無機金屬聲敏劑在腫瘤聲動力治療中的應用現狀

摘要：隨著納米醫學技術的蓬勃發展，聲動力治療（sonodynamic therapy，SDT）作為一種新興的非侵入性治療方法，憑借其能對腫瘤深部進行治療且對周圍組織損傷小的特點，逐漸成為研究的熱點。聲敏劑是SDT 中不可或缺的組成部分，因其結構和性質直接決定SDT 的效果。與傳統有機聲敏劑相比，無機金屬聲敏劑具有穩定性高、形態可控且在人體內循環時間長的優勢，這極大地擴展了其在SDT 中的研究應用。對SDT 的可能機制，即空化效應和活性氧的產生進行了簡要探討；概述了無機金屬聲敏劑的配方設計、抗腫瘤作用機制及SDT 的優化策略；討論了SDT 當前面臨的挑戰和未來的發展方向。以期為今后無機金屬聲敏劑在SDT 中的篩選提供參考。

關鍵詞：聲動力治療；無機金屬聲敏劑；超聲；活性氧

中圖分類號：TB 31 文獻標志碼：A

目前，腫瘤仍是威脅人類生命健康的重要疾病之一[1]。腫瘤是通過多步病變過程發展起來的，此過程涉及許多細胞生理系統的變化，如細胞分化和細胞凋亡等[2]。腫瘤因容易擴散到人體內的不同部位而難以治愈。傳統的腫瘤治療方式如手術切除、化療、放療等[3]，雖然在臨床上都取得了良好的效果，但治療后均會產生一定的副作用。因此，迫切需要探索更有效和非侵入性的腫瘤治療方式。近年來，光療作為一種非侵入性腫瘤治療方式得到了廣泛的研究。例如不同類型的納米光熱敏劑被開發用于腫瘤的光熱治療（photothermal therapy，PTT），這些光熱敏劑在特定的光照射下可以加熱殺傷腫瘤細胞[4]。同樣，用于光動力治療（photodynamic therapy，PDT）的小分子光熱敏劑在特定波長光的照射下會被激活，產生活性氧（reactive oxygen species，ROS），致使腫瘤細胞凋亡和壞死[5]。盡管光療在一定程度上減輕了傳統腫瘤治療方式對人體的副作用，但光療的穿透深度較淺，無法有效治療腫瘤深部病灶組織[6]。

聲動力治療（sonodynamic therapy，SDT）是一種在超聲（ ultrasound， US） 照射下通過聲敏劑產生ROS 激活細胞凋亡通路的非侵入性治療方式[7]。Yumita 等[8] 首次發現血卟啉（hematoporphyrin，HP）可以通過US 激活來殺傷腫瘤細胞。隨后，SDT 被認為是最具潛力的腫瘤治療方式之一。US 作為一種機械波， 在生物醫學領域中被廣泛應用[9]。在SDT 中，US 可以滲透到腫瘤深部并精確地聚焦在腫瘤細胞上，并激發聲敏劑產生ROS，從而殺傷腫瘤細胞。SDT 不僅可以達到較深的組織穿透深度和較高的空間精度，而且對鄰近正常組織的細胞損傷較小。

聲敏劑由于其較強的成像能力，被廣泛用于輔助SDT 的實施[10]。在US 照射下，聲敏劑可以在腫瘤區域富集并產生ROS，進而使腫瘤細胞凋亡和壞死，實現對腫瘤細胞的殺傷作用[11]。目前，聲敏劑主要分為有機聲敏劑和無機聲敏劑[12]。運用于PDT的光敏劑，如HP 單甲醚[13]、Ga-卟啉[14]、光卟啉IX[15]和其他卟啉衍生物，一般被直接用作SDT 的聲敏劑[16]。具有特定化學結構的有機化合物，如氧雜蒽酮類化合物[17]，也可以用作SDT 的聲敏劑。一些抗腫瘤藥物，如多柔比星[18]、姜黃素[19] 和青蒿素[20]，也被研究用作SDT 中的聲敏劑，在US 激活后能增強對腫瘤細胞的殺傷作用。

