層狀雙氫氧化物調控腫瘤微環境的研究進展

張世文，裴文浩，楊清玲，陳昌杰，王文銳*

（1.蚌埠醫學院癌癥轉化醫學安徽省重點實驗室，安徽 蚌埠 233000；2.生命科學學院）

癌癥是由一群形態或功能異常的細胞所形成的惡性腫瘤［1］，通常被認為是具有復雜的微生物結構和特定微環境的異常組織。如今，癌癥治療已不再局限于如何殺死癌細胞，而是更加重視癌癥免疫療法，如通過扭轉腫瘤微環境（tumor microenvironment，TME）相關的免疫抑制局面，能更有效、更根本地治療腫瘤。TME 是腫瘤發生和生長的內在環境，在腫瘤的轉移過程中發揮著至關重要的作用，包括多種細胞類型（成纖維細胞、免疫細胞、免疫抑制細胞等）［2］、細胞外成分（細胞因子、生長因子、激素、細胞外基質等）。與正常組織相比，腫瘤組織等病理部位通常表現為血管異常、弱酸性、異常溫度、特定酶的過表達、缺氧、免疫抑制等［3］。TME 的特異性給腫瘤治療帶來了挑戰和機遇。一方面，癌細胞與TME的相互作用增加了癌癥的惡性程度和治療難度，例如TME缺氧、弱酸等異質性促進了腫瘤轉移和多耐藥性等；另一方面，腫瘤特異性的微環境亦可作為藥物遞送設計的靶點，增強藥物的治療效果。

納米載體能富集于體內特定的區域，消滅病灶的同時，最大限度地減少對周圍健康組織的損傷，達到減少副作用的目的［4］。近年來，許多研究人員根據TME的特性及納米技術的優勢，構建出基于TME的納米藥物。由于納米遞送系統在抗腫瘤靶向遞送及藥物控釋領域展現出良好的應用前景，受到廣泛關注。層狀雙氫氧化物（layered double hydroxide，LDH）又稱水滑石或陰離子黏土，是一類“三明治夾心狀”的二維（2D）無機納米材料，LDH 的結構通式為［M2+1-xM3+x（OH）2］x+［An-x/n］x-·mH2O，其中M2+是二價金屬陽離子，M3+是三價金屬陽離子，An-是層間陰離子［5］。常見的二價金屬陽離子包括Mg2+、Zn2+、Fe2+、Ni2+、Mn2+、Ca2+等，常見的三價金屬陽離子包括Al3+、Fe3+、Co3+等，常見的陰離子包括NO3-、CO32-、Cl-、SO42-等。LDH具有帶正電的氫氧化物基層，其中三價陽離子取代了二價陽離子，二價陽離子被插入層間的水合陰離子平衡。不同的M2+和M3+組成配對將形成種類繁多、具有獨特結構和性能的LDH。LDH 不僅合成簡單，而且還具有層電荷密度和顆粒大小可調、生物相容性好、毒性低以及“結構記憶效應”等特點［6］，對蛋白質、DNA、siRNA 等生物分子以及一些藥物小分子具有很高的親和力，藥物分子可以通過吸附、插層等方式附著于LDH 的表面片層間，在TME 中通過自身降解來釋放藥物，且可通過滯留（EPR）效應增加藥物在腫瘤中的蓄積。因此，LDH納米顆粒可以作為腫瘤治療的有效納米平臺。

本文綜述了LDH 作用于TME（微酸、乏氧、腫瘤相關基質細胞）的應用進展，以期為納米藥物及其載體的設計提供進一步的參考。

1 響應腫瘤微酸環境

正常生理組織pH 值為7.4 左右，而腫瘤細胞外pH 值約為6.5～6.8。這是由于腫瘤生長十分迅速，腫瘤血管往往無法提供充足的養料和氧氣來供應腫瘤細胞增殖，腫瘤內部缺氧狀態使腫瘤細胞無氧糖酵解產生乳酸，細胞膜表面質子泵活性的增加促進了酸性分泌物釋放至細胞外，而腫瘤內部血流速度緩慢使得腫瘤組織難以恢復至中性而維持酸性環境［7］。利用腫瘤組織的酸性微環境設計具有pH響應的藥物傳遞體系，是實現腫瘤靶向治療的一種前景可觀的治療策略［8］。

