納米材料在腫瘤治療領域的研究進展

李 帥 徐文涵 李曉東 劉 沖 何金瞳 何澤宇 李天琪 張燕燕 邵海波

納米材料一般指結構單元的尺寸在1～100nm間的物質。因其特殊的尺寸，納米材料具有不同于一般材料的熱學、生物學、電磁學性能，例如表面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應等。近年來，納米材料在生命科學中的應用逐漸成為研究的熱點[1～3]。研究者發現許多納米材料(如金屬以及金屬氧化物納米顆粒等)具有獨特的抗腫瘤特性，這一特性使得納米材料在腫瘤治療領域具有廣泛的應用前景。并且，基于納米材料本身的理化特性，也使得其在腫瘤治療領域具有極高的應用潛力。例如，最近邵海波等成功地運用負載多柔比星(doxorubicin,DOX)的中空片層二硫化鉬納米材料治療小鼠肝癌模型，在取得良好療效的同時，有效抑制了腫瘤的復發，具有重大的臨床意義[1]。另外，在許多動物實驗中均觀察到納米材料的確在腫瘤的熱消融治療中起到增敏作用[4～6]。納米材料作用于腫瘤的機制復雜多樣，許多研究人員都在這一問題上進行積極的研究探索，本文通過復習相關文獻，將從納米材料自身抗腫瘤的機制與基于納米材料理化特性用于腫瘤治療的研究兩方面綜述納米材料用于腫瘤治療的研究進展，現報道如下。

一、納米材料自身抗腫瘤的機制

1.誘導腫瘤細胞凋亡：某些納米材料，如納米氧化銅顆粒，通過吖啶橙與碘化丙啶雙染色實驗證實其確實可以誘導人類紅白血病細胞凋亡。并且在接受納米氧化銅處理之后的肝癌細胞，Bax/Bcl-2比率增加，因此表明線粒體介導的細胞凋亡途徑參與其中[7～11]。還有一些納米材料，例如納米氧化鋅顆粒、納米氧化鎳顆粒等可以通過增加細胞內活性氧(ROS)水平，產生氧化應激，由于腫瘤細胞缺少正常細胞所具有的抗氧化酶類，因此導致細胞凋亡[8，9，12，13]。三氧化二砷是具有顯著抗腫瘤特性的藥物，特別是對于血液系統惡性腫瘤。研究發現，三氧化二砷納米顆粒通過使賴氨酸14殘基上的組蛋白H3乙?；约敖z氨酸10殘基上的H3磷酸化，從而激活P21基因，并因此導致細胞凋亡[10]。

2.誘導腫瘤細胞自噬：自噬是目前生命科學研究最為關注的熱點領域之一。自噬與腫瘤的發生發展亦有著密切而復雜的聯系。一方面，自噬可以增強腫瘤細胞對不良環境的耐受(組織缺氧、酸中毒等)；另一方面，自噬可以消除損壞的蛋白和細胞器，因此避免了基因組損傷，從而抑制腫瘤的發生。目前認為，在腫瘤發生的過程中，自噬還是主要起到抑制腫瘤細胞的發生和惡化的作用。許多納米材料均已被證實具有誘導腫瘤細胞自噬的功能[14]。透射電鏡觀察自噬泡的形成是檢測自噬的金標準。中國科學技術大學的研究人員在經過納米氧化錳顆粒處理18h的HeLa細胞中發現了自噬泡[15]。LC3-Ⅱ蛋白水平是檢測自噬的常用手段。張力等發現，經過納米氧化錳顆粒處理過的HeLa細胞LC3-Ⅱ明顯增多，并且研究人員將納米氧化錳材料作用于經過同源重組敲除內源性p53表達的HCT116細胞，仍然可以觀察到LC3-Ⅱ的積累，由此可以看到，納米氧化錳材料引起的細胞自噬是非依賴p53轉錄激活途徑的。以上研究足以表明，納米氧化錳顆粒能夠引起腫瘤細胞自噬[15]。還有研究人員報道，經過納米銀顆粒處理的B16細胞，在電鏡下亦觀察到自噬泡。并且，研究者發現，通過運用PtdIns3K通路抑制劑wortmannnin可以抑制納米銀引起的LC3-Ⅱ轉換，由此證明了納米銀是通過PtdIns3K通路來促進自噬的發生[16]。

