人工納米材料在膀胱癌診療中的研究進(jìn)展

朱建強(qiáng)，鄭志文，付青峰，柳樂(lè)意 綜述，張志宏，徐勇 審校

（天津醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院泌尿外科，天津市泌尿外科研究所，天津 300211）

人工納米材料（engineered nanomaterials，ENMs）因其獨(dú)特的理化性質(zhì)和良好的生物相容性，已在生物成像、藥物靶向遞送和組織工程等領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用[1]。尤其在惡性腫瘤診療領(lǐng)域，ENMs 的應(yīng)用有效彌補(bǔ)了臨床常規(guī)診療手段的局限性，已成為實(shí)現(xiàn)惡性腫瘤早期診斷、藥物增敏、組織靶向和協(xié)同治療等目標(biāo)的理想工具[2]。膀胱癌作為泌尿系統(tǒng)常見的惡性腫瘤，ENMs 在提高其早期精準(zhǔn)化診斷和治療效果等方面做出了諸多積極探索。本文將對(duì)近年來(lái)ENMs 在膀胱癌診療中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 ENMs 在膀胱癌診斷中的研究進(jìn)展

目前，膀胱癌主要依靠尿液細(xì)胞學(xué)、膀胱鏡檢及影像學(xué)檢查等傳統(tǒng)診斷技術(shù)進(jìn)行臨床診斷[3]，但是傳統(tǒng)技術(shù)方法在疾病早期診斷的敏感性和特異性上仍存在明顯的局限。近年來(lái)，研究者設(shè)計(jì)合成的多種類型ENMs 與傳統(tǒng)診斷技術(shù)相結(jié)合，顯著提高膀胱癌早期診斷的敏感性和特異性。

1.1 ENMs 與尿液學(xué)檢查 尿液細(xì)胞學(xué)檢查作為一種非侵入性檢查方法被廣泛應(yīng)用于膀胱癌的早期臨床診斷，特異性高達(dá)95%，但敏感性僅為37%，致使其對(duì)膀胱癌的早期診斷率較低[3]。為此，多種具有診斷價(jià)值的新型尿液生物學(xué)標(biāo)志物不斷被發(fā)現(xiàn)，并借助納米技術(shù)來(lái)提高其在膀胱癌早期診斷中的特異性和敏感性。上皮細(xì)胞發(fā)生惡性轉(zhuǎn)化的過(guò)程中激活的蛋白酶會(huì)將細(xì)胞角蛋白水解成片段，尿液中的細(xì)胞角蛋白19 片段Cyfra21-1 含量被證實(shí)與膀胱癌的發(fā)生呈正相關(guān)，為簡(jiǎn)化其檢測(cè)方法并提高檢測(cè)的靈敏度，Lei 等[4]利用銪螯合微粒為標(biāo)記物，在常規(guī)免疫夾心法的基礎(chǔ)上，研制了一種快速定量檢測(cè)尿Cyfra21-1 的新型熒光納米球免疫層析試紙條，對(duì)膀胱癌診斷的敏感性和特異性分別達(dá)到了92.86%和100%，為膀胱癌的診斷和術(shù)后隨訪監(jiān)測(cè)提供了一種快速、靈敏、可靠的方法。Survivin 蛋白是腫瘤凋亡抑制特異性蛋白家族成員，在膀胱癌細(xì)胞中高表達(dá)，可作為膀胱癌液體活檢指標(biāo)。相較于傳統(tǒng)ELISA 技術(shù)，基于局域表面等離子體共振合成的抗Survivin 金納米顆粒，可作為一種快速、準(zhǔn)確、廉價(jià)的診斷工具，能明顯提高低級(jí)別腫瘤患者尿液中Survivin 蛋白的檢出率，在膀胱癌的早期診斷中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[5]。端粒酶是一種重要的核糖核酸-蛋白復(fù)合物，高活性的端粒酶賦予了腫瘤細(xì)胞永生化的復(fù)制能力，是腫瘤生物學(xué)標(biāo)志物之一。Zou 等[6]利用金納米顆粒探針的直徑變化，建立了一種靈敏的催化發(fā)夾組裝動(dòng)態(tài)光散射端粒酶活性檢測(cè)方法，成功應(yīng)用于尿液樣本端粒酶活性檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了膀胱癌患者與健康人群以及其他惡性腫瘤患者間的有效區(qū)分。透明質(zhì)酸酶是消化細(xì)胞外基質(zhì)的糖苷酶，也是膀胱癌的一種尿液生物學(xué)標(biāo)志物。Nossier 等[7]開發(fā)了一種簡(jiǎn)單的金納米顆粒比色分析法，用于快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)尿透明質(zhì)酸酶活性，可將傳統(tǒng)酶譜分析的敏感性從65%提升至82.5%；此外，Yang 等[8]將表面增強(qiáng)拉曼光譜與4-氨基硫酚修飾的空心金銀納米顆粒結(jié)合，耦聯(lián)表皮生長(zhǎng)因子受體（EGFR）抗體、轉(zhuǎn)鐵蛋白、4-羧基苯基硼酸、葉酸和透明質(zhì)酸分子，構(gòu)建了一種新的膀胱癌細(xì)胞膜受體篩選平臺(tái)，通過(guò)在近紅外光（near infrared，NIR）激發(fā)下檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度差異實(shí)現(xiàn)了不同級(jí)別膀胱癌細(xì)胞和正常膀胱上皮細(xì)胞系的區(qū)分。