有機聲敏劑具有疏水性、非特異性和在人體內循環時間短的特點，因此其在腫瘤部位富集不足，使得SDT 的治療效果有限[21]。與有機聲敏劑相比，最近研發的無機金屬聲敏劑[22]，如Au 基納米材料[22]、Pt 基納米材料、Ti 基納米材料[23] 和Bi 基納米材料等，在提高這些聲敏劑的化學穩定性和降低光毒性方面得到了很好的發展，為SDT 的應用提供了廣闊的前景。無機金屬聲敏劑有以下優點：（1）無機金屬聲敏劑因其獨特的半導體性質，能夠在特定條件下觸發電子（ e?）和空穴（ h+）的產生，從而產生ROS[24]。（2）無機金屬聲敏劑在生理環境中表現出優異的穩定性，在人體內循環時間長[25-26]。（3）無機金屬聲敏劑的尺寸和形態相對易于控制，有利于進行更廣泛的生物醫學應用，如腫瘤靶向或藥物遞送[27]。盡管無機金屬聲敏劑具有上述諸多優點，但大多數無機金屬聲敏劑的SDT 效果仍不夠理想。為了提高無機金屬聲敏劑的SDT 效果，設計出合適的無機金屬聲敏劑成為當前的研究熱點。

本文系統綜述了無機金屬聲敏劑的最新發展。首先，概述了SDT 可能的機制；隨后討論了無機金屬聲敏劑的分類設計（ 見圖1） ， 并提出了提高SDT 效果的方法；最后探討了該領域存在的挑戰和關鍵問題，以促進SDT 的進一步發展。

1 SDT 的機制

因SDT 過程的復雜性，其確切的機制仍不清楚。其可能的機制為：（1）US 誘導的空化效應；（2）由熱解或聲致發光誘導ROS 的產生。

1.1 空化效應

空化效應，也稱為US 空化作用，是指液體中的空化核（也稱為微氣核空化泡）在US 的作用下發生振動。當聲壓達到一定值時，這些空化核會出現生長和崩潰的動力學過程，期間空化核會經歷振蕩、膨脹、收縮及爆裂等[28] 一系列變化，釋放出巨大的能量?？栈梢苑譃閼T性空化和穩定空化[29] 兩種類型。慣性空化是在高強度US 的作用下，空化核經歷急劇膨脹和收縮，最終導致空化核破裂。在慣性空化過程中會釋放出巨大的能量，進而產生沖擊波、聲致發光，并使局部出現高溫高壓。這些極端條件可以激活聲敏劑，并促進ROS 的產生[30]。穩定空化是在低強度US 的作用下，空化核在小范圍內產生持續震蕩。這種震蕩會提高核心處氣體向外擴散的速率，有利于載體轉運至細胞內?？栈赟DT 中具有廣闊的應用前景：一方面，空化效應可以通過直接或間接的方式殺傷腫瘤細胞，提升治療效果；另一方面，空化效應可以改變細胞膜的通透性，增強聲敏劑的靶向性和滲透性[31]。隨著分子影像學和分子生物學的不斷發展，以及US 技術和納米技術的不斷進步，空化效應在SDT 中的應用將更加廣泛和深入。US 空化核作為最佳空化核，能夠顯著增強和精準調控空化效應。

