納米材料改善腫瘤缺氧增強聲動力療效的研究進展

黃碧英（綜述）牛誠誠（審校）

聲動力療法（sonodynamic treatment，SDT）是一種由光動力學療法（photodynamic treatment，PDT）發展而來的新興、無創的治療方法，由于具有更深的輻射距離且無光毒性特點逐漸替代傳統的PDT。目前被廣為認可的SDT機制是：當聲敏劑接受低強度的超聲輻照時，利用超聲波在液體介質發生的空化效應，將能量傳遞給周圍的氧氣產生毒性活性氧（reactive oxygen species，ROS）。但是腫瘤長期處于缺氧微環境中，極大限制了SDT療效及進一步臨床轉化。目前臨床上尚無針對此問題的抗癌藥物。納米材料不僅具有靶向性好、載藥量高，還可優化腫瘤的靶向治療及增強影像，被廣泛用于藥物的載體［1］。如何利用納米醫學策略調節缺氧狀況，以改善SDT治療效果成為研究熱點。本文就SDT的作用機制，以及納米材料改善腫瘤缺氧從而增強SDT的研究進展綜述如下。

一、SDT的機制

PDT是激光、光敏劑和氧氣三者間動態相互作用的過程［2］。SDT是從PDT發展而來，該過程中產生的ROS仍未得到充分的認識，其機制尚不明確。目前較為認可的機制是聲空化效應在ROS的產生過程中起到重要的作用。超聲波與液體的相互作用會產生一種特殊的現象稱為聲空化，它可以激活聲敏劑并生成ROS［3］，空化可以分為穩定空化和慣性空化，穩定空化中氣泡震蕩，同時慣性空化過程中的氣泡增長到接近共振的大小，并在劇烈塌陷之前膨脹至最大，由內爆引起的釋放能量所產生的環境被視為聲化學反應器。在組織化學反應器的作用下，一小部分聲敏劑將被從基態激活為激發態，且隨著被激活的聲敏劑返回基態，釋放出的能量可以轉移到周圍的環境氧中，產生大量的ROS，隨后介導細胞毒性。這一過程與PDT中ROS產生的原理相似。慣性空化中，當微氣泡爆炸時，釋放出的能量可引發聲致發光的發射［4-5］，且在超聲的空化效應中，微氣泡破裂瞬間釋放出的能量與周圍的液體作用發生熱解作用，進一步增強了殺傷細胞的能力。微氣泡內爆發釋放的能量還可通過流體動力、剪切力破壞細胞，如破壞細胞的重要細胞骨架結構。總之，SDT作用過程需要具備超聲輻照、聲敏劑、氧氣3個條件，且聲空化效應在ROS的產生起著重要作用。

二、納米材料改善腫瘤缺氧增強SDT的研究進展

腫瘤缺氧是由氧氣供應與消耗間的不平衡引起的，其對癌癥的生長、轉移具有至關重要的影響，長期以來一直被認為是癌癥治療的主要障礙。新興的概念之一是在腫瘤部位供應或產生氧氣，以增加部分氧氣壓力，從而逆轉缺氧及其影響。McEwan等［6］通過將聲敏劑玫瑰紅附著在脂質穩定化的充氧微氣泡的表面上，該合成物可較相同濃度的單獨敏化劑產生更多的ROS，超聲治療后，該治療組的腫瘤鼠在治療后5 d腫瘤體積縮小了45%，結果表明，采用將氧氣輸送至缺氧腫瘤的方法可以顯著增強SDT。但是，1 ml的氧氣微泡的攜氧量僅為2 mol左右，同時受到保存期短、易相變等的限制，不易向臨床轉化。因此，納米醫學提出了新的策略，納米材料在緩解缺氧微環境的兩種主要策略：①將氧氣直接輸送到腫瘤中；②通過不同的方法在腫瘤微環境中原位產生氧氣。