1.2 ENMs 與膀胱鏡檢查 膀胱鏡是膀胱癌診斷和隨訪檢測(cè)最重要的工具，但是對(duì)于原位癌或微小病灶的早期識(shí)別存在顯著的不足。為提高非肌層浸潤(rùn)性膀胱癌（non-muscle invasive bladder cancer，NMIBC）的檢出率，研究者利用表面增強(qiáng)拉曼納米顆粒與膀胱癌細(xì)胞特異性生物標(biāo)志分子CD47 和CA9 結(jié)合，通過(guò)內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)膀胱正常組織和腫瘤組織的準(zhǔn)確區(qū)分，同時(shí)可指導(dǎo)經(jīng)尿道膀胱腫瘤電切術(shù)的腫瘤切除范圍[9]。此外，一種由5-氨基乙酰丙酸聚合物構(gòu)建的樹枝狀納米材料被作為熒光劑用于膀胱癌的熒光診斷，相較于傳統(tǒng)的熒光膀胱鏡所使用的熒光劑，能夠明顯提高其對(duì)腫瘤的靶向性和滲透性，且擁有更長(zhǎng)的熒光衰減周期和更好的組織對(duì)比度[10]。

1.3 ENMs 與影像學(xué)和病理學(xué)診斷 MRI 被廣泛用于膀胱癌的診斷中，但其對(duì)患者淋巴結(jié)分期的準(zhǔn)確性有限，將小尺寸超順磁性氧化鐵納米顆粒作為MRI 造影劑與彌散加權(quán)成像聯(lián)合應(yīng)用，可提高正常體積淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移診斷的敏感性和特異性[11]。Ding 等[12]進(jìn)一步利用FITC 標(biāo)記的膀胱癌特異性細(xì)胞穿透肽對(duì)超順磁性氧化鐵納米顆粒表面進(jìn)行修飾，設(shè)計(jì)合成的靶向性MRI 成像造影劑可被膀胱癌細(xì)胞高效攝取，具有較好的穩(wěn)定性和弛豫效率。基于ENMs構(gòu)建的多模態(tài)成像技術(shù)在膀胱癌的診斷中的應(yīng)用價(jià)值也展現(xiàn)出較大的應(yīng)用潛力。例如：利用具有特殊掃描對(duì)比特性的介孔二氧化硅和熒光分子TRITC 標(biāo)記的氧化釓合成的納米材料復(fù)合體，可實(shí)現(xiàn)腫瘤組織MRI 和熒光同時(shí)成像，能夠高效地區(qū)分膀胱癌原位腫瘤模型中的腫瘤組織與正常組織[13]。此外，ENMs 的應(yīng)用加速了膀胱癌組織學(xué)快速診斷技術(shù)的發(fā)展。Liu 等[14]利用RGD 肽特異性結(jié)合整合素αvβ3 設(shè)計(jì)了一種靶向膀胱癌細(xì)胞的硒納米熒光劑，通過(guò)組織標(biāo)本熒光染色差異區(qū)分膀胱正常組織和腫瘤組織，并可判斷膀胱癌的不同病理分級(jí)，為膀胱癌臨床診療決策提供指導(dǎo)。