1.2 ROS 的產生

聲敏劑在US 的作用下受到激發將能量轉移至分子氧（O2），繼而產生不同類型的ROS，如單線態氧（1O2）、超氧陰離子（O2?）和羥基自由基（·OH）[32]。這些ROS 可以導致細胞損傷并引發腫瘤細胞的凋亡。ROS 的產生[33] 是SDT 的關鍵步驟之一。目前，空化被認為是在US 作用下聲敏劑產生ROS 的主要過程[34]。具體來說，在空化過程中，當空化核破裂時會釋放出巨大的能量，并與周圍的液體發生相互作用。這種相互作用會導致液體熱解，從而產生ROS[35]。在慣性空化過程中，空化核的急劇塌陷會產生聲致發光現象。聲致發光是一種由US 激發的光輻射現象，可以誘導聲敏劑從基態激發到激發態以及從激發態再返回基態時，釋放出能量并轉移到周圍環境中，從而產生大量ROS。在這兩種機制中，當空化核破裂時，產生的高溫和高壓會觸發US 發生化學效應，從而產生ROS。ROS 會通過促進脂質過氧化破壞線粒體膜，導致線粒體膜電勢下降和通透性增加[36]。此外，受損線粒體膜釋放的色素將激活凋亡途徑，并最終導致腫瘤細胞凋亡。盡管實驗研究支持上述兩種ROS 生成途徑，但尚不清楚哪種途徑是SDT 中ROS 產生的主要機制，需要進一步的實驗和理論研究來揭示SDT 中ROS 產生的確切機制。全面了解ROS 產生的途徑將有助于更有效地開發和應用聲敏劑，從而提高SDT 的效果和安全性。SDT 中ROS 的產生是一個復雜而有趣的過程，涉及多種物理和化學機制。未來的研究將致力于揭示這些機制之間的內在聯系和相互作用，為SDT 的臨床應用提供更為堅實的理論基礎。

2 無機金屬聲敏劑在SDT 中的應用

聲敏劑在SDT 中扮演著至關重要的角色。在過去的幾年里，無機納米材料，如貴金屬、過渡金屬氧化物等，由于其較高的穩定性和特殊的物理化學性質，被廣泛地用作聲敏劑，并在SDT 中取得了顯著的成果。

2.1 Au 基納米材料

Au 納米粒子（Au nanoparticles，Au NPs）在SDT中具有可調的光學特性和熱特性、低毒性、良好的細胞攝取能力、優異的生物相容性等， 使其在SDT 領域極具吸引力，有望為腫瘤治療提供新的思路和策略。Sazgarnia 等[37] 首次提出將Au NPs 用于SDT。Abadeer 等 [38] 研究發現，在強脈沖光下AuNPs 增強了聲空化，使腫瘤相對體積明顯減小，有效改善了結腸癌的治療效果。這是因為Au NPs 具有特殊的光學特性，在強脈沖光的照射下可以產生蒸汽泡，為聲空化提供了核位點，增強了治療效果。研究發現，Au NPs 與US 組合對腫瘤的治療效果并不是最顯著的，需要額外的強脈沖光照射Au NPs 才能促進蒸汽泡的產生，進而實現US 響應?；诩傾u NPs 的SDT 只能獲得有限的治療效果，因此，往往需要通過進一步修飾Au NPs 或將SDT 與其他治療方式協同，才能有效提高SDT 的效果。Loke 等[39]首次報道： 經海藻鹽包覆的Au 納米棒（ AunanorodsALG， Au NRsALG）的生物相容性得到了明顯改善，可以用作SDT 的納米聲敏劑。經US 激活的Au NRsALG 通過線粒體細胞凋亡途徑催化產生ROS，可對腫瘤細胞的DNA 造成嚴重損傷，進而使細胞凋亡（見圖2a）。研究結果表明，US 照射可以顯著增強空化效應，使Au NRsALG 產生的1O2 比其他已報道的商用TiO2 納米聲敏劑產生的高3～8 倍[40]。由于其良好的生物相容性以及US 的非侵入性和深層組織的穿透性，Au NRsALG 介導的SDT 是一種很有前途的治療方法。

