內源性刺激響應策略在腫瘤精準診療中的應用

趙 旭，王孟超，張抗抗，嚴秀平1，2，

（1.江南大學 食品科學與技術國家重點實驗室，江蘇 無錫 214122；2.江南大學 國際食品安全聯合實驗室，江蘇 無錫 214122；3.江南大學 食品學院，分析食品安全學研究所，江蘇 無錫 214122）

癌癥嚴重威脅人類的生命健康，如何實現腫瘤精準診斷和治療是亟待解決的科學難題。腫瘤微環境較正常機體環境具有低pH值、乏氧、高谷胱甘肽（GSH）含量、過表達酶以及氧化應激增加等系列異常特征［1－3］。這些內源性差異為腫瘤精準診療體系的構建和發展提供了可能。內源性刺激響應型診療劑可對腫瘤微環境產生快速、精準應答，提高診療劑的腫瘤選擇性及診療信噪比，從而實現增強療效的同時極大地降低副作用。因此，內源性刺激響應型診療劑已逐漸成為腫瘤精準診療領域的研究熱點。近年來，基于不同內源性刺激響應的診療劑已被廣泛開發［4－6］。本文從不同內源性刺激角度，綜述了近年來發展的刺激響應型診療劑的設計原理及研究進展，并展望了該領域面臨的問題及發展趨勢。

1 p H響應型

受腫瘤細胞過度增殖以及異常的血管結構影響，腫瘤組織的代謝過程以無氧糖酵解為主，導致腫瘤微環境具有弱酸性。實體瘤細胞外微環境的pH值為6.5～6.8，內吞囊泡具有更強的酸性（早期內涵體pH 5.5～6.5，晚期內涵體或溶酶體的pH低至5.0～5.5）［7－8］。弱酸性微環境對腫瘤侵襲、免疫、自噬以及耐藥性產生等過程起促進和調節作用［9］，因此也成為腫瘤精準診療的重要靶點。目前已有大量基于腫瘤弱酸性特性設計合成pH響應型診療劑的報道［10－11］。pH響應型診療劑的響應機制主要可概括為酸堿敏感基團的質子化/去質子化［12－13］、酸敏感化學鍵的斷裂［14－15］以及酸敏感無機物的降解［16－17］。

分子中引入酸堿敏感的基團，不同pH條件下上述基團發生質子化/去質子化，使得分子結構、親－疏水性、體積以及空間構象等發生改變，進而實現腫瘤精準診斷以及靶向給藥等，是構建pH響應型診療劑的常用策略之一。例如，Zhao等［18］設計合成了系列pH可逆激活型不對稱菁類熒光/光熱/光動力（FL/PTT/PDT）一體化分子，用于腫瘤精準診斷及治療（圖1）。該類分子中未被取代的氮原子進入腫瘤弱酸性微環境后被質子化，使得探針分子由堿式體轉變為酸式體形式，伴隨著分子內電荷誘導轉移產生，進而激活探針分子的熒光。腫瘤特異性熒光成像指引下施加808 nm激光照射，激活光熱/光動力性能，進而實現精準成像指引的特異性治療。Wang等［19］報道了細胞內酸激活性多功能膠束，用于耐藥腫瘤的光熱/化療協同治療（圖2）。膠束由鍵合有光敏劑的pH響應的二嵌段共聚物（PDPC）和阿霉素聚合前藥（PDOX）組成。膠束在血液循環過程保持穩定，內吞進入細胞后弱酸微環境誘導膠束質子化進而發生解離，從而激活熒光成像及治療功能。

圖2 酸響應膠束的組成及原理示意圖［19］Fig.2 Structural composition and schematic diagram of the acid-switchable micelles［19］

選用pH敏感的化學鍵（如腙鍵、酯鍵、亞氨鍵、β-羧基酰胺鍵等）作為橋基構建診療探針，該類結構在正常體液條件下可穩定存在，到達腫瘤部位后pH敏感的橋聯基團發生水解斷裂，進而實現腫瘤靶向成像及治療是構建pH響應型診療劑的另一常用策略［14－15，20］。其中，β-羧基酰胺鍵具有酸敏感的水解特性，可實現腫瘤微環境觸發的電荷反轉。正常生理條件下，β-羧基酰胺鍵末端羧基的存在使其帶負電；在腫瘤弱酸性微環境下酰胺鍵斷裂，裸露出的－NH2被質子化呈現出正電性，進而滿足了長血液循環和腫瘤靶向等環節對材料所帶電荷的不同需求。

