納米氣體制劑的構建及治療惡性腫瘤的研究進展

陸秀鑫，劉軍杰，王欽，吳雅菲，郭靜，張維青

1 廣西醫科大學附屬腫瘤醫院超聲科，南寧 530000；2 廣西醫科大學第一附屬醫院超聲科；3 廣西醫科大學附屬腫瘤醫院實驗研究部

惡性腫瘤作為人類健康的頭號殺手，發病率逐年增加［1］。迫切需要開發安全、高效、徹底的非侵入式腫瘤治療策略。研究發現，外源補充一氧化氮（NO）、一氧化碳（CO）、硫化氫（H2S）、氫氣（H2）、二氧化硫（SO2）等氣體信號分子在癌癥治療過程中發揮重要作用［2］。因此，氣體療法在腫瘤治療中引起廣泛關注，并可能成為一種有潛力的“綠色”治療方式［3］。然而，這些氣體分子的溶解性低、擴散性高、組織滲透性差等特性極大限制了氣體療法在實際治療過程中的應用［4］。氣體前體藥物多為小分子化合物，體內循環時間短，缺乏在腫瘤內主動聚集和可控釋放的能力，從而導致治療效果不理想［5］。納米氣體制劑將前體藥物與納米載體相結合，借助刺激源來實現氣體分子的腫瘤靶向遞送與可控釋放，最大限度地提高氣體分子及其前體藥物的利用率。目前，關于納米氣體制劑的研究聚焦于如何提高氣體分子或前體藥物的負載量、催化反應效率及氣體釋放的可控性，從而提高氣體療法的腫瘤治療效果。現對已報道納米氣體制劑的構建形式及基于氣體療法的聯合腫瘤治療策略總結如下。

1 納米氣體制劑的構建形式

1.1 提高分子負載量構建納米氣體制劑 中空介孔納米材料裝載氣體前藥是提高治療氣體分子濃度的有效策略。FAN 等［6］通過將葡萄糖氧化酶（GOx）與NO 氣體前藥精氨酸（Arg）共同負載至中空介孔二氧化硅（hMON），成功構建了葡萄糖響應性釋放NO的納米氣體制劑（Arg@hMON-GOx）。同樣地，羰基釕、羰基鐵和羰基錳等CO 氣體前藥可擔載至多孔載體，用于提高氣體療法的癌癥治療效果［7］。GONG等［8］利用一種光催化納米材料（HisAgCCN）實現了光響應性釋放CO。除此之外，基于H2S 氣體納米制劑也得到了廣泛研究。有學者合成的Fe1-xSPVP納米顆粒