上述基于Au NPs 的聲敏劑，通過增強滲透性和保留性效應，可以有效聚集在腫瘤部位，進而殺傷腫瘤細胞，但其在腫瘤深部病灶組織處的累積通常有限，治療效果并不理想。近年來，腫瘤治療常將SDT 與PTT 相結合[41]，發揮兩者的協同作用，進一步提高治療效果。Meng 等[42] 成功設計并合成了一種具有良好生物相容性的Bi 基Au 冠納米平臺（Bi-based Au-crowned nanoplatforms，BACNs），對腫瘤協同治療和實時成像（見圖2b）。BACNs 表面的Au NPs 可有效提高其聲催化效率。通過1，3-二苯基異苯并呋喃（1，3-diphenylisobenzofuran，DPBF）檢測BACNs 在US 照射下產生的ROS， 結果表明，BACNs 有很好的SDT 效果。連續使用US 和激光（ laser， L） 照射， 會使BACNs 在腫瘤細胞內產生ROS，同時使腫瘤細胞溫度升高，進而促使其凋亡。通過在不同條件下檢測細胞毒性可以發現， 在BACNs-BF 質量濃度為2 μg/mL，并在L 和US 的共同照射下，腫瘤細胞活力低，其存活率僅為18%，表明在L 和US 的共同照射下，BACNs-BF 同時表現出化療、PTT 和SDT 協同效應，顯示出巨大的抗腫瘤應用潛力。

2.2 Pt 基納米材料

通過注射含有Pt 納米粒子（Pt nanoparticles，PtNPs）的聲敏劑并施加US 照射，可以產生ROS 來殺傷腫瘤細胞。在貴金屬納米顆粒中，Pt NPs 已被證明具有模擬過氧化氫酶活性的巨大潛力。Liang 等[43]設計了一種新型的含4-（4-氨基苯基）卟啉[tetra-（4-aminophenyl） porphyrin，TAPP] 分子的Pt-Cu 硫化多孔納米球，可以將內源性H2O2 轉化為O2，以克服腫瘤缺氧并增加1O2 的產生。目前，貴金屬納米顆粒與金屬有機配合物的結合，在生物醫學應用領域受到廣泛關注。Sun 等[44] 開發出一種簡單的配位結晶方法，通過直接混合二硫醚（disulfide，DSF）、氯鉑酸和還原劑來制備納米Pt 錨定金屬有機配合物（ Ptnanoparticle-anchored metal-organic complexes， Pt-MOCs）（見圖3a）。研究結果表明，相較于MOCs，Pt-MOCs 顯著提高了US 照射后1O2 的生成能力。在體外細胞實驗研究中，與MOCs 或Pt NPs 相比，Pt-MOCs 在US 照射下能有效產生ROS，明顯降低腫瘤細胞活力，具有更強的細胞毒性，對腫瘤具有良好的SDT 效果。但由于載體的不穩定性和人體內O2 的快速釋放，可能會引起腫瘤缺O2，導致SDT 的效果下降。Bao 等[45]制備了一種由PCN-224 NPs 與Pt NPs 以及葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，GOx）集成的紅細胞膜（erythrocyte membrane，EM）的US 增敏劑和載體（見圖3b）。PCN-224 NPs 上的Pt NPs 可以將腫瘤部位過表達的H2O2 轉化為O2，從而增強SDT 效果。同時，GOx 可以有效降低腫瘤部位的葡萄糖量，實現SDT 和饑餓治療的協同作用。PPGENPs（ PCN-224@Pt@GOx@EM nanoparticles， PPGENPs）載體通過增強的滲透性和滯留效應在腫瘤細胞中優先積累，并在人體內產生ROS，通過US 照射來殺傷腫瘤細胞。這種饑餓效應和通過級聯反應緩解缺O2 的協同效應，為腫瘤的治療提供了有效的策略。

