的生長、侵襲、轉(zhuǎn)移、耐藥等過程均有密切聯(lián)系。由于腫瘤自身特殊的生物學(xué)特性，造成了其微環(huán)境具有缺氧、酸中毒、免疫炎性反應(yīng)等特征[17]。例如，腫瘤局部組織缺氧不僅促進(jìn)了腫瘤的侵襲性，還增加了腫瘤的抗藥性，并且在這些乏氧區(qū)域會富集大量的腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞。Song等合成了透明質(zhì)酸二氧化錳納米顆粒，這種納米顆粒所攜帶的透明質(zhì)酸可以使腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞表型發(fā)生轉(zhuǎn)化，即使腫瘤相關(guān)巨噬細(xì)胞M2型轉(zhuǎn)化為M1型，在此過程中會釋放出大量的雙氧水，雙氧水本身會對腫瘤具有殺傷作用，并且會與二氧化錳反應(yīng)，釋放出氧，緩解了腫瘤局部的缺氧狀態(tài)，改善腫瘤局部酸中毒，在一定程度上抑制了腫瘤的侵襲性，并因此顯著提高了腫瘤化療的有效性[18]。腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞(TAFs)是與腫瘤微環(huán)境密切相關(guān)的細(xì)胞之一，TAFs不僅可以促進(jìn)腫瘤的生長與轉(zhuǎn)移，還會通過分泌生長誘導(dǎo)因子和生長因子來介導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的耐藥性。研究發(fā)現(xiàn)，順鉑納米微粒可以導(dǎo)致TAFs的迅速死亡，阻斷基質(zhì)因子的分泌，擾亂成纖維細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞間的聯(lián)系，從而抑制腫瘤生長[19]。

4.腫瘤特異性細(xì)胞毒性：納米材料的腫瘤特異性細(xì)胞毒性是其具有廣闊研究空間的特性之一。超順磁性氧化鐵納米顆粒(SPIONs)就是具有腫瘤特異性細(xì)胞毒性的納米材料。最近有研究發(fā)現(xiàn)，分別用SPIONs處理過的HepG2細(xì)胞與正常組織細(xì)胞，癌細(xì)胞的ATP生成水平明顯下降，而正常組織細(xì)胞ATP生成水平并未受到影響。并且，經(jīng)過SPIONs處理的癌細(xì)胞線粒體膜電位降低，而經(jīng)過SPIONs處理的正常組織細(xì)胞線粒體膜電位并未發(fā)現(xiàn)明顯改變。這表明，SPIONs可以引起腫瘤細(xì)胞線粒體功能障礙，而不會影響正常的組織細(xì)胞。進(jìn)一步研究顯示，由于腫瘤細(xì)胞較正常組織細(xì)胞缺少相應(yīng)的抗氧化能力，因而更容易受到納米材料的“攻擊”。通過DNA微陣列和基因本體分析表明，SPIONs可以降低腫瘤細(xì)胞中線粒體電子傳遞鏈基因的表達(dá)，因此抑制了腫瘤細(xì)胞中線粒體電子傳遞鏈的功能，進(jìn)而影響ATP的生成、線粒體的膜電位與鈣離子的微觀分布，最終殺傷腫瘤細(xì)胞[20]。

5.影響腫瘤血管生成：腫瘤的血管生成屬于病理性血管生成，并且該過程與腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移緊密相關(guān)。Baharara等[21]在雞胚尿囊絨膜試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，納米銀顆粒具有明顯的抗血管生成作用。血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)被普遍認(rèn)為是最重要的促血管生成因子，尤其是血管內(nèi)皮生長因子165在血管生成中起著至關(guān)重要的作用。Pan等[22]研究發(fā)現(xiàn)，納米金顆粒可以顯著地減少VEGF165所誘導(dǎo)的Akt磷酸化。納米金顆粒在與VEGF165的肝素結(jié)合區(qū)域高親和力結(jié)合之后，阻止了VEGF165與血管內(nèi)皮生長因子受體2的相互作用，進(jìn)而抑制Akt信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路來抑制VEGF165所誘導(dǎo)的人臍靜脈血管內(nèi)皮細(xì)胞遷移以及血管形成。因此，納米金顆粒對VEGF165起到了滅活作用。此外，Kalishwaralal等[23]研究表明，VEGF所誘導(dǎo)的血管生成中，Src家族酪氨酸激酶起到重要作用，并且，在人的乳腺癌、結(jié)腸癌和胰腺癌中，Src蛋白水平、Src激酶活性都顯著提高。納米金顆粒可以顯著地抑制VEGF所誘導(dǎo)的Src磷酸化，因此抑制了下游的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，起到抑制血管生成的作用。

二、基于納米材料理化特性用于腫瘤治療的研究

1.對腫瘤的被動靶向作用：癌癥組織的血管組織學(xué)特性有別于正常組織，癌癥組織血管結(jié)構(gòu)紊亂，內(nèi)皮細(xì)胞間距較大，基膜不連續(xù)甚至缺損，目前認(rèn)為這種現(xiàn)象可能是由于癌癥組織血管內(nèi)皮生長因子和血管抑制因子失衡，使得癌癥組織血管不停地生長、重塑而導(dǎo)致其畸形。血液中的納米材料可以通過這些寬松的內(nèi)皮細(xì)胞間隙滯留在腫瘤組織中，即被動靶向作用，這一作用為腫瘤的精確化靶向治療提供了新的思路[24]。通過賦予納米材料不同功能，使其在腫瘤組織中聚集后，可以實(shí)現(xiàn)局部化療、光熱治療、微波熱療增敏等功能。