針對這一特性，Li 等［9］利用了帶負電的辛磺酸鋅（II）酞菁（ZnPcS8）與LDH 陽離子氫氧化層之間的靜電相互作用，開發了一種新型的腫瘤pH激活超分子光敏劑LDH-ZnPcS8，它在腫瘤微酸性環境（pH 6.5）下可以被精確而有效地激活，表現出良好的光動力治療（PDT）效應，對腫瘤生長的抑制率為95.3%，且其天然狀態幾乎無熒光和 無 光 毒 性（圖1）。Shahabadi 等［10］利 用Fe3O4@CaAl-LDH 納米球的磁性核殼結構作為LDopa 治療黑色素瘤的載體，開發了一種新型高效的靶向抗癌藥物釋放系統。該給藥系統具有較高的細胞毒性和抗癌活性，藥物釋放對pH變化非常敏感，能在較低pH下較快釋放L-Dopa，降低左旋多巴在血液中的瞬時游離濃度，從而將副作用降至最低。Asiabi等［11］將DAC（達卡巴嗪）嵌入可生物降解的NaCa-LDH 材料中（DAC-LDH），這種釋藥系統提供了穩定的疏水性和pH依賴性藥物釋放，在pH 7.4 時的釋藥速率明顯低于在pH 6.0時的釋藥速率，與原藥物相比，負載DAC 的NaCa-LDH具有副作用少、抗癌活性高、半衰期長等優點，有望成為治療惡性黑色素瘤的新型DAC制劑。Liu等［12］設計了一種pH敏感、電荷可逆的LDH 納米雜化平臺，通過靜電作用將LDH 與pH響應型負電荷共聚物PEG-PA/DM，即二甲基馬來酸（DMMA）修飾的聚乙二醇-聚甲基丙烯酸2-氨基乙酯鹽酸鹽共聚物（PEG-PA）絡合。siRNA/Cu-LDH@PEG-PA/DM 納米雜化材料能夠抑制正常細胞的攝取，并在血液（pH 7.4）中循環，聚合物在弱酸性環境（pH 6.8）中水解后，聚合物涂層從這些納米雜化材料上剝離，使siRNA/Cu-LDHs重新帶上全部正電荷，有利于癌細胞的攝取。

圖1 弱酸性條件下ZnPcS8從LDH-ZnPcS8納米復合材料中釋放，導致其光活性重新活化，表現出PDT效應［9］

此外，除了腫瘤組織自身的弱酸環境，腫瘤細胞中內涵體（pH 5.0～6.0）和溶酶體（pH 4.0～5.0）均處于酸性環境。Ladewig 等［13］考慮siRNA體內傳遞所面臨的多重生理屏障，設計制備了內涵體pH響應的LDH納米載體，用于增強siRNA的內涵體逃逸能力和基因沉默效率。Hakeem 等［14］制備了負載阿霉素（DOX） 的LDH （DOX@MgAl-LDH），DOX@MgAl-LDH 通過網格蛋白和脂質筏/小窩介導的內吞作用，被轉運至HepG2細胞的溶酶體，響應溶酶體的酸性環境后降解，將DOX 釋放至細胞核，DOX@MgAl-LDH 具有良好的腫瘤靶向性、有效的細胞攝取和腫瘤酸性微環境觸發的DOX 釋放，且毒性較游離DOX 明顯更小。

2 緩解腫瘤乏氧環境

低氧是腫瘤微環境的重要特征之一，低氧應激在某些情況下可誘導上皮-間充質轉化（EMT），而且EMT 是癌細胞獲得細胞可塑性的有效途徑，因此有理由推測腫瘤缺氧是癌細胞可塑性和腫瘤異質性的主要驅動因素之一［15］。腫瘤中缺氧可誘導腫瘤血管生成和轉移，還可以引起對現在臨床應用的治療產生抵抗力［16］，是TME的重要特點。