雖然pH響應型診療體系已大量涌現且展現了良好的應用前景，但該研究仍處于起步階段，診療體系及其降解/代謝產物的生物安全性、pH響應的不可逆性以及腫瘤組織不同部位pH差異對結果靈敏性的影響等諸多問題仍需解決。

2 乏氧響應型

腫瘤細胞過度增殖以及異常血管結構造成的又一微環境特征是氧含量降低（乏氧）［21－22］。基于腫瘤組織處含氧量低這一特性，近年來涌現出大量乏氧響應型精準診療策略。其中，設計乏氧響應型前藥以及乏氧響應型智能載藥體系是最為常見的策略。

乏氧響應型前藥的設計策略主要是在藥物分子骨架中引入易被還原基團（如硝基、醌、氮氧化物、過渡金屬等），這些基團在腫瘤乏氧區域被還原酶還原，使得原本無毒或低毒的前體物質轉變為高毒性的還原型代謝產物，進而實現腫瘤細胞的高選擇性殺傷。例如，Wang等［23］設計合成了整合素功能化的裝載吲哚菁綠（ICG）和乏氧激活型藥物替拉扎明（TPZ）的聚乳酸－羥基乙酸脂質納米體系（圖3）。將乏氧激活型藥物TPZ裝載于納米載體中，不僅改善了TPZ的生物相容性，還提高了其腫瘤部位的滲透和靶向富集能力。近紅外光激發下，ICG分子將氧氣分子轉變為單線態氧，在發揮光動力治療作用的同時進一步加劇了腫瘤部位的乏氧，進而激活TPZ發揮化學治療作用，實現光動力－化療協同治療。

圖3 乏氧激活型納米平臺用于腫瘤光動力－化療協同治療示意圖［23］Fig.3 Illustration of the hypoxia-activated nanoplatform for tumor photodynamic-chemotherapy synergistic therapy［23］

乏氧響應型載藥體系主要依賴于在聚合物載體中引入硝基咪唑、偶氮苯片段或者金屬配合物等乏氧敏感片段［24－25］。例如，Yang等［24］利用酰胺縮合反應制得光敏劑二氫卟吩改性人血清白蛋白（HC）以及化療藥物奧沙利鉑改性人血清白蛋白（HO），進一步以偶氮苯為橋基將兩者交聯制備了乏氧響應型納米診療體系。腫瘤乏氧微環境下連接基團偶氮苯還原斷裂，該納米診療體系降解為HC和HO，實現了腫瘤靶向熒光成像指引的化療－光動力協同治療。

乏氧響應策略雖展現出較好的腫瘤精準治療的應用前景，但乏氧環境一般存在于深層腫瘤組織［21－22］，因此限制了此類響應型診療劑的廣泛應用。如何增強診療體系的腫瘤組織穿透能力和乏氧敏感性是待解決的難題。

3 氧化還原響應型

內源性氧化還原物種通過形成一個復雜的抗氧化防御系統來調節氧化還原平衡，影響細胞生長、增殖以及凋亡等多階段。其中，過氧化氫（H2O2）和GSH是最具代表性的內源性氧化還原物質，已被作為有效的“調節因子”和“靶點”用于氧化還原響應型腫瘤診療平臺的構建［26］。

H2O2響應型診療平臺的設計策略可分為以下3類［26－28］：①提高氧氣（O2）依賴型治療模式的治療效率。內源性的H2O2可在過氧化氫酶的作用下催化分解原位生成O2，從而緩解腫瘤微環境的乏氧狀態，增強O2依賴型治療策略（如光動力療法、聲動力療法等）的療效。②產生其他活性較高的活性氧或活性氮等，造成腫瘤細胞氧化損傷。H2O2可通過芬頓或類芬頓反應轉化為羥基自由基等，導致脂質過氧化，DNA和蛋白質損傷。③含有H2O2敏感的化學鍵的反應型納米平臺。具有過氧化氫酶模擬活性的納米材料已廣泛應用于催化內源性H2O2原位自補給O2，如二氧化錳、氧化鈰、金屬有機框架、鈀納米顆粒等。

腫瘤微環境中過高含量GSH為氧化還原響應診療平臺設計提供了又一靶點［29－30］。GSH響應型診療平臺的設計策略主要是將GSH可裂解基團（如S－S、Se－Se、C－Se、Au－S等）插入到診療探針或載體的結構骨架中。值得注意的是，GSH可消耗H2O2催化氧化產生的活性氧（ROS）等，進而降低療效。因此，增加ROS水平的同時耗盡GSH，最大程度地擴增腫瘤氧化應激是最具前景的設計策略［26，31］。