2.3 Ti 基納米材料

Ti 基材料具有良好的生物相容性、耐腐蝕性和力學性能[46]，在生物醫學領域有廣泛的應用[23， 47]。近年來，Ti 基納米材料，尤其是TiO2 納米粒子（TiO2nanoparticles，TiO2 NPs），由于其獨特的物理化學性質， 常作為高效聲敏劑， 被廣泛應用于 SDT 中。TiO2 NPs 具有可控的結構與組成、較強的化學穩定性，在US 照射下能夠高效生成ROS[48]。相較于其他聲敏劑，TiO2 NPs 表現出了更為突出的效果。日本Harada 等[49] 首次報道了在TiO2 NPs 存在的情況下，使用US 照射黑色素瘤細胞，可使黑色素瘤細胞的活力顯著下降。為了進一步優化這一治療效果，使用了一種含聚烯丙胺的聚乙二醇接枝物來修飾TiO2，制備出了一種以TiO2 為核、聚乙二醇為殼的新型核殼型納米膠束。該納米膠束不僅可以提高TiO2 NPs 在生理狀態下的分散穩定性，還能促進TiO2 NPs 被宮頸癌細胞攝取，增強其在US 照射下對宮頸癌細胞的殺傷能力。TiO2 NPs 具有低細胞毒性和優異的化學穩定性，是一種很有前途的SDT 聲敏劑。然而， 由于e?和h+的快速復合， 原始TiO2NPs 的ROS 量子產率并不高，阻礙了其在SDT 中的廣泛應用。因此，可以通過促進e?/h+的分離來提高ROS 的量子產率，例如：創造氧空位，將貴金屬（如Pt、Au 等）與TiO2 NPs 橋接，以克服載流子重組， 促進在US 照射下e?/h+的有效分離， 提高ROS 的量子產率。Perota 等[50] 合成了一種用于PTT/SDT 體外協同治療黑色素瘤的Au/TiO2 納米復合材料。在US 照射時，TiO2 發生電荷分離，價帶e?從正極h+中逸出。Au 的較低費米能級允許其充當躍遷e?的接受者，而TiO2 保留其h+，有效抑制了e?與h+的復合， 延長了e?的壽命， 從而提高了ROS 的量子產率。由于貴金屬納米粒子的成本較高，摻雜其他低成本元素是提高ROS 量子產率，同時降低成本的有效途徑。Tang 等[51] 設計了一種腫瘤微環境響應的CaCO3@Pt-TiO2 納米復合材料（見圖4a），用于SDT 中。CaCO3@Pt-TiO2 納米復合材料可以響應腫瘤微環境并釋放大量Ca2+，進而放大氧化應激反應并觸發腫瘤細胞免疫原性細胞凋亡（ immunogenic cell death， ICD） [52]。因此， SDT 觸發的ROS 和Ca2+超載可有效誘導ICD，使治療效果明顯提高。富缺陷聲敏劑可以通過抑制e?與h+的復合來提高SDT 效果。受傳統光催化的啟發， Liang等[53] 設計了一種用于增強SDT 效果的富缺陷Ti基金屬有機框架[defect-rich Ti-based metal-organicframework，D-MOF（Ti）] 材料（見圖4b）。相較于單獨的TiO2 聲敏劑，D-MOF（Ti）材料的帶隙更窄，有利于e?/h+的分離， 在US 照射下具有更高的ROS量子產率。同時，由于Ti3+的存在，D-MOF（Ti）材料表現出高水平的類芬頓活性并產生大量·OH，從而能夠進行化學動力療法（ chemodynamic therapy，CDT） 。聯合US 照射， SDT 和CDT 協同產生大量的ROS， 以實現對腫瘤的協同治療效果， 在完成治療后D-MOF（ Ti） 材料可被有效地降解并排出體外。

