全氟化碳納米乳在腫瘤診療中的研究進展*

劉 燦，陳沁穎，吳彥萍，涂家生，孫春萌

國家藥品監督管理局 藥物制劑及輔料研究與評價重點實驗室，中國藥科大學藥用輔料及仿創藥物研發評價中心,中國藥科大學 藥學院，南京210009

全氟化碳（perfluorocarbon，PFC）是分子結構中與碳原子連接的氫原子全部被氟原子所取代的一類有機化合物，常溫下為無色、無味、無毒的透明氣體或液體。醫學研究中常用的PFC 化合物碳原子數一般為5～12 個，其沸點隨著分子量的增加而升高[1]。1966 年，Clark LC等[2]首次報道了PFC 可以作為液體通氣的介質，具有良好的氧溶性。除此之外，PFC還具有優異的生物安全性和生物相容性、疏水性和疏脂性，在進入體內后不參與新陳代謝，不會對體內的組織和器官產生毒性，因此廣泛應用于醫學研究中[1]。然而PFC 與水不互溶，表面張力很小，直接靜脈注射極易栓塞，故常制成與人體血液pH、電解質濃度和滲透壓相似的納米乳[3]。

由于PFC 納米乳具有高攜氧性、循環時間長、性質穩定等優點，廣泛應用于腫瘤的診斷和治療中[3]。一方面，基于PFC 的高攜氧性，PFC 納米乳能向腫瘤環境遞送氧氣，緩解腫瘤微環境（tumor microenvironment，TME）的缺氧狀態，提高氧依賴性治療方式的療效[4]；另一方面，基于PFC 的相變性，PFC 納米乳可以構建相變納米液滴，在高能量的激發下發生氣態到液態的轉變，廣泛應用于超聲造影[5]和藥物遞送系統[6]。同時，PFC 納米乳的種類也影響著其性質和應用。本文系統地介紹了PFC 納米乳的種類及其在腫瘤診療中的應用，并提出了目前存在的問題及未來的研究方向。

1 PFC 納米乳的種類

PFC 納米乳由外殼和PFC 核心兩部分組成。常用的PFC 核心包括全氟丙烷（octafluoropropane，OFP）[7]、全氟丁烷（decafluorobutane，DFB）[7]、全氟戊烷（perfluoropentane，PFP）[8]、全氟己烷（perfluorohexane，PFH）[9]、全氟辛基溴（perfluorooctyl bromide，PFOB）[10]、全氟三丁胺（perfluorotributylamine，PFTBA）[11]等。目前，外殼材料的發展極大地豐富了PFC 納米乳在腫瘤診療領域的設計、合成和功能化策略[12]。根據外殼的組成，PFC 納米乳主要分為白蛋白PFC 納米乳、脂質PFC 納米乳、聚合物PFC 納米乳和其它PFC納米乳（表1）。

表1 PFC 納米乳常用的外殼組成及核心種類

1.1 白蛋白PFC 納米乳

臨床已證明白蛋白是一種安全的生物材料，廣泛應用于設計藥物遞送系統。作為藥物載體，白蛋白能夠避免藥物被血液清除，可減少抗腫瘤藥物所產生的不良反應。由于能夠穩定PFC，白蛋白是最早應用于制備PFC 納米乳的外殼材料之一[25]。白蛋白PFC 納米乳多以超聲乳化法制備，工藝簡單。目前，最廣泛應用于PFC 納米乳外殼材料的白蛋白包括牛血清白蛋白（bovine serum albumin，BSA）[13]、人血清白蛋白（human serum albumin，HSA）[11]以及變性BSA[9]。白蛋白外殼可以通過疏水相互作用負載藥物進行修飾。Ren H等[11]用超聲乳化法制備了人血清白蛋白全氟三丁胺納米乳，并在白蛋白表面負載光敏劑IR780（IR780@PFTBA@HSA），用于光動力治療（photodynamic therapy，PDT）。白蛋白外殼的表面也可以功能化修飾，用于增加體內長循環等。Ren H等[26]制備了紅細胞膜修飾的人血清白蛋白全氟三丁胺納米乳，該功能化的納米乳能夠實現免疫逃逸，減少非特異性細胞攝取，從而延長在體內的循環時間。