H2O2和GSH在腫瘤組織不同部位存在濃度差異以及H2O2隨治療過程耗竭等問題制約了氧化還原響應型診療體系的深入發展［26，31］。

4 酶響應型

酶活性失調和異常表達與許多疾病的發生息息相關。腫瘤組織較正常組織過表達一些特定的酶（如金屬基質蛋白酶、組蛋白酶B、磷脂酶以及透明質酸酶等）［32－33］。以過表達的內源性酶為生物觸發器，構建酶響應型精準診療平臺，已成為近年來的研究熱點［34－36］。酶響應型診療平臺的設計原則主要是依賴于酶對其底物的高選擇性和水解特性。將酶特異性底物作為橋聯基團、載體或門控開關等構建智能診療體系，在高濃度酶作用下酶底物被水解切斷，診療體系發生偶聯鍵斷裂或解組裝等進而使結構和性質發生改變，實現腫瘤特異性診治。Wang等［33］設計了腫瘤細胞內酯酶響應型納米載藥系統。該智能載藥系統在血液循環過程中保持穩定，在富含酯酶的腫瘤微環境下高效釋放7-乙基-10-羥基喜樹堿，顯著提升了該藥物在腫瘤內的蓄積。

酶響應型診療體系具有良好的靈敏性和特異性，但在不同腫瘤或同種腫瘤的不同發展時期，過表達酶的種類和水平存在較大差異。同種酶亦存在不同亞型，同一家族酶的底物也存在類似性［34，36］。因此，需要發現更優的腫瘤特異性酶，設計更為巧妙的響應型策略以提高診療的準確性和靈敏性。

5 雙/多刺激響應型

基于內源性刺激響應的智能診療平臺展現了良好的應用前景，但如上所述，單一刺激響應策略存在一些不足，限制了其進一步應用和發展。為此，雙刺激/多刺激響應策略應運而生，并逐漸成為內源性刺激響應型診療平臺的研究熱點和發展趨勢［37－40］。Fu等［31］開發了一種具有產生H2O2及清除GSH功能的納米催化診療劑，實現了pH、H2O2、GSH和葡萄糖氧化酶（GOx）等多因素調控的饑餓/化學動力學/化療協同治療（圖4）。采用仿生礦化的方法，以聚乙二醇修飾的GOx（PEG－GOx）為模板制備了銅離子摻雜的磷酸鈣納米粒子（PGC），進一步裝載抗癌藥阿霉素（DOX）制得PGC－DOX。腫瘤的弱酸性微環境誘導磷酸鈣殼層降解釋放出GOx、Cu2+及DOX。GOx催化腫瘤內葡萄糖產生H2O2，消耗腫瘤內營養物質葡萄糖，實現饑餓治療的同時為后續的類芬頓反應提供了原料。Cu2+與GSH反應的還原產物Cu+通過類芬頓反應將H2O2轉化成強毒性的·OH，實現化學動力學治療。同時，Cu2+與GSH之間的氧化還原反應還可清除GSH，以避免其消耗活性氧等物質，進一步增強化學動力學療效。

圖4 診療平臺PGC－DOX制備及多刺激介導的饑餓/化學動力學/化療協同治療示意圖［31］Fig.4 Illustration of the preparation process and therapeutic mechanism of PGC－DOX theranostics platform for multi-stimuli mediated starvation/chemodynamic/chemotherapy cooperative therapy［31］

不同刺激響應策略巧妙融合構建的雙刺激/多刺激響應型診療體系展現出更智能、更全面的療效。但復雜的制備流程，不同組分間的交叉影響以及復合材料的生物安全性等問題給該類診療劑的應用和臨床轉化帶來了更多困擾。

6 結論與展望

腫瘤微環境較正常組織的顯著差異為腫瘤精準診療平臺的構建及研發提供了廣闊空間和替代靶點。目前，大量微環境響應型診療平臺已被開發。然而，現有微環境響應型診療研究大多停留于基礎研究和起步階段，復雜的制備流程，復合材料的穩定性及生物安全性等極大地限制了該類診療劑的進一步發展。因此，設計構建組分簡單、制備工藝簡便、易于放大生產、穩定性和安全性良好的多重響應型智能診療平臺，將更具研究及應用價值。此外，將內源性刺激響應策略與外源性刺激（如光、磁、聲等）巧妙結合，設計更智能、更精準、更靈敏的診療平臺，亦具有較好的應用前景。