基于化學動力學療法的聯合治療在腫瘤中的研究進展

康瑞芳，田啟威，2，楊仕平*

（1.上海師范大學化學與材料科學學院，上海 200234；2.上海健康醫學院上海市分子影像學重點實驗室，上海 201318）

0 引言

目前，癌癥是全球第二大死因，嚴重威脅了人類的生命和健康［1］.由于腫瘤獨特的病理生理學特征和可預測的耐藥性，常規的癌癥療法，如化學療法（CT）、放射療法和免疫療法在徹底根除腫瘤細胞方面并不成功［2］.因此，需要開發不同的策略，以改進這些傳統的治療方法，提高治療的效率，還可以減少治療的副作用［3］.

化學動力學療法（CDT）是一種新興的治療方法，通過腫瘤微環境（TME）激活的芬頓或類芬頓反應，將內源性過氧化氫（H2O2）轉化為羥基自由基（·OH），以殺死癌細胞.它不僅突破了光觸發療法的穿透深度不夠深的缺點，而且還提供了將化學方法與癌癥治療聯系起來的更多可能性［4］.由于體內溫和的酸性pH值、低H2O2含量，以及TME中過表達的還原物質嚴重抑制了CDT效率，近幾年基于CDT的聯合治療策略得到了廣泛的發展.以CDT為基礎的聯合治療是指CDT協同其他癌癥治療方法，例如光熱療法（PTT）、CT、聲動力療法（SDT）、饑餓療法和光動力療法（PDT），產生抗癌作用.這種聯合療法可以降低個體藥物相關毒性，顯著提高治療效率［5］.本文作者首先介紹了TME，然后提出CDT所面臨的問題，接著再介紹基于CDT的聯合治療策略.

1 TME

腫瘤的發生是一個復雜而動態的過程，涉及不同的細胞和非細胞元素組成的TME［6］.TME由癌細胞和非癌細胞、細胞外基質、可溶性因子和血管形成.細胞、基質、可溶性因子和血管之間的相互作用產生了這種復雜的異質微環境.TME在代謝上對腫瘤生長可能有益或無益，對腫瘤細胞產生的有效免疫反應也可能有利或不利，甚至可能有利于劫持免疫系統以促進腫瘤生長的條件［7］.

TME組成復雜、性質獨特，與腫瘤細胞的生長、侵襲和轉移密切相關.TME具有特殊的生理特征，例如缺氧，谷胱甘肽（GSH）和H2O2的過度表達，以及溫和的酸性.改變TME的氧化還原平衡和增加氧化應激可以相應地提高腫瘤治療的功效［8］.

2 CDT

ZHANG等［9］于2016年首次提出CDT是一種新的癌癥治療策略，定義為使用芬頓或類芬頓反應在腫瘤區域產生·OH的治療.如圖1所示，合成了一種非晶態鐵納米粒子（AFeNPs），利用TME中溫和的酸性和過量產生的H2O2，AFeNPs可通過在腫瘤中誘導芬頓反應來用于癌癥治療.AFeNPs的電離使腫瘤按需釋放亞鐵離子，隨后H2O2歧化導致高效的·OH生成.在AFeNPs存在的情況下，內源性反應刺激了·OH的產生，使高度特異性的癌癥治療成為可能，而不需要外部能量的輸入.CDT由TME中的內源性化學能觸發，與其他治療方式相比，CDT具有腫瘤特異性、選擇性高、全身副作用少、無需外部刺激等顯著優勢.然而，溫和的酸性pH值、低H2O2含量，以及TME中過表達的還原物質嚴重抑制CDT效率［10］，這些局限性使單純的CDT難以完全消除惡性腫瘤.

圖1 AFeNPs的作用機理圖

3 基于CDT的聯合治療

雖然已經提出了各種策略來改善CDT的性能，比如降低TME的pH值，減少GSH的水平，增加H2O2的水平［11-13］，但其局限性仍然很難達到令人滿意的治療效果，因此CDT目前仍是一種輔助治療.CDT與其他治療方法聯合使用可產生明顯的協同作用，增強CDT的殺傷作用，減少CDT藥物的副作用.目前，CDT/PTT、CDT/PDT、CDT/CT、CDT/饑餓療法和CDT/SDT等多種腫瘤聯合治療方法被廣泛報道，取得了滿意的治療效果［5］.