2.用于腫瘤的局部化療：納米材料具有豐富的立體結(jié)構(gòu)，如中空結(jié)構(gòu)、片層結(jié)構(gòu)、海綿結(jié)構(gòu)等。這些立體機(jī)構(gòu)賦予了納米材料具有極大的負(fù)載化療藥物的能力。比如納米二氧化鋯，其表面同時(shí)具有酸性和堿性，也同時(shí)擁有氧化性和還原性，它屬于p型半導(dǎo)體，易于產(chǎn)生氧空穴，這使得納米二氧化鋯可以有效地搭載化療藥物。Long等[25]利用修飾角蛋白的殼層二氧化鋯納米材料負(fù)載阿霉素，當(dāng)該納米材料到達(dá)腫瘤部位后，腫瘤組織的酸性環(huán)境以及谷胱甘肽會作用于二氧化鈦外部的角蛋白，從而使阿霉素得以釋放，實(shí)現(xiàn)了化療藥物的可控釋放。二硫化鉬納米材料的片層狀折疊結(jié)構(gòu)使其具有很大的表面積，利用其內(nèi)在的裂隙結(jié)構(gòu)，也可以實(shí)現(xiàn)大容量載藥的目的。劉莊等利用二硫化鉬納米片層負(fù)載阿霉素用于小鼠腫瘤的光熱治療與靶向化療，得到了很好的療效。

3.用于腫瘤的光熱消融：光熱消融主要是指利用具有較高光熱轉(zhuǎn)換效率的材料，使其在腫瘤部位聚集后，經(jīng)外部光源照射，產(chǎn)生熱量從而對腫瘤進(jìn)行熱消融。光熱消融是繼射頻消融、微波消融等之后又一備受關(guān)注的研究領(lǐng)域。很多納米材料，比如納米金，具有高效光熱轉(zhuǎn)換的性能，即在特定波長的近紅外激光的激發(fā)下，通過表面等離子體共振，產(chǎn)生足以使腫瘤細(xì)胞壞死的熱量來殺傷腫瘤細(xì)胞[4]。譚龍飛等利用中空片層二硫化鉬納米材料用于兔子肝臟腫瘤的光熱治療，取得了良好的效果。腫瘤熱消融治療所面臨的最主要問題就是腫瘤的局部復(fù)發(fā)。這主要由于傳統(tǒng)的熱消融手段不可避免地具有熱傳導(dǎo)的非專屬性與不均一性及瘤內(nèi)異質(zhì)性。筆者將負(fù)載多柔比星的300nm中空片層二硫化鉬納米材料用于小鼠肝癌模型的光熱消融與靶向化療。由于光熱消融是通過散布在腫瘤組織的光熱材料產(chǎn)熱而達(dá)到消融目的，因此，光熱消融能夠顯著提高熱消融的專屬性與均一性。此外，由于腫瘤組織三羧酸循環(huán)障礙，使得腫瘤組織主要依賴無氧呼吸，并由此造成大量乳酸堆積，使得腫瘤組織呈酸性環(huán)境。在腫瘤組織的酸性環(huán)境下，多柔比星分子的氨基發(fā)生質(zhì)子化，使其親水性增加，從而更易從納米材料中釋放，達(dá)到靶向化療的目的。通過熱消融與靶向化療的協(xié)同治療，成功打破了瘤內(nèi)異質(zhì)性這一治療壁壘，有效地抑制了腫瘤的局部復(fù)發(fā)，具有極大的臨床意義[1]。

4.用于腫瘤的微波動力學(xué)治療：腫瘤的微波動力學(xué)治療是我國學(xué)者率先發(fā)現(xiàn)并提出的。眾所周知，光動力治療是基態(tài)光敏劑在一定波長光的輻照下，成為三重激發(fā)態(tài)光敏劑，其經(jīng)過一型反應(yīng)生成活性氧物質(zhì)，經(jīng)過二型反應(yīng)生成單線態(tài)氧，兩者均可殺傷腫瘤細(xì)胞。孟憲偉等率先發(fā)現(xiàn)錳鋯金屬有機(jī)框架納米材料(Mn-doped zirconium metal-organic framework nanocubes)在微波的輻照下，能夠產(chǎn)生活性氧物質(zhì)(羥基自由基)，這一發(fā)現(xiàn)開辟了腫瘤微波動力治療學(xué)的全新領(lǐng)域，具有里程碑式的意義，并且通過體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)證明，微波動力學(xué)用于腫瘤治療具有理想的療效。

隨著研究的不斷探索，納米材料與納米技術(shù)在腫瘤治療領(lǐng)域已顯示出巨大的發(fā)展空間和良好的應(yīng)用前景。相信在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)到來的時(shí)代，納米醫(yī)學(xué)一定會在腫瘤治療領(lǐng)域書寫全新的篇章。