2 ENMs 在膀胱癌治療中的研究進(jìn)展

傳統(tǒng)的腫瘤治療方式在腫瘤治療的有效性，尤其晚期腫瘤治療方面仍面臨諸多瓶頸性問(wèn)題，隨著對(duì)腫瘤生物學(xué)的進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和納米技術(shù)的不斷發(fā)展，ENMs 為膀胱癌等惡性腫瘤的治療提供了新的技術(shù)手段。

2.1 ENMs 與手術(shù)治療 經(jīng)尿道膀胱腫瘤電切術(shù)是NMIBC 的標(biāo)準(zhǔn)治療方式，但術(shù)中存在早期癌變組織無(wú)法肉眼識(shí)別而導(dǎo)致腫瘤切除不徹底的問(wèn)題。上轉(zhuǎn)換納米顆粒獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)深度生物組織的光學(xué)成像，耦聯(lián)Glypican-1 抗體的上轉(zhuǎn)換納米顆粒，可特異性吸附在高表達(dá)Glypican-1 的膀胱癌細(xì)胞上，利用NIR 激發(fā)后發(fā)出可見光，在引導(dǎo)膀胱癌組織手術(shù)切除中有著較高的應(yīng)用價(jià)值[15]。

2.2 ENMs 與藥物治療 腫瘤的藥物治療包括化療、靶向治療、免疫治療和基因治療等，但因耐藥、不良反應(yīng)和非靶向性分布等問(wèn)題限制了其治療效果和患者的耐受性。近年來(lái)，眾多類型ENMs 被設(shè)計(jì)用來(lái)提高抗腫瘤藥物的治療效果。納米給藥系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種藥物或多種治療方式的聯(lián)合應(yīng)用以及藥物靶向富集等，在克服腫瘤細(xì)胞耐藥以及減少藥物不良反應(yīng)方面展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