（一）基于全氟化碳材料輸送氧氣

全氟碳化合物（PFC）是基于烴的合成有機分子，其中氫原子部分或完全被氟原子取代，氟的高電子負電性使PFC具有出色的氧親和力［7］。許多PFC化合物已被臨床批準用于各種生物醫學應用，包括超聲、熒光、MRI檢查和血液取代基［8］。為更好地利用PFC攜帶氧氣的特點，研究者采用了一種將光敏劑/聲敏劑和PFC納米乳劑一起負載的新方案。Chen等［9］制備碳氟鏈修飾的負載IR780的介孔有機硅納米粒，該有機硅納米粒有著優異的生物相容性和較大的表面積特點，其不僅與氧氣有著較強的親和力，且更易被負載于載體上；經細胞實驗發現經納米粒合并超聲輻照的PANC-1細胞熒光強度明顯低于對照組，超聲輻照后細胞內的氧氣濃度可在2 h內迅速增長至15 mg/ml，說明該納米粒在超聲的激發下可迅速升高腫瘤細胞內氧氣水平。采用電子自旋共振光譜進一步可視化評估ROS產量，經超聲輻照處理所得的ROS信號明顯增加，說明該納米粒釋放的氧氣可用于增強SDT產生更多的ROS。在缺氧胰腺癌移植瘤小鼠模型中，經不同處理30 d后，該納米粒經超聲輻照后小鼠腫瘤體積顯著減小，腫瘤體積是未攜帶氧氣納米粒組的1/4。該實驗表明充足的氧氣供應可產生更多的ROS，最終實現了針對低氧PANC-1胰腺癌的高效SDT治療效果。

由于腫瘤的異質性、耐藥性或頻繁復發，目前依靠單一療法的癌癥治療仍然不能令人滿意。聯合治療可將具有不同藥物和/或機制組合以協同提高治療效果。Huang等［10］構建了一個攜氧納米平臺用于SDT和化療的聯合治療，采用聚乳酸-羥基乙酸共聚物作為該納米粒的外殼，將具有攜氧作用的全氟三丁胺作為內核，并通過化學方法載入聲敏劑IR780和化療藥物阿霉素。在小鼠乳腺癌移植瘤模型中，化療組小鼠腫瘤體積較原始增加4.2倍，而經過每隔2 d行瘤內注射該納米粒且行超聲輻照治療后，小鼠腫瘤體積僅為原始體積的2倍，說明該攜氧納米粒能有效抑制腫瘤的生長，改善腫瘤微環境缺氧同時增強SDT和化療的聯合治療。因此，克服缺氧不僅能提高SDT療效，在與傳統抗癌治療的聯合治療中也將發揮重要作用。

（二）基于紅細胞仿生納米材料輸送氧氣

人造材料通常會觸發人體免疫防御系統的免疫反應，因此在體內應用時需嚴格的要求。受長循環、良好的生物相容性和生物膜免疫原性低的啟發［11］，各學者［12-14］采用取自紅細胞、腫瘤細胞、血小板的膜構建仿生納米載體。其中，紅細胞缺乏細胞核和細胞器，但富含血紅蛋白（每個紅細胞攜帶2.7億個血紅蛋白分子），在循環過程中容易發生自氧化作用，產生的有毒物質Ferryl-Hb。Du等［15］制備了基于紅細胞仿生納米載體，利用Ferryl-Hb的毒性增強殺傷腫瘤細胞的能力。紅細胞具有由特殊酶（如過氧化氫酶）組成的系統［16］，過氧化氫酶可以催化腫瘤環境中的過氧化氫（H2O2）產生氧氣。基于此，Li等［17］利用低滲法制備紅細胞膜囊泡，將聲敏劑與紅細胞膜囊泡超聲混合，緊接著通過聚碳酸酯膜擠出可得到經紅細胞膜包被的供氧仿生納米探針（平均粒徑為141 nm）。為了驗證紅細胞膜囊泡中特殊酶催化產生氧氣的能力，通過體內實驗發現該納米材料對應的綠色免疫熒光強度最弱，說明腫瘤中H2O2被納米探針攜帶的過氧化氫酶催化后，釋放氧氣進一步緩解腫瘤缺氧；體內抑瘤實驗發現，在口服抗腫瘤藥異硫氰酸苯乙酯的輔助下，該納米探針可以有效消除腫瘤并延長小鼠的生存時間。這種新穎的納米平臺為改善深部腫瘤的治療提供了新方法。

（三）基于內源性H2O2產生氧氣

腫瘤環境中異常的增殖代謝和調節功能障礙導致大量的H2O2的產生，可將其用于原位產生氧氣代以克服缺氧。迄今為止，已經開發了幾種不同方法以利用內源性H2O2進行低氧緩解從而增強SDT。

1.基于過氧化氫酶樣供氧：過氧化氫酶是體內主要的抗氧化酶，可將H2O2轉化為水和氧氣。Li等［18］制備一種氟化殼聚糖合成為高效無毒的透黏膜遞送載體，與內消旋四（4-羧苯基）卟啉偶聯的過氧化氫酶組裝在一起。將不同濃度過氧化氫酶的該納米粒加入等體積的H2O2中，與不含過氧化氫酶組比較，含過氧化氫酶組可產生大量的氧氣，說明該納米粒可催化H2O2產生氧氣；且隨著納米粒中過氧化氫酶濃度越高，測得氧氣含量也越高。經體內實驗發現，滴注該納米粒的小鼠腫瘤的氧合水平顯著提高，而不含過氧化氫酶的納米粒治療則無效果。因此，利用過氧化氫酶催化的腫瘤內源性H2O2產生的氧氣來有效緩解腫瘤組織中的缺氧，能進一步改善SDT的功效。