3.1 CDT/PTT

PTT是一種有效的腫瘤消融治療方法，是在近紅外（NIR）激光照射下，利用光熱劑產生熱療，熱療不僅能對癌細胞造成損傷，還能通過加速類芬頓反應促進活性氧（ROS）的產生，從而實現CDT/PTT協同作用［14］.因此，開發具有光熱效應的CDT試劑具有十分重要的意義.LIU等［15］提出了一種容易合成的碳化鉬（Mo2C）衍生的多金屬氧酸鹽（POM）作為PTT/CDT雙試劑，如圖2所示.獲得的POM簇在溫和的酸度下自組裝，導致近紅外二區（NIR-Ⅱ）吸收增強（1 060 nm），并通過增強的通透性和保留效應（EPR）在腫瘤中積累.與常用的近紅外一區（NIR-Ⅰ）（808 nm）相比，NIR-Ⅱ為深部腫瘤治療提供了更好的組織穿透性.值得注意的是，當五價鉬（Mo5+）氧化為六價鉬（Mo6+）Mo6+，導致大量有毒的單線態氧（1O2）的產生，這可能是Russell機制的作用.此外，CDT過程通過光熱轉換加強，并由GSH耗竭維持.在體內NIR-Ⅱ光聲成像的引導下，PTT/CDT聯合治療在腫瘤切除和預防腫瘤復發方面具有良好的療效.

圖2 POM納米粒子的制備和作用機理

基于此，CDT與PTT結合可以產生顯著的協同作用，這可能是由于溫度的升高提高了芬頓/類芬頓反應的催化效率，從而提高了對惡性腫瘤的治療效果.

3.2 CDT/PDT

PDT利用光敏劑將光的能量傳遞給周圍的分子氧（O2），產生有毒的ROS，特別是1O2，導致細胞膜通透性增加，進而干擾細胞的正常功能.但由于腫瘤組織缺氧和光穿透受限，PDT在一定程度上表現出治療不足.因此，將PDT與CDT結合起來是非常有必要的［16-18］.CDT可以將腫瘤內源性H2O2轉化為毒性·OH，摧毀腫瘤細胞，從而在一定程度上彌補了PDT依賴O2的局限性.

LEI等［19］報告了一種結合PDT/CDT的卟啉-二茂鐵（TNCF）治療劑，如圖3所示.根據芬頓反應，二茂鐵（FC）與H2O2反應生成·OH，可以有效殺傷腫瘤細胞.然而，腫瘤細胞內的GSH會消耗·OH，從而抑制CDT.此外，5-（4-氨基苯基）-10，15，20-三苯基卟啉（TPP-NH2）的PDT產生的1O2會降低GSH的水平，顯示出協同治療的效果.獲得的TNCF可被細胞很好地內化，并在體內消耗GSH，從而提高CDT的有效性.

圖3 TNCF在癌癥治療中的（A）制備和（B）作用機理圖

3.3 CDT/CT

CT是癌癥治療中最廣泛使用的方法之一［20］.然而，CT對人體的潛在毒副作用仍然不容忽視［21］.CDT與CT聯合使用具有顯著的協同作用，不僅可以減少藥物的副作用，而且可以緩解腫瘤缺氧環境，提高CDT效率［22］.GAO等［23］設計了一種鈷基金屬-有機框架（ZIF-67）內負載阿霉素（DOX）和過氧化鈣（CaO2）的納米催化藥物（CaO2@DOX@ZIF-67），其合成過程和在腫瘤細胞中增強聯合CDT/CT的示意圖如圖4所示.首先用PEG-200作為溶劑和模板制備氧化鈣納米顆粒.然后通過DOX與Ca的配位作用將DOX包覆在CaO2表面形成CaO2@DOX.為了進一步隔離和保護CaO2@DOX免受外界水的影響，最后采用原位合成方法在CaO2@DOX表面構建了ZIF-67.這就產生了pH響應納米催化藥物CaO2@DOX@ZIF-67.最外層的ZIF-67層由于其對pH的敏感性，在腫瘤的酸性環境中會被分解，導致Co2+和DOX的快速釋放。同時，未受保護的CaO2會與水反應生成O2和H2O2.生成的H2O2會被Co2+離子進一步催化，通過類芬頓反應產生劇毒的·OH，而生成的O2會通過緩解腫瘤缺氧條件來提高DOX的功效.因此，該納米催化藥物為提高CT/CDT聯合治療的有效性提供了一種新的策略.

圖4 CaO2@DOX@ZIF-67合成過程和在腫瘤細胞中增強聯合CDT/CT的示意圖

因此，CDT與CT聯合使用具有顯著的協同作用，可實現滿意的治療效果，具有廣闊的應用前景.

3.4 CDT/SDT

SDT利用超聲（US）激活聲敏劑產生毒性ROS［24］，作為一種無創治療方式，在疾病治療中顯示了巨大的潛力［25］.超聲作為一種典型的無創輻射源，由于其組織衰減系數低，可以穿透到身體組織的深處，能量損失不明顯［26］.更重要的是，它僅能在其焦點處激活聲敏劑，具有較高的空間精度，從而保證了SDT即使在治療深部組織腫瘤時的生物安全性［27］.因此，SDT與CDT聯合應用可產生明顯的協同作用，提高深部腫瘤的治療效率.