2.2.1 ENMs與膀胱內(nèi)化療藥物灌注治療 膀胱內(nèi)化療藥物灌注治療是NMIBC 經(jīng)尿道電切術(shù)后的標(biāo)準(zhǔn)治療方案。為提高灌注效果并減少不良反應(yīng)，多種ENMs 被開發(fā)并用于膀胱灌注治療中。例如：特定理化性質(zhì)的銀納米顆粒和金納米顆粒，可通過(guò)損傷DNA 誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡并抑制膀胱癌細(xì)胞的增殖和遷移能力，在NMIBC 的灌注治療中展現(xiàn)出較好的抗腫瘤效果[16]。氫氣可有效減輕多種疾病相關(guān)的氧化應(yīng)激反應(yīng)水平，Sun 等[17]利用氟化殼聚糖、吉西他濱和產(chǎn)氫催化劑自組裝形成了光活化氫氣納米發(fā)生器，該納米藥物復(fù)合體經(jīng)膀胱灌注后被證明具有良好的腫瘤細(xì)胞穿透能力，經(jīng)660 nm 激光照射后可高效產(chǎn)生氫氣，通過(guò)抑制腫瘤細(xì)胞線粒體ATP 合成以及削弱P-gp 的外排功能而增加腫瘤細(xì)胞的藥物敏感性，為膀胱癌的治療提供了一種有效的氫化療策略。順鉑對(duì)膀胱癌的殺傷效果顯著，但因較嚴(yán)重的不良反應(yīng)限制了其在NMIBC 膀胱灌注治療中的應(yīng)用。研究者將聚天冬氨酸鈉鹽與順鉑混合后自組裝形成的納米顆粒，經(jīng)小鼠膀胱灌注證實(shí)其能夠顯著抑制膀胱癌細(xì)胞增殖及肌層浸潤(rùn)，并減輕順鉑的不良反應(yīng)，為順鉑用于膀胱灌注治療提供了可能[18]。由于膀胱黏膜自身的生物屏障作用以及抗癌藥物較高的排泄速率，使得常規(guī)的膀胱藥物灌注治療效果不理想，腫瘤復(fù)發(fā)率高達(dá)40%左右[3]。因此，提高膀胱灌注藥物的腫瘤細(xì)胞黏附和滲透能力，有助于改善NMIBC 患者的預(yù)后。Hortel?o 等[19]基于脲酶驅(qū)動(dòng)的介孔二氧化硅構(gòu)建納米馬達(dá)，對(duì)其表面進(jìn)行聚乙二醇修飾后裝載膀胱癌特異性FGFR3 抗體，以尿液中高濃度的尿素為燃料底物，可將納米馬達(dá)以三維球體的形式靶向至膀胱癌細(xì)胞并被高效內(nèi)化，進(jìn)一步通過(guò)分解尿素增加局部氨的濃度實(shí)現(xiàn)對(duì)膀胱癌細(xì)胞增殖的靶向抑制。藤黃酸是一種具有抗腫瘤作用的植物提取劑，Xu 等[20]基于帶正電的殼聚糖開發(fā)了一種新型谷胱甘肽響應(yīng)性納米藥物遞送系統(tǒng)，利用膀胱癌細(xì)胞和正常膀胱上皮細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽和活性氧簇（ROS）水平的差異來(lái)選擇性激活并釋放藤黃酸前藥，提高藥物對(duì)膀胱黏膜的黏附和滲透能力，能有效抑制膀胱癌細(xì)胞增殖，且對(duì)正常上皮細(xì)胞無(wú)明顯損傷。此外，裝載阿霉素的介孔二氧化硅納米顆粒可在酸性環(huán)境中實(shí)現(xiàn)藥物的緩釋，在膀胱癌灌注治療中具有較好的應(yīng)用潛力[21]。

2.2.2 ENMs 與免疫治療 卡介苗是膀胱癌經(jīng)尿道電切術(shù)后常用的局部免疫治療藥物，其細(xì)胞壁成份是主要免疫活性劑，但因分散性差而限制了其在腫瘤治療中的療效。Whang 等[22]將其制備成尺寸為180 nm 的納米顆粒，并利用脂質(zhì)體包裹的方式增加其分散性，從而能被膀胱癌細(xì)胞高效內(nèi)化，進(jìn)一步通過(guò)哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）通路抑制腫瘤細(xì)胞增殖、促進(jìn)凋亡，該方法為卡介苗膀胱灌注治療提供了一種新的思路。結(jié)核分枝桿菌感染的風(fēng)險(xiǎn)以及全球供應(yīng)鏈中斷限制了卡介苗在膀胱癌治療中的應(yīng)用，Samaddar 等[23]將纖維連接蛋白靶向序列和免疫佐劑CpG 寡脫氧核苷酸裝載至脂質(zhì)納米顆粒載體中，該納米顆粒可特異性吸附至能分泌纖維連接蛋白的膀胱癌相關(guān)巨噬細(xì)胞，提高共刺激分子CD83、CD86 和MHCⅡ的表達(dá)水平，同時(shí)也可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞分泌更高水平的腫瘤壞死因子（TNF）-α，產(chǎn)生最大限度的免疫治療反應(yīng)，這種高效、低風(fēng)險(xiǎn)、易制造的免疫治療策略有希望代替卡介苗。