1.2 脂質PFC 納米乳

脂質PFC 納米乳通常由脂質作為外殼，負載PFC 或其他藥物作為核心。常用的脂質材料主要包括二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇2000（DSPE-PEG2000）、卵磷脂、膽固醇、二棕櫚酰磷脂酰膽 堿（1，2 -dipalmitoyl -sn -glycero -3 -phosphocholine，DPPC）、二油酰基卵磷脂（1，2-dioleoyl-snglycero-3-phosphocholine，DOPC）等[25]。與白蛋白外殼相比，脂質殼可以通過調節各組分的組成比例來調節殼的性質。Chattaraj R 等[14]使用不同比例的DPPC、DOPC 和膽固醇來制備PFC 納米乳用于超聲造影，研究發現，當使用40% DOPC、40% DPPC 和20%膽固醇混合物制備外殼時，其超聲對比度比單一DPPC 配方外殼的納米乳高十倍。脂質PFC 納米乳也可以在外殼表面進行結構修飾。Yarmoska SK等[27]研究發現增加聚乙二醇化脂質的摩爾百分比可降低PFC 納米乳的平均尺寸，提高血液循環半衰期，并提高乳腺癌小鼠模型中的超聲成像對比度。

1.3 聚合物PFC 納米乳

聚合物PFC 納米乳由外層聚合物材料和內部PFC 核心構成。與白蛋白PFC 納米乳和脂質PFC 納米乳相比，聚合物PFC 納米乳可將疏水性藥物通過物理包載或共價連接的方式共載于聚合物中，因此具有更高的載藥量[12]。目前應用于PFC 納米乳外殼的聚合物材料主要包括聚乳酸-羥基乙酸（polylactic acid-glycolic acid，PLGA）[16]、聚己內酯（polycaprolactone，PCL）[17]、聚乳酸（polylactic acid，PLA）[18]、聚乙烯亞胺（polyethyleneimine，PEI）[19]等。與脂質PFC納米乳相比，聚合物PFC 納米乳具有更高的穩定性和汽化閾值。Melich R等[16]使用不同材料作為外殼制備了PFC 納米乳，結果表明，與脂質（DPPC 及DSPE-PEG2000）PFC 納米乳相比，聚合物（PLGA）PFC納米乳表現出更好的穩定性，在4℃下儲存1 個月后尺寸和多分散性指數均無明顯變化。Cao Y等[28]研究發現，與脂質（DPPC、DPPG、DPPE 等）PFC 納米乳相比，聚合物（PLGA）PFC 納米乳由于聚合物殼的剛度，需要更高的超聲能量才能轉化成微泡。除此之外，由于聚合物結構具有多樣性，聚合物PFC 納米乳往往還具有其他特定的功能，如pH 敏感性。Zhang L等[29]以具有pH 敏感性的聚氨基酸聚合物為外殼，以PFP、五氟丁烷為核心，制備了包載多柔比星的納米乳。該納米乳在正常生理環境（pH 7.4）中可以維持小粒徑180 nm，到達腫瘤微酸性環境（pH 6.8）后，粒徑增加至437 nm。PFC 納米乳尺寸的增加導致其內部拉普拉斯壓力降低，降低了PFC汽化閾值，并且通過超聲或近紅外光的照射，PFC發生相變，從而實現超聲診斷。

1.4 其他PFC 納米乳

生物大分子如殼聚糖[20]、透明質酸[21]、聚多巴胺（polydopamine，PDA）[22，23]等和生物膜[24]也可以作為PFC 納米乳的外殼材料。基于PDA 良好的生物相容性、生物降解能力和光熱轉化能力，Zhu JJ等[23]分別以聚乙二醇化的PDA 和PFP 為外殼和核心制備納米乳（PFC-PDA-PEG）。在近紅外光照射下，PFCPDA-PEG 能有效地進行光熱轉化殺死腫瘤細胞，同時，PFP 核心從液態轉變為氣態，用于超聲成像。有研究直接使用生物膜作為PFC 納米乳外殼，Zhuang J等[24]制備了以紅細胞膜為外殼的PFC 納米乳，該納米乳的粒徑能夠在96 h 內基本保持無變化，具有良好的穩定性。

2 PFC 納米乳在腫瘤診療中的應用

近年來，基于PFC 納米乳的特殊性質，PFC 納米乳在腫瘤診療方面應用的研究越來越多。其應用主要包括兩個方面：①構建攜氧載體，向腫瘤環境遞送氧氣，緩解腫瘤環境缺氧，提高氧依賴性治療方式的療效；②構建相變納米液滴，在高能量的激發下發生氣態到液態的轉變，應用于腫瘤成像和藥物遞送系統的研究。