LEI等［28］采用高溫方法制備了一種新型的聲敏劑——摻鐵（Fe）的二硫化釩（VS2）納米片，用于增強聲動力治療癌癥，如圖5所示.經聚乙二醇（PEG）修飾后，得到的Fe-VS2-PEG納米片（Fe-VS2-PEG NSs），其具有良好的生物相容性.由于電子-空穴再結合時間的延長，Fe-VS2-PEG NSs的聲動力效應大大增強.由于Fe的摻雜，這種Fe-VS2-PEG NSs同時具有良好的芬頓效應作用于CDT.此外，多價鐵和釩元素可以通過SDT和CDT有效地消耗GSH來擴增ROS誘導的氧化應激.由于VS2具有高的近紅外吸收和Fe摻雜誘導的磁共振（MR）對比，因此體內光聲（PA）/MR多模態成像可以顯示靜脈注射后Fe-VS2-PEG NSs的腫瘤聚集.Fe-VS2-PEG NSs作為一種有效的聲敏劑，具有良好的芬頓催化性能和較強的GSH消耗功能，可用于CDT/SDT聯合治療，在體外細胞實驗和體內動物實驗中均顯示出良好的療效。值得一提的是，大部分的Fe-VS2-PEG NSs可以逐漸降解并從體內清除，在體內沒有明顯的長期毒性.

圖5 Fe-VS2-PEG NSs合成及在腫瘤聯合治療中的生物應用示意圖

3.5 CDT/饑餓療法

腫瘤組織的過度生長離不開葡萄糖、氧氣等大量營養物質所提供的能量.因此，切斷這種連接是限制癌細胞持續增殖的有效手段，這種治療稱為細胞饑餓治療［29］.D-葡萄糖是正常細胞和癌細胞最重要的能量來源之一，Warburg效應已經證明腫瘤細胞對其濃度的變化更為敏感.近年來的研究表明，通過葡萄糖氧化酶（Gox）消耗或切斷D-葡萄糖的供應是一種較為有效的細胞饑餓治療實現方法.Gox催化葡萄糖生成H2O2和葡萄糖酸，可用于加速芬頓反應進程［30］.此外，腫瘤中葡萄糖水平的升高有助于增加H2O2的選擇性生成，從而減少對正常組織的非特異性氧化損傷［31］.值得注意的是，Gox和芬頓反應的完美結合成為一種很有前途的抗腫瘤策略，用于葡萄糖引發的饑餓治療和CDT.

WANG等［32］通過共沉淀法將Gox封裝在金屬有機骨架材料ZIF-8中，ZIF-8為配位金屬是Zn，配體是2-甲基咪唑的金屬有機骨架材料，然后在其表面裝飾二氧化錳（MnO2）納米顆粒，如圖6所示.為了進一步增強材料的生物性能，選擇表面活性劑F127對材料表面進行改性，生成F127-MnO2-ZIF-8@Gox納米復合材料.在腫瘤細胞中，MnO2納米粒子首先與過表達的GSH反應生成二價錳離子（Mn2+），Mn2+引發類芬頓反應，催化H2O2生成·OH.同時，Gox能降解腫瘤細胞必需的營養物質D-葡萄糖，釋放·OH的前體——H2O2和葡萄糖酸，導致癌細胞饑餓.體外實驗測量進一步證明了MnO2修飾的ZIF-8@Gox具有顯著的殺傷癌細胞的性能.將饑餓治療與CDT結合，不僅切斷了癌細胞的能量來源，而且在饑餓治療過程中降低pH值，產生H2O2，有利于CDT，從而產生顯著的協同效應.

圖6 F127-MnO2-ZIF-8@Gox納米復合材料的制備及該材料在細胞內實現增強CDT和細胞饑餓治療過程的示意圖

4 結論與展望

傳統的癌癥治療技術（如化學治療）有很大的副作用，容易導致耐藥性的出現，使癌癥治療失敗.因此，探索和開發更有效、更簡單的癌癥治療方法具有非常重要的研究意義和臨床價值.CDT作為一種基于芬頓/類芬頓反應的新型腫瘤特異性治療技術，具有高特異性和敏感性的臨床轉化潛力，引起了研究者們的廣泛關注.本文作者系統總結了CDT/PTT、CDT/PDT、CDT/CT、CDT/饑餓治療和CDT/SDT等多種抗腫瘤協同治療策略，從而減少相關副作用，顯著提高療效.CDT納米材料在不同生物醫學領域的應用研究表明，這些納米材料具有廣闊的應用前景，并能進一步推動基于CDT的生物醫學的臨床轉化.