納米氧化鈰在腫瘤和炎癥組織中的EPR效應研究進展

楊通旺綜述，吳 剛審校

（包頭醫學院研究生學院，內蒙古包頭014040）

納米氧化鈰在腫瘤和炎癥組織中的EPR效應研究進展

楊通旺綜述，吳 剛審校

（包頭醫學院研究生學院，內蒙古包頭014040）

鈰/藥理學； 腫瘤/病理學； 納米結構； 炎癥； 通透性； 綜述

鈰是含量最豐富的一種稀土元素，而二氧化鈰（CeO2）是鈰的天然和最穩定存在形式。納米氧化鈰則是一種納米稀土金屬氧化物，其既是納米材料也是一種重要的稀土金屬氧化物，因而同時具有納米材料和稀土金屬氧化物的物理、化學和生物學性質。納米氧化鈰由于其特殊的尺寸和結構，表現出許多與常規氧化鈰不同的特殊效應，如表面效應、體積效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應和抗氧化應激效應。納米氧化鈰的這些特殊的不同于常規氧化鈰的物理、化學和生物學性質，使得納米材料被廣泛應用于諸如環境工程、化工、醫藥制藥和化妝品領域[1]?，F對納米氧化鈰在腫瘤及炎癥組織中的EPR效應研究作一綜述。

1 納米粒子在腫瘤和炎癥組織中的EPR效應

1.1 腫瘤和炎癥組織的血管缺陷 通過注射聚合樹脂獲得的血管鑄型的電鏡圖片顯示腫瘤血管和正常血管系統之間有著顯著的不同[2]。同時，腫瘤組織中的血流量也與正常組織中的顯著不同。正常組織中的血流受注射血管緊張素Ⅱ調節的血壓的影響較小，相對一致不變。在相同的處理下，腫瘤組織中的血流量卻顯著增加，且腫瘤組織中血流的方向也可能突然改變，血流可能以不穩定的方式停止或者開始，并能出現過度外滲[3]。腫瘤血管的內皮細胞比正常血管內皮細胞大，細胞間隙開口增大允許大分子向腫瘤組織的間質性空間滲漏[4]。

1.2 腫瘤和炎癥組織的淋巴功能缺陷 應用罌粟種子油的碘化乙基脂肪酸（碘油）作為X射線造影劑發現，正常組織通過淋巴回流得到快速恢復，而腫瘤組織中碘油不能從沉積的部位（腫瘤組織）輕易地被恢復，這表明腫瘤組織的淋巴恢復功能受到損壞[5]。利用腫瘤的這種特異性滯留碘油的有利條件，通過將親脂性聚合物連接的抗癌藥物SMANCS（新抑癌菌素連接上共聚SMA）以一種碘油的形式來治療包括肝、腎和膽囊在內的各種腫瘤[6]。

1.3 血管效應分子 Dvorak等[7]從腫瘤細胞中分離出來一種腫瘤特異性血管通透性因子（vascular permeability factor，VPF），后來VPF被證明是血管內皮細胞生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），這是一種在炎癥和腫瘤中共有的血管效應分子，并在炎癥和腫瘤中高表達。VEGF事實上也能夠增加正常血管的血管通透性，這個過程涉及內皮細胞NO和一氧化氮合成酶。

1.4 納米粒子的EPR效應 由于腫瘤和炎癥組織血管缺陷，使得納米粒子和大分子物質可向這些組織滲漏，而淋巴回流功能的受損又降低了其將納米粒子和大分子物質清除出腫瘤和炎癥組織的可能，使得納米粒子和大分子物質得以在腫瘤和炎癥組織滯留的現象就稱之為增強的通透性和潴留作用（enhanced permeability and retention effect，EPR）[8]，也稱為EPR效應。納米粒子在腫瘤和炎癥組織中的EPR效應使得其可以選擇性地在腫瘤和炎癥組織中累積，從而達到靶向運輸的效果，也被稱之為納米粒子的被動靶向運輸。

Jansen等[9]在固態腫瘤中發現了有活性的血管生成素。促血管生成素-1（Ang-1）、促 Ang-2/酪氨酸受體 2（tie2）是血管內皮生長因子之外的一條重要血管生成信號轉導通路[10]。給予血管生成素，納米粒子在腫瘤和炎癥組織中的EPR效應確實得到改善。需氧細胞在代謝過程中產生的活性氧簇（reactive oxygen species，ROS）包括O2-、H2O2及HO2·、·OH等，血管生成素本身對EPR效應沒有影響，但ROS是Ang-1/tie2受體通路的一個重要介質，Ang-1通過NAPDH氧化酶復合體產生ROS，ROS促進內皮細的轉移和PAK-1的磷酸化而對Erk1/2的磷酸化起到負性調節的作用[11]。通過向不同的細胞中加入血管生成素，發現其抑制了H2O2引起的細胞和基因毒性[12]。雄性小鼠注射Ang-2，其血壓升高且含有AT1aR的丘腦室旁核神經元中ROS的生成增加[13]。也就是血管生成素是通過ROS來影響納米粒子在腫瘤和炎癥組織中的EPR效應。

影響腫瘤和炎癥組織EPR效應的分子還有很多，如血紅素氧合成酶-1、CO，TGFβ抑制劑和TNFα都在小鼠模型中表現出增強對的EPR效應。在微生物感染或炎癥期間產生的氧自由基和NO也能在局部組織增強納米粒子EPR效應。并且，同樣功能的分子還在不停地被發現，而腫瘤和炎癥組織中納米粒子的EPR效應的分子機制也將進一步被闡明。