2.1 構建攜氧載體

缺氧是TME 的主要特征之一，腫瘤生長迅速使得腫瘤組織內血液需求量急劇增加，引起腫瘤內部血管紊亂及血供不足，無法為腫瘤細胞提供足夠的氧。在缺氧環境中，還會產生不良的腫瘤代謝物過氧化氫，該代謝物會促進癌細胞的誘變和轉移[30]。目前，氧依賴性治療方式（如放射療法、光動力療法、聲動力療法等）廣泛應用于抗腫瘤臨床研究中，但其抗腫瘤效果明顯受限于實體瘤缺氧微環境。因此，克服TME 缺氧對于改善氧依賴性治療方式的療效具有重大的意義。

由于PFC 具有高電負性，分子間作用力弱，具有較高的溶氧能力，其氧氣溶解度是水溶液的20倍，并且由于其具有生物化學惰性以及良好的生物相容性，已被批準作為人工血液替代品用于氧氣遞送[24]。此外，液體PFC 已被證實可以延長單線態氧（1O2）壽命，進一步增強氧依賴性治療方式療效[4]。因此，PFC 納米乳廣泛應用于改善腫瘤缺氧環境，增強氧依賴性治療方式的療效。

2.1.1 改善放射療法療效 放射治療是臨床腫瘤治療中常用的一種治療方式。TME 內普遍乏氧，而氧分子在電離輻射殺傷腫瘤細胞的過程中發揮重要作用，這嚴重制約了臨床中放射治療對腫瘤的殺傷效果[31]。為了提高治療效果，Zhou ZG等[32]制備了人血清白蛋白全氟三丁胺納米乳（PFTBA@HSA），通過PFTBA@HSA 釋放物理結合的O2來緩解腫瘤缺氧。使用缺氧探針哌莫硝唑對腫瘤切片染色發現，給藥5 h 后，PFTBA@HSA 組哌莫硝唑熒光面積僅約為對照組的1/3，表明PFTBA@HSA 可有效緩解腫瘤組織的缺氧狀態。藥效學實驗結果顯示，進行放射治療后腫瘤生長幾乎完全受到抑制。Gao M等[33]以全氟-15-冠-5-醚作為核心，以PLGA 作為外殼制備納米乳，并在外面修飾紅細胞膜（PFC@PLGA-RBCM）來延長納米乳血液循環時間。研究發現，靜脈注射PFC@PLGA-RBCM 24 h 后，腫瘤區域的總氧合水平從1.6%顯著增加到24%，PFC@PLGA-RBCM 的治療能夠顯著增強放射治療的腫瘤抑制功效，并且未產生副作用。

2.1.2 改善光動力療法療效 PDT 是一種新興的腫瘤治療方法，通過光敏劑與腫瘤細胞周圍氧分子發生反應生成活性氧和自由基，從而發揮抗腫瘤效應。然而腫瘤乏氧環境以及治療過程中氧含量的進一步消耗限制了PDT 的抗腫瘤效應[34]。為解決這一問題，Hu DR等[21]在透明質酸骨架上通過二硫鍵連接光敏劑二氫卟酚e6（Ce6），并將攜氧的PFH 包封于該接合物中（PFH@HSC），用于向腫瘤環境遞送氧氣。腫瘤區域的氧合血紅蛋白信號強度的半定量分析顯示，PFH@HSC 組的氧合血紅蛋白信號強度比游離Ce6 組高3.6 倍，顯著緩解了腫瘤缺氧。藥效學實驗發現，PFH@HSC 和光照聯合治療組腫瘤生長抑制能力最強，表明具有攜氧功能的PFH@HSC 顯著增強了PDT 的治療效果。Zhang L等[35]分別以攜氧的PFOB 和脂質為核心和外殼，制備了包載光敏劑IR780 的脂質PFOB 納米乳（PFOB@LIPIR780）。研究發現，PFOB@LIP-IR780 明顯緩解了腫瘤的缺氧狀態，該組的HIF-1α 表達量顯著低于LIP-IR780 組。注射PFOB@LIP-IR780 后，小鼠腫瘤區域內氧合血紅蛋白信號強度隨時間延長逐漸增加，并在注射后24 h 達到最大值。與LIP-IR780+PDT 組相比，PFOB@LIP-IR780+PDT 組表現出更強的腫瘤抑制效果。