3.影響腫瘤微環境：腫瘤微環境主要是指腫瘤在其發生、發展過程中所處的內環境，由腫瘤細胞、微血管、間質細胞、組織液以及浸潤細胞等共同組成。腫瘤微環境與腫瘤的生長、侵襲、轉移、耐藥等過程均有密切聯系。由于腫瘤自身特殊的生物學特性，造成了其微環境具有缺氧、酸中毒、免疫炎性反應等特征[17]。例如，腫瘤局部組織缺氧不僅促進了腫瘤的侵襲性，還增加了腫瘤的抗藥性，并且在這些乏氧區域會富集大量的腫瘤相關巨噬細胞。Song等合成了透明質酸二氧化錳納米顆粒，這種納米顆粒所攜帶的透明質酸可以使腫瘤相關巨噬細胞表型發生轉化，即使腫瘤相關巨噬細胞M2型轉化為M1型，在此過程中會釋放出大量的雙氧水，雙氧水本身會對腫瘤具有殺傷作用，并且會與二氧化錳反應，釋放出氧，緩解了腫瘤局部的缺氧狀態，改善腫瘤局部酸中毒，在一定程度上抑制了腫瘤的侵襲性，并因此顯著提高了腫瘤化療的有效性[18]。腫瘤相關成纖維細胞(TAFs)是與腫瘤微環境密切相關的細胞之一，TAFs不僅可以促進腫瘤的生長與轉移，還會通過分泌生長誘導因子和生長因子來介導腫瘤細胞的耐藥性。研究發現，順鉑納米微?？梢詫е耇AFs的迅速死亡，阻斷基質因子的分泌，擾亂成纖維細胞與腫瘤細胞間的聯系，從而抑制腫瘤生長[19]。

4.腫瘤特異性細胞毒性：納米材料的腫瘤特異性細胞毒性是其具有廣闊研究空間的特性之一。超順磁性氧化鐵納米顆粒(SPIONs)就是具有腫瘤特異性細胞毒性的納米材料。最近有研究發現，分別用SPIONs處理過的HepG2細胞與正常組織細胞，癌細胞的ATP生成水平明顯下降，而正常組織細胞ATP生成水平并未受到影響。并且，經過SPIONs處理的癌細胞線粒體膜電位降低，而經過SPIONs處理的正常組織細胞線粒體膜電位并未發現明顯改變。這表明，SPIONs可以引起腫瘤細胞線粒體功能障礙，而不會影響正常的組織細胞。進一步研究顯示，由于腫瘤細胞較正常組織細胞缺少相應的抗氧化能力，因而更容易受到納米材料的“攻擊”。通過DNA微陣列和基因本體分析表明，SPIONs可以降低腫瘤細胞中線粒體電子傳遞鏈基因的表達，因此抑制了腫瘤細胞中線粒體電子傳遞鏈的功能，進而影響ATP的生成、線粒體的膜電位與鈣離子的微觀分布，最終殺傷腫瘤細胞[20]。

5.影響腫瘤血管生成：腫瘤的血管生成屬于病理性血管生成，并且該過程與腫瘤的生長、轉移緊密相關。Baharara等[21]在雞胚尿囊絨膜試驗中發現，納米銀顆粒具有明顯的抗血管生成作用。血管內皮生長因子(VEGF)被普遍認為是最重要的促血管生成因子，尤其是血管內皮生長因子165在血管生成中起著至關重要的作用。Pan等[22]研究發現，納米金顆?？梢燥@著地減少VEGF165所誘導的Akt磷酸化。納米金顆粒在與VEGF165的肝素結合區域高親和力結合之后，阻止了VEGF165與血管內皮生長因子受體2的相互作用，進而抑制Akt信號轉導通路來抑制VEGF165所誘導的人臍靜脈血管內皮細胞遷移以及血管形成。因此，納米金顆粒對VEGF165起到了滅活作用。此外，Kalishwaralal等[23]研究表明，VEGF所誘導的血管生成中，Src家族酪氨酸激酶起到重要作用，并且，在人的乳腺癌、結腸癌和胰腺癌中，Src蛋白水平、Src激酶活性都顯著提高。納米金顆?？梢燥@著地抑制VEGF所誘導的Src磷酸化，因此抑制了下游的信號轉導通路，起到抑制血管生成的作用。