2.2.3 ENMs 與新型抗腫瘤療法 基因治療是膀胱癌的一種新型治療方法，安全有效的靶向基因傳遞系統(tǒng)可顯著提高其治療效果。Liang 等[24]利用膀胱癌細(xì)胞高表達(dá)的CD44 分子將其配體與殼聚糖以共價(jià)結(jié)合的方式合成納米顆粒，實(shí)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞靶向性，進(jìn)一步搭載對(duì)癌基因Bcl2 具有高度干擾能力的siRNA，用于膀胱癌的治療；該納米基因藥物投遞系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、封裝率高和細(xì)胞毒性低的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)配體-受體介導(dǎo)的靶向機(jī)制將治療性siRNA 導(dǎo)入膀胱癌細(xì)胞內(nèi)，高效干擾Bcl2 的表達(dá)從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)膀胱癌細(xì)胞的有效殺傷。

傳統(tǒng)的光動(dòng)力療法（photodynamic therapy，PDT）和光熱療法（photothermal therapy，PTT）為惡性腫瘤的治療提供了新的手段，但其療效尚不理想。近年來(lái)，利用ENMs 高比表面積和可修飾調(diào)控的特點(diǎn)開發(fā)出的新型納米光熱材料和納米光敏劑極大提高了惡性腫瘤PDT 和PTT 治療效果。Zeng 等[25]通過(guò)扭曲分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移和分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)促進(jìn)輻射發(fā)熱過(guò)程的原理設(shè)計(jì)了一種具有高光熱轉(zhuǎn)化效率的光熱納米劑，同時(shí)負(fù)載藤黃酸和RGD 肽，克服腫瘤細(xì)胞的耐熱性并且增加納米粒子的腫瘤積累，實(shí)現(xiàn)了肌層浸潤(rùn)性膀胱癌（muscle invasive bladder cancer，MIBC）的有效低溫光熱治療。腫瘤微環(huán)境（tumor microenvironment，TME）具有含氧量低、酸性pH 值和富含ROS 的特征。TME 的低氧狀態(tài)限制了PDT的應(yīng)用，Lin 等[26]利用二氧化錳、PDT 光敏劑二氫卟吩e6 和人血清白蛋白，制備了可產(chǎn)氧氣的納米顆粒，通過(guò)提高過(guò)氧化氫的催化效率增加膀胱癌組織內(nèi)氧氣含量，顯著增強(qiáng)了PDT 治療效果；此外，該納米藥物復(fù)合體可在酸性環(huán)境中分解并釋放Mn2+有助于腫瘤組織MRI 成像。PLZ4 是一種能與膀胱癌細(xì)胞膜上整合素αvβ3 特異性結(jié)合的環(huán)肽，Lin 等[27]制備的PLZ4 納米卟啉復(fù)合體，能夠在NIR 的照射下發(fā)射熒光、產(chǎn)熱并生成ROS，負(fù)載阿霉素可實(shí)現(xiàn)藥物的緩釋，集光動(dòng)力診斷、圖像引導(dǎo)PDT、PTT 和靶向化療于一體，這種PDT/PTT/化療三聯(lián)療法能夠顯著抑制荷瘤小鼠腫瘤增殖并延長(zhǎng)其生存時(shí)間，在膀胱癌的臨床治療中有著較好的轉(zhuǎn)化應(yīng)用潛力。

聲動(dòng)力療法是一種由超聲觸發(fā)的無(wú)創(chuàng)治療手段，可用于治療深部組織腫瘤。Li 等[28]利用高效、無(wú)毒的跨膜載體氟化殼聚糖與4-羧基苯基卟吩綴合過(guò)氧化氫酶進(jìn)行組裝用于膀胱癌的灌注治療；該納米顆粒具有良好的跨膜和腫瘤組織滲透能力，并能利用過(guò)氧化氫酶催化腫瘤內(nèi)源性過(guò)氧化氫生成氧氣，有效緩解腫瘤組織缺氧，進(jìn)而提高超聲下原位膀胱癌聲動(dòng)力消融療效。