2 CeO2 通過血管效應分子影響EPR效應

目前并無發現納米CeO2本身直接對血管的通透性影響的報道，因而不能直接證明納米氧化鈰對納米粒子在腫瘤和炎癥組織中EPR效應的影響。但納米氧化鈰與影響血管通透性的血管效應分子卻有著復雜的聯系。CeO2晶體具有螢石立方結構，其中Ce4+占據八面體空隙，O2-占據四面體空隙。由于納米氧化鈰粒徑小表面能高，晶體表明產生氧空位，隨著氧空穴的產生與消除，氧化鈰中的鈰離子在+3和+4兩種價態間可逆轉換，在氧化鈰被還原時，位于四面體空隙的氧會逸出，所剩余的2個電子被離其最近的2個Ce4+獲得，Ce4+被還原成Ce3+[14]。這就賦予了氧化鈰獨特的氧儲存和釋放能力，并在細胞和生物體內表現出類似SOD的清除氧自由基功能。而納米氧化鈰的這種獨特的清除氧自由基特性也在越來越多的實驗中得到了證明。納米氧化鈰在A549，CACO2和HepG2細胞系中抑制了H2O2引起的基因毒性[15]。通過支氣管滴注大劑量的納米CeO2時，雖然在肺部也產生了急性炎癥損傷，但是NO卻顯著下降[16]。

ROS本身就是一個重要的血管效應分子，ROS的降低使得依賴血管效應分子的納米粒子在腫瘤和炎癥組織中的EPR效應降低，血管內皮細胞和內皮細胞間隙的結構也將的到改善，從而抑制腫瘤細胞增殖和炎癥的發展。不但ROS本身作為一種血管效應分子對納米粒子在腫瘤和炎癥組織的EPR效應產生影響，且血管生成素和內皮細胞生長因子也都是通過ROS來影響EPR效應的。納米氧化鈰保護腦卒中[17]和抑制腫瘤生長的原因可能就與納米氧化鈰由于EPR效應在病變組織中聚集有關。納米氧化鈰是一種納米粒子，可以通過EPR效應在炎癥和腫瘤組織累積，而納米氧化鈰的聚集就會通過降低ROS來阻止VEGF和血管生成素的作用，且血管的通透性受到抑制，從而抑制腫瘤的增長和炎癥的蔓延。

3 納米氧化鈰應用及其安全性

作為一種新型納米材料，納米氧化鈰具有納米粒子的一般特性，當其表面連接上藥物時，由于納米粒子的EPR效應使得納米氧化鈰包被物能被動靶向運輸至特定的部位。通過支氣管滴注發現，納米氧化鈰在肝和脾這些血流旺盛的組織中的聚集比其他組織高出兩個數量級[18]。納米氧化鈰的被動靶向運輸克服了一些低溶解性和高毒性藥物由于高劑量使用引起的生物毒性，同時也延長了藥物半衰期，增加患者的依從性，延長藥物的生命周期并降低了醫療費用。脫鐵蛋白由于其半衰期短使得其抗氧化的效率受到影響，而當脫鐵蛋白結合上納米CeO2時，其類似SOD的抗氧化功能得到顯著改善[19]。同時納米氧化鈰的生物兼容性相對于其他的納米材料更好，在相對較短的時間內沒有對細胞產生細胞毒作用和基因毒性作用。支氣管內滴注納米CeO2后，雖然也引起了急性炎癥的癥狀，但在7d內開始恢復，并在28d實驗結束時恢復到實驗前水平[20]。

4 小 結

在體外模擬肺泡巨噬細胞的吞噬溶酶體的環境，將納米氧化鈰置于pH為4.5的環境中攪拌72 h也只融解了0.120%[18]。當納米氧化鈰進入細胞內時，特別是當納米CeO2被運輸至溶酶體這樣的酸性環境中時，即使是少量的氧化鈰溶解，也會在細胞能產生高濃度的Ce4+。而在東北紫杉醇細胞中Ce4+激活磷脂酶D，從而降解結構性磷脂導致細胞凋亡[21]。由于納米氧化鈰與細胞膜、DNA和胞內細胞器的動力學反應使得納米氧化鈰在卵母細胞中通過氧化應激引起基因毒性[22]。當納米氧化鈰與細胞膜緊密接觸時，納米氧化鈰通過直接的生物還原機制在大腸桿菌中產生細胞毒性[23]。通過細胞外大分子阻止納米粒子和納米粒子穩定劑與細胞的直接接觸，納米氧化鈰在藍藻中引起間接的細胞毒性。而納米CeO2即使在1 nmol/L的環境相關濃度下也可通過催化ROS產生對線蟲的明顯毒性，使線蟲的平均壽命水平顯著降低[24]。納米氧化鈰在正常和腫瘤細胞系中的狀態和細胞毒性在很大程度上取決于其表面電荷[25]。由此，雖然納米氧化鈰的生物學效應研究取得了一定的進展，但仍處于起步階段，對于納米氧化鈰生物學效應的詮釋，特別是對于具有爭議性的生物毒性的研究還需要科學家們的不懈努力。

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10.3969/j.issn.1009-5519.2015.20.019

A

1009-5519（2015）20-3096-03

2015-07-15）

楊通旺（1990-），男，湖南湘西自治州，在讀研究生，主要從事生物化學與分子生物學研究；E-mail：123620677@qq.com。