2.基于納米酶供氧：納米酶是指具有酶樣催化特性的納米材料，由于其獨特的特性，如易于合成、高穩定性成為近期研究重點。具備納米酶樣活性的材料有：二氧化錳（MnO2）、普魯士藍（PB）、鉑（Pt）、高鐵酸鉀鹽（VI）（K2FeO4）等。

（1）MnO2：Zhang等［19］利用MnO2為納米載體，包封了聲敏劑血卟啉單甲醚和葡萄糖氧化酶用以介導SDT/饑餓療法聯合治療。MnO2納米粒催化H2O2降解以產生氧氣的方式與過氧化氫酶一致，不僅將其提供給葡萄糖耗竭反應用于有效的饑餓療法，而且還增強了ROS的生成，以促進血卟啉單甲醚介導的SDT效應。此外，系統中釋放的Mn2+離子能夠增強MRI信號。為在影像介導下的精確靶向治療提供了新的方法。

（2）K2FeO4：是一種高級氧化物，對水和H2O2具有高反應性同時能消耗腫瘤微環境中的谷胱甘肽，表現出過氧化氫酶樣性質。Fu等［20］利用可生物降解的中空多孔有機硅納米材料作為納米載體，同時載入聲敏劑原卟啉和K2FeO4。體外實驗研究觀察到氧氣含量在4 min內明顯增加至8.9 mg/L；且采用等價的納米載體加入含H2O2的PBS中，氧氣含量可升高至約12.0 mg/L。利用光聲成像觀察體內腫瘤位置的氧合情況，結果與體外一致。該納米載體經超聲輻照40 min內，腫瘤內的超聲信號明顯增強，且氧合血紅蛋白飽和度從32.3%顯著增加至52.7%；在為期15 d的抑瘤實驗中，治療組小鼠移植骨肉瘤的抑瘤率高達94.9%，說明該納米系統改善缺氧增強SDT的策略有著應用前景。

（3）Pt納米顆粒：其是許多化學反應的知名催化劑，具有過氧化氫酶樣活性。Liang等［21］制備了一種用以聲動力聯合化療/光熱的多功能納米載體，即氫化的空心含鉑二氧化鈦顆粒包封化療藥物阿霉素。氫化的二氧化鈦表面上不均勻分布的鉑納米顆粒不僅促進了電子轉移，且還可發揮過氧化氫酶樣活性，在低氧環境中產生足夠的氧氣。在濃度為250×10-6M的H2O2溶液中，短短50 s內，該納米載體催化產生氧氣可達到5.5 mg/ml，證實其能高效催化H2O2提供氧氣。

（4）PB：具有出色的過氧化氫酶活性，催化腫瘤區域H2O2產生氧氣。Zhang等［22］制備一種經低分子量透明質酸表面修飾的介孔PB且包封聲敏劑血卟啉單甲醚的多功能納米系統，發現該納米系統可作為原位巨噬細胞轉化器和氧氣發生器。利用動物超聲成像系統監測腫瘤區域中氧氣水平發現在靜脈注射該納米系統2 h后，腫瘤中出現了明顯的超聲信號，表明腫瘤組織中存在大量的氧氣，實現了可視化監測體內氧氣水平；此外，免疫熒光染色結果發現經過該納米系統治療10 d后，小鼠腫瘤區域的缺氧熒光減弱，表明腫瘤區域缺氧得到很大的改善。

三、總結及展望

總之，基于納米材料改善腫瘤缺氧是一種有效的、新興的策略，但是在向臨床的應用轉化中，存在著不少棘手的問題：①癌癥納米醫學適用性的主要機制是由于腫瘤的EPR被動靶向效應，但有些納米材料并未大量聚積于腫瘤區域［23］；②納米材料尚處于研究階段，目前多采用金屬（如錳、鐵、銅等）的納米粒提供氧氣，但這些物質在正常情況下非特異性地積累于組織并緩慢釋放金屬離子可能有害；如聚積在其他健康的部位，也會引起臟器的高氧毒性等相關問題，后期需進行長期毒性實驗（至少6個月），以評估其生物相容性和安全；③大多缺氧癌細胞均位于實體瘤深處，遠離血管，對于納米材料而言，進入這些細胞具有極大的挑戰性。因此，尋找合成方法簡單、毒性低、供氧強、具有深層腫瘤滲透能力的納米粒仍是未來研究的熱點。