二、基于納米材料理化特性用于腫瘤治療的研究

1.對腫瘤的被動靶向作用：癌癥組織的血管組織學特性有別于正常組織，癌癥組織血管結構紊亂，內皮細胞間距較大，基膜不連續甚至缺損，目前認為這種現象可能是由于癌癥組織血管內皮生長因子和血管抑制因子失衡，使得癌癥組織血管不停地生長、重塑而導致其畸形。血液中的納米材料可以通過這些寬松的內皮細胞間隙滯留在腫瘤組織中，即被動靶向作用，這一作用為腫瘤的精確化靶向治療提供了新的思路[24]。通過賦予納米材料不同功能，使其在腫瘤組織中聚集后，可以實現局部化療、光熱治療、微波熱療增敏等功能。

2.用于腫瘤的局部化療：納米材料具有豐富的立體結構，如中空結構、片層結構、海綿結構等。這些立體機構賦予了納米材料具有極大的負載化療藥物的能力。比如納米二氧化鋯，其表面同時具有酸性和堿性，也同時擁有氧化性和還原性，它屬于p型半導體，易于產生氧空穴，這使得納米二氧化鋯可以有效地搭載化療藥物。Long等[25]利用修飾角蛋白的殼層二氧化鋯納米材料負載阿霉素，當該納米材料到達腫瘤部位后，腫瘤組織的酸性環境以及谷胱甘肽會作用于二氧化鈦外部的角蛋白，從而使阿霉素得以釋放，實現了化療藥物的可控釋放。二硫化鉬納米材料的片層狀折疊結構使其具有很大的表面積，利用其內在的裂隙結構，也可以實現大容量載藥的目的。劉莊等利用二硫化鉬納米片層負載阿霉素用于小鼠腫瘤的光熱治療與靶向化療，得到了很好的療效。

3.用于腫瘤的光熱消融：光熱消融主要是指利用具有較高光熱轉換效率的材料，使其在腫瘤部位聚集后，經外部光源照射，產生熱量從而對腫瘤進行熱消融。光熱消融是繼射頻消融、微波消融等之后又一備受關注的研究領域。很多納米材料，比如納米金，具有高效光熱轉換的性能，即在特定波長的近紅外激光的激發下，通過表面等離子體共振，產生足以使腫瘤細胞壞死的熱量來殺傷腫瘤細胞[4]。譚龍飛等利用中空片層二硫化鉬納米材料用于兔子肝臟腫瘤的光熱治療，取得了良好的效果。腫瘤熱消融治療所面臨的最主要問題就是腫瘤的局部復發。這主要由于傳統的熱消融手段不可避免地具有熱傳導的非專屬性與不均一性及瘤內異質性。筆者將負載多柔比星的300nm中空片層二硫化鉬納米材料用于小鼠肝癌模型的光熱消融與靶向化療。由于光熱消融是通過散布在腫瘤組織的光熱材料產熱而達到消融目的，因此，光熱消融能夠顯著提高熱消融的專屬性與均一性。此外，由于腫瘤組織三羧酸循環障礙，使得腫瘤組織主要依賴無氧呼吸，并由此造成大量乳酸堆積，使得腫瘤組織呈酸性環境。在腫瘤組織的酸性環境下，多柔比星分子的氨基發生質子化，使其親水性增加，從而更易從納米材料中釋放，達到靶向化療的目的。通過熱消融與靶向化療的協同治療，成功打破了瘤內異質性這一治療壁壘，有效地抑制了腫瘤的局部復發，具有極大的臨床意義[1]。

4.用于腫瘤的微波動力學治療：腫瘤的微波動力學治療是我國學者率先發現并提出的。眾所周知，光動力治療是基態光敏劑在一定波長光的輻照下，成為三重激發態光敏劑，其經過一型反應生成活性氧物質，經過二型反應生成單線態氧，兩者均可殺傷腫瘤細胞。孟憲偉等率先發現錳鋯金屬有機框架納米材料(Mn-doped zirconium metal-organic framework nanocubes)在微波的輻照下，能夠產生活性氧物質(羥基自由基)，這一發現開辟了腫瘤微波動力治療學的全新領域，具有里程碑式的意義，并且通過體內外實驗證明，微波動力學用于腫瘤治療具有理想的療效。

隨著研究的不斷探索，納米材料與納米技術在腫瘤治療領域已顯示出巨大的發展空間和良好的應用前景。相信在精準醫學到來的時代，納米醫學一定會在腫瘤治療領域書寫全新的篇章。