Yan 等［17］制備了CoMn-LDH 納米材料，并用光敏劑四氯乙烯（Ce6）對其進行表面修飾，得到了TME 響應成像和光動力/化學動力協同治療（PDT/CDT）的CoMn-LDH 納米片，CoMn-LDH納米片可以通過歧化H2O2生成羥基自由基（OH），而Mn4+可以通過氧化還原反應將TME 內的谷胱甘肽（GSH） 氧化成氧化型谷胱甘肽（GSSG），并觸發H2O2分解為O2。Jia 等［18］采用FeMn-LDH 作為一種有效的光熱載體負載介孔二氧化硅和氯化物Ce6 共價包覆的上轉換納米粒子（UCSP），制備了靈敏的TME 響應型納米催化劑UCSP-FeMn-LDH，其在酸性TME 和內源性H2O2的共同作用下，可分解為UCSP 納米粒子、Fe3+和Mn2+離子，其中Fe3+能將H2O2分解為氧（O2），實現原位產氧。Ruan等［19］證明了FeMn-LDH由于缺氧的存在而表現出光熱效應，且具有類似過氧化氫酶的活性，在體內外均能催化H2O2生成O2。他們在FeMn-LDH上負載了亞甲基藍（MB）（FeMn-LDH/MB），使LDH的過氧化氫酶樣活性可以顯著提高氧依賴PDT 的效率，克服腫瘤缺氧。Guan等［20］合成了一種新型的釕配合物負載的單層LDH超分子納米傳感器（Ru（C-bpy）2/mLDH），該傳感器對缺氧TME 具有很強的專一性，且在520 nm光照射下能產生單線態氧（1O2），產氧率（φΔ）為0.28。它同時具有缺氧響應熒光成像和PDT 效果，可以通過光來切換診斷和治療過程，當激發波長為488 nm 或800 nm 時，納米片在630 nm 附近顯示出發光，發光強度與局部氧濃度有關，一旦激發波長改變到520 nm，材料就開始產生1O2。李偉佳［21］制備了一種同時負載了肝素與光敏劑IR783 的含有Fe3+的CoFe-LDH 納米片，構建了納米材料藥物LDH-Hep-IR783。該納米藥物可釋放Fe3+對H2O2進行催化作用，能夠快速產生更多的氧氣來克服腫瘤組織缺氧的微環境，從而增強PDT療效，在體內實驗中，該藥物成功抑制了腫瘤的生長與轉移。

3 調節腫瘤基質細胞

3.1 調節腫瘤相關巨噬細胞 巨噬細胞促進腫瘤進展有許多重要特征，包括血管生成、腫瘤細胞侵襲、運動、內滲以及轉移部位、刺激腫瘤細胞外滲和持續生長［22］。巨噬細胞主要包括：經典活化的巨噬細胞M1（classically activated macrophage）和替代性活化的巨噬細胞M2（alternatively activated macrophage），前者起殺傷腫瘤的作用，后者起抑制腫瘤的作用［23］。

納米遞藥系統既可直接遞送免疫檢查點抑制劑，也可共遞送多種藥物，實現免疫檢查點阻斷療法與其他療法的聯合使用［24］。Yang 等［25］研發了一種攜帶特定功能、克服腫瘤環境中的免疫抑制的miR155 的LDH@155，能在腫瘤細胞內酸性微環境中有效釋放miR155；LDH@155 能以STAT3、ERK1/2 和NF-κB（p-65）下游信號通路依賴的方式協同使TAMs向M1亞型轉變，從而誘導更高的T 細胞活化并抑制腫瘤環境中的髓性抑制細胞（MDSCs）浸潤，LDH@155 納米顆粒可與檢查點阻斷免疫治療聯合應用，改善腫瘤治療效果（圖2）。