2.1.3 改善聲動力療法療效 聲動力療法（sonodynamic therapy，SDT）利用超聲選擇性地激活腫瘤內聲敏劑與氧氣之間的反應以產生活性氧，例如1O2和羥基自由基，導致腫瘤細胞凋亡和壞死。實體瘤的乏氧環境限制了SDT 的抗腫瘤效果[36]。為了克服這一問題，Zeng Q等[36]以光敏劑原卟啉（PpIX）修飾的氟化陽離子聚合物為外殼[PAsp（DET）-PpIXPEG]，制備了攜氧的PFH 納米乳[PAsp（DET）-PpIX-PEG@PFH@O2]。該納米乳可以通過緩解腫瘤缺氧來降低治療抵抗力，增強SDT 治療效果。藥效學結果顯示，在超聲作用下，PAsp（DET）-PpIXPEG@PFH@O2組比PAsp（DET）-PpIX-PEG 表現出更強的腫瘤抑制作用。另外，即使未預充氧的條件下，PAsp（DET）-PpIX-PEG@PFH 也表現出更強的腫瘤抑制效果，這表明了該納米乳還可以在肺毛細血管或血管中進行氧合，通過實體瘤的高通透性和滯留效應（enhanced permeability and retention effect，EPR）蓄積在腫瘤部位，在超聲作用下迅速釋放氧氣，緩解缺氧并增強SDT 治療效果。

2.2 構建相變納米液滴

相變納米液滴是指PFC 納米乳受到超聲或激光提供的足夠能量時，穩定的液態核會相變為氣態并發生體積膨脹。根據提供的能量來源不同，相變納米液滴可分為聲滴汽化（acoustic droplet vaporization，ADV）和光滴汽化（optical droplet vaporization，ODV）[37]。當外界的壓力小于液體核心的PFC 蒸汽壓時，PFC 會發生從液態到氣態的相變，超聲或者激光的能量可以將PFC 液體核心周圍的壓力降低至蒸汽壓以下，從而誘導PFC 的相變[38]。因此，由于對超聲或激光具有良好的敏感性，PFC 納米乳在腫瘤的治療和診斷方面引進了極大的關注，目前主要應用于腫瘤成像和藥物遞送兩個方面。

2.2.1 腫瘤成像 超聲成像是目前使用最廣泛的醫學成像方式之一，具有靈敏度高、安全性高、成本低等優點。超聲造影劑也被稱為聲學增強劑，通常是直徑為1～8 μm 的充滿氣體的微泡，其在與超聲波相互作用時可以產生共振現象，從而增強超聲的反射信號[37]。然而腫瘤新生血管系統只允許小于700 nm 的顆粒通過，一般情況下粒徑小于200 nm的納米粒更容易通過EPR 效應在實體瘤內蓄積，所以目前微米尺寸的微泡造影劑無法外滲到血管系統之外，僅能用于血池造影，不能用于實體瘤的造影[29]。與微泡相比，PFC 納米乳具有納米級的粒徑，能夠穿過內皮間隙并蓄積在腫瘤部位或病變組織中；同時，其適宜的沸點使納米液滴在血液循環中保持其形狀和粒徑，暴露于高能量下時發生汽化，從而在腫瘤部位或病變組織中產生微米級的氣泡、恢復其回聲性[25]。因此，具有粒徑轉變特性的PFC納米乳在腫瘤成像領域展示出巨大的潛力。Rapoport N等[39]最早使用PFC 納米乳作為超聲造影劑進行腫瘤成像，其開發的第一代納米超聲造影劑分別以包載阿霉素的兩親性嵌段聚合物和PFP（沸點為29℃）作為外殼和核心，由于拉普拉斯壓力的作用，該納米乳在體溫下能維持納米級的液滴狀態，經超聲作用轉變成微泡進行腫瘤成像。