2.4 Bi 基納米材料

Bi 基納米材料由于其獨特的物理化學性質，如近紅外（near infrared，NIR）光吸收能力強、光熱轉換效率高等，有望成為SDT 中的高效聲敏劑[54]。在US 照射下，Bi 基納米材料可以產生ROS，從而實現對腫瘤細胞的殺傷作用。最近，幾種類型的Bi 基納米材料，如BiFeO3 納米粒子（ BiFeO3 nanoparticles，BiFeO3 NPs） [55]、BiOBr 納米板[56] 和BiVO4 納米棒（BiVO4 nanorods，BiVO4 NRs）[57] 等，已被證明可有效實現US 觸發產生ROS，從而應用于腫瘤治療或抗菌。Yang 等[57]報道了通過光蝕刻BiVO4 NRs，賦予BiVO4 NRs 氧空位，可以實現用于低氧腫瘤治療的O2 和ROS 的原位自供給，從而增強SDT 效果。光蝕刻方法可以通過在BiVO4 表面誘導富氧空位來增強電荷分離，從而提高ROS 和O2 的生成能力，克服了傳統聲敏劑在SDT 中的主要障礙，顯示出較好的SDT 效果。Bi2O3 是一種無毒且化學穩定性良好的材料，這為其在生物醫學領域的應用提供了基礎。雖然Bi2O3 本身作為聲敏劑用于SDT 的直接研究相對較少，但其與TiO2 在化學結構上具有一定的相似性， 因此推測Bi2O3 也可以作為聲敏劑用于SDT。Cao 等[58] 采用直接缺陷工程方法，制備了一種用于腫瘤聯合治療的同源Bi 基納米聲敏劑。同源Bi 基納米聲敏劑在Bi2O3中原位生成的Bi 可以抑制e?與h+的復合。同時，化學還原反應為Bi2O3提供了豐富的氧空位，從而減小了其帶隙，有利于觸發電荷分離。此外，同源Bi 基納米聲敏劑的局域等離子體共振效應不僅有利于US 照射下e?的快速躍遷，而且使其在NIR-II 生物窗口中具有較強的吸收能力。經US 照射后，在同源Bi 基納米聲敏劑組中可見明顯的亮綠色熒光，顯示出良好的US 觸發ROS 生成能力和生物相容性，可用于腫瘤聯合治療。

3 結 論

SDT 作為新興的腫瘤治療手段，其核心聲敏劑的研究正經歷著前所未有的探索熱潮。本文聚焦于無機金屬聲敏劑這一關鍵領域[59]，特別是：（1）貴金屬（如Au、Pt）在SDT 中的應用主要得益于其獨特的光電性質和穩定性。然而，由于貴金屬成本較高，且在某些情況下可能引發免疫反應，因此，未來的研究應側重于開發成本效益更高、生物相容性更好的貴金屬納米結構。（2）過渡金屬（如Ti、Bi 等）具有可調節的氧化還原活性，為SDT 提供了新的可能性。然而，其生物安全性和長期影響方面仍需進一步評估。通過精確控制納米顆粒的尺寸、形狀和表面化學性質，可以優化其生物分布和清除機制[60]。

本文不僅全面回顧了SDT 的基本作用機制，即US 與聲敏劑相互作用產生的ROS 或物理效應對腫瘤細胞的直接殺傷作用，還深入分析了多種旨在提升SDT 效果的前沿策略。這些策略涵蓋了：（1）材料設計與空化效應。通過設計具有特定形狀和結構的納米顆粒，可以增強空化效應，從而提高US 能量在腫瘤細胞中的傳遞效率和利用率。（2）金屬偶聯與多功能納米平臺。通過金屬偶聯技術，可以構建多功能納米平臺，既增強聲敏劑的穩定性，又便于后續的生物修飾和靶向遞送。（3）缺陷工程與能帶結構調控。通過實施缺陷工程，調控聲敏劑的能帶結構，優化其對US 的響應性能，顯著提高SDT 效果和敏感性。（4）材料改性并增加導電性。通過材料改性增加導電性，促進e?轉移過程，加速ROS 的生成，從而顯著提高SDT 的殺傷效果。通過研究聯合治療模式，實現多模態協同治療，同時利用影像引導技術，可實現SDT 過程的精確定位和實時監測，確保治療的安全性和有效性。

盡管科研人員在開發高效、安全和生物相容性良好的聲敏劑方面取得了顯著進展，但令人遺憾的是，目前尚未有任何一種聲敏劑能夠成功跨越從實驗室到臨床的鴻溝，實現真正的臨床應用。這主要是由于聲敏劑在人體內的穩定性、生物分布、清除機制以及長期安全性等方面仍存在諸多挑戰。因此，在SDT 邁向臨床轉化的關鍵階段，必須直面這些挑戰，致力于解決這一系列關鍵問題，包括但不限于：優化聲敏劑的物理化學性質，提升其在復雜生物環境中的穩定性和活性；深入探索聲敏劑與生物系統的相互作用機制，確保其在人體內的安全性和有效性；加強跨學科合作，推動SDT 技術的創新與發展，加速其臨床應用的進程。