圖2 檢查點抑制劑療法聯合LDH@155納米復合物腫瘤免疫治療策略［25］

3.2 調節T 淋巴細胞 Th1 細胞介導的免疫反應，特別是涉及細胞毒性T 淋巴細胞（CTL），是抗腫瘤免疫的主要介質［26］。Yan 等［27］制備了與Toll 樣受體配體CpG 和卵清蛋白（OVA）偶聯的LDH 納米顆粒，即LDH-CpG-OVA。該納米顆粒能夠將免疫反應從Th2向Th1轉變，有助于相關腫瘤疫苗開發，且與標準的商業佐劑明礬相比，沒有產生強烈的局部炎癥反應。Zhang 等［28］將FDA批準的3種治療藥物，即吲哚青綠（ICG，用于光熱治療）、阿霉素（DOX，用于聯合放化療）和CpG（免疫佐劑，用于免疫治療）搭載進入LDH納米顆粒，制成用于癌癥聯合治療的IDCBLDH，在免疫治療中，該納米顆粒可使抗原提呈細胞（APC）攝取和激活CTL，從而刺激原位抗腫瘤免疫，有效地抑制腫瘤轉移和遠處腫瘤的生長（圖3b-c）。Li 等［29］將Mg、Al 摩爾質量比為1∶1結合的LDH，即LDH（R1），與pcDNA3-OVA 質粒結合，制成pcDNA3-OVA/LDH（R1）復合物，該復合物免疫的小鼠可以在體內有效地激活T 細胞，且這些小鼠表現出較強的腫瘤特異性CTL 應答；在細胞因子方面，該復合物免疫的小鼠脾T細胞產生大量了IFN-g，同時僅產生少量IL-4；由于IFN-g和IL-4兩種細胞因子分別由Th1和Th2細胞產生，因此定量檢測IFN-g和IL-4水平可以評估Th1 和Th2 免 疫 應 答， 即pcDNA3- OVA/LDH（R1）復合物皮內免疫可誘導抗原特異性Th1型免疫應答。Zhang 等［30］開發了一個可以同時向樹突狀細胞（DC）遞送吲哚胺2，3-雙加氧酶siRNA（siIDO）和酪氨酸酶相關蛋白2（Trp2）的LDH載藥系統，即TLIs，它將Trp2 和siIDO 共同遞送到DC，以減弱IDO介導的免疫抑制，能顯著增強小鼠對黑色素瘤的免疫應答，并抑制腫瘤生長；從LDH 釋放到胞漿的Trp2 呈現在DC 上，并誘導強大的CTL應答。

圖3 IDCB-LDH納米復合物作用于腫瘤的具體機制［28］

4 小結與展望

利用LDH 搭載各種藥物，可針對TME 弱酸性、缺氧、免疫抑制等特點，從不同角度達到調控TME的目的。相比于傳統化療藥物，基于LDH的納米藥物擁有載藥量大、靶向調控、生物相容性好等優點。但同時仍存在一些問題，如MgAl-LDH 中的Al3+在LDH 結構中的使用限制了其生物相容性和毒性。鋁中毒可能導致如增加人類骨骼和造血系統的毒性等健康危害。另外，LDH 在生物醫學上的實際應用劑量很低，低于100 mg/kg，而且在此濃度水平下，LDH 在24 h 內在體液中溶解，不會在任何特定的器官中蓄積。與其他無機納米顆粒相比，LDH 的體外和體內毒性均為中等，但高濃度和長期暴露會引起一定的毒性效應，尤其以炎癥反應最為顯著。LDH 的毒性在很大程度上取決于它們的物理化學性質，如顆粒大小、組成和穩定性。這些研究結果對開發高效、生物相容性好的納米材料給藥系統具有一定的參考價值。最后，基于LDH 的藥物載體系統有相當多的一部分仍處于試驗階段，還未在臨床治療上進行應用。因此，我們還需要深入了解LDH 納米材料在體內的生物降解性、生物分布和清除情況，并針對以上缺點做出改善，開發性能更優的LDH 藥物載體系統應用于腫瘤治療，并盡早使它們達到投入臨床治療應用的標準。