除了對腫瘤進行超聲成像外，PFC 納米乳還可以聯合其他成像方式進行多模態成像。Maghsoudinia F等[40]將小分子造影劑Gadovist 負載到PFH納米乳的藻酸鹽聚合物殼中，在納米乳超聲成像的基礎上增加了磁共振成像模式，彌補了超聲成像低空間分辨率的缺點。另外，還可以通過在配方中添加光敏劑來制備用于光聲和超聲雙成像模式的納米乳。Zhu HR等[22]在全氟己烷納米乳的聚多巴胺外殼表面吸附光敏劑IR820，聚多巴胺外殼可以促進IR820 熒光猝滅和非輻射弛豫，提高光聲成像能力，實現光學成像高對比度、超聲成像高分辨率和深層組織穿透性的結合。

2.2.2 藥物遞送 在超聲作用下微泡表現出 “震蕩”“擴大”“收縮”以及“內爆”一系列動力學過程，同時伴隨發生微束、沖擊波和微射流等激烈過程，此現象為聲空化效應。聲空化效應可分為慣性空化和非慣性空化。前者是指高強度超聲引起微泡的迅速膨脹和爆破，從而產生強烈的沖擊波和局部高溫高壓；后者則是指低強度超聲引起微泡小范圍內的收縮和膨脹，從而增強內部氣體向外擴散的速率[41]。PFC 納米乳相變轉化成微泡時，聲空化效應顯著增強。一方面，在超聲場中機械力作用下，PFC 微泡生長和破裂的慣性空化作用可產生沖擊波和微射流，在細胞膜和血管中形成氣孔，從而增加藥物的滲透。另一方面，當超聲能量不足以產生慣性空化時，非慣性空化作用可使血管壁產生交換性膨脹和內陷，增強血管的滲透性和內皮內膜的損傷，從而提高藥物的遞送效率[42]。此外，PFC 納米乳的汽化只會在聲學特性最強的焦點區域產生，因此可以保證藥物在靶部位釋放，從而減輕常規化療藥物對健康細胞的毒性作用。

基于以上優點，相變PFC 納米乳廣泛應用于藥物遞送系統的研究中。Baghbani F等[43]制備了海藻酸鹽PFH 納米乳，同時負載化療藥物阿霉素和化療增敏劑姜黃素用于治療卵巢癌（Dox-Cur-NDs）。研究發現，低頻超聲能夠促進阿霉素和姜黃素的釋放，顯著增加了Dox-Cur-NDs 的細胞毒性。藥效學實驗結果顯示，與Dox-Cur-NDs 組相比，Dox-Cur-NDs 聯合超聲治療組表現出更強的腫瘤抑制作用。除了化療藥物外，相變PFC 納米乳也可以用于核酸類藥物的遞送。Lee JY等[44]以殼聚糖脫氧膽酸為外殼，以PFP 為核心，通過靜電結合吸附小干擾RNA（small interfering RNA，siRNA）于納米乳表面，并包載氧化鐵制備PFP 納米乳（CND/siRNA）。研究發現，在超聲作用下，該納米乳能夠促進siRNA 的細胞攝取，顯著增加了腫瘤細胞殺傷效果。

3 總結和展望

由于PFC 納米乳優異的特性，在腫瘤的治療和診斷中具有很大的應用前景，然而尚未應用到臨床中，還存在一定的局限性。在未來的研究中，還需要重點考慮以下幾個方面：首先，雖然PFC 納米乳的穩定性相比微泡大大增強，但與固體顆粒相比，納米乳的穩定性仍然相對較差，在到達靶組織之前可能會經歷聚結或過早相變[45]。因此，應進一步研究其不穩定性機制以及外殼性質對穩定性的影響，以開發出具有良好穩定性和均勻尺寸的PFC 納米乳的處方工藝；其次，由于單一PFC 納米乳對人體內部溫度和壓力變化不具有良好的敏感性，很難控制納米乳的相變閾值以確保其在超聲或激光作用下發生相變。使用混合全氟化碳作為核心制備納米乳可以更好地控制相變閾值[46]，但需要進一步研究以確定最佳的全氟化碳組合以及發生相變的確切閾值；另外，當PFC 納米乳應用于抗腫瘤缺氧時，PFC 的過量攝取可能會抑制網狀內皮系統吞噬作用，同時，氧濃度持續升高可能會引起肺或其他器官的氧中毒[12]。因此，應系統研究PFC 納米乳的作用時間、給藥劑量和給藥頻率，以減少其臨床轉化的安全隱患；最后，關于PFC 的藥動學行為和體內代謝行為的研究較少，應進一步加強該方面的研究，以更好地為人體研究和臨床轉化提供參考。