鐵死亡是由脂質(zhì)過(guò)氧化物積累引發(fā)的一種細(xì)胞調(diào)節(jié)性死亡形式，研究表明，化療抵抗性腫瘤更容易受到鐵死亡的影響。Qi 等[29]利用透明質(zhì)酸包被的氧化鐵納米顆粒，通過(guò)靶向耐藥性膀胱癌細(xì)胞CD44 分子，增加腫瘤細(xì)胞內(nèi)不穩(wěn)定鐵池含量，從而誘導(dǎo)耐藥性膀胱癌的鐵死亡，為化療抵抗性膀胱癌提供了一種新的選擇。

2.2.4 ENMs 與多模式協(xié)同治療 靜脈化療是MIBC的有效治療方法，然而，膀胱癌細(xì)胞中高水平谷胱甘肽是導(dǎo)致化療耐藥的重要原因之一。Zhu 等[30]將阿霉素和NIR 熒光染料通過(guò)疏水作用與聚乙二醇和聚己內(nèi)酯共聚物自組裝形成膠束，進(jìn)一步在二硫蘇糖醇催化下合成納米顆粒；這種納米顆粒具有循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)、毒性低、易于被腫瘤細(xì)胞攝取等特點(diǎn)，膀胱癌細(xì)胞中高濃度谷胱甘肽可將納米顆粒中的二硫鍵還原為巰基，從而誘發(fā)納米顆粒中阿霉素釋放，NIR 染料激發(fā)后產(chǎn)生熱量，進(jìn)一步誘導(dǎo)藥物釋放，實(shí)現(xiàn)了對(duì)原發(fā)性膀胱癌及轉(zhuǎn)移癌的化療與PTT 協(xié)同治療，有效克服了膀胱癌的化療耐藥。Tan 等[31]構(gòu)建了由二氫卟吩e6 和紫杉醇前體藥物組成的聚合納米藥物NPs@Ce6，通過(guò)兩階段光照策略，實(shí)現(xiàn)了膀胱癌PDX 模型有效的光化學(xué)內(nèi)化和PDT 治療。藥物的非靶向性分布和腫瘤的多重耐藥是現(xiàn)有化療藥物面臨的共性問(wèn)題，Wei 等[32]開發(fā)的一種同源腫瘤細(xì)胞膜包裹的碳酸鈣納米顆粒運(yùn)載miR-451 和阿霉素，應(yīng)用于膀胱癌的治療，可顯著提高其腫瘤組織靶向能力，進(jìn)一步通過(guò)miR-451 降低多重耐藥相關(guān)蛋白P-gp 的表達(dá)水平，增強(qiáng)膀胱癌細(xì)胞的化療敏感性。異常的TME 可激活細(xì)胞自噬、促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖，自噬抑制劑的治療效果也可能被其干擾。Lin 等[33]將帶負(fù)電荷的二氧化錳與帶正電荷的氯喹裝載至人血清白蛋白納米顆粒中，在酸性條件下，該納米顆粒通過(guò)增加細(xì)胞對(duì)氯喹的攝取來(lái)恢復(fù)氯喹的自噬抑制活性，阻斷缺氧誘導(dǎo)的自噬通路；同時(shí)在體內(nèi)改善氯喹的藥代動(dòng)力學(xué)，實(shí)現(xiàn)腫瘤組織中藥物的有效積累，顯著降低腫瘤組織缺氧面積并提高其pH 值，對(duì)膀胱癌的自噬抑制作用明顯增強(qiáng)；并在膀胱癌的聯(lián)合放射治療中具有輻射增敏作用，獲得了良好的抗腫瘤效果。

3 結(jié)論與展望

ENMs 作為21 世紀(jì)公認(rèn)的最有發(fā)展前景的新型材料，其特殊的理化性質(zhì)在提高膀胱癌診斷效率，克服藥物治療的非靶向性分布，降低藥物的不良反應(yīng)，開發(fā)新的診療方式以及實(shí)現(xiàn)多模式協(xié)同診療等方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展和更多EMNs 的應(yīng)用轉(zhuǎn)化，EMNs 將會(huì)為膀胱癌等惡性腫瘤的精準(zhǔn)化診療帶來(lái)更多突破性的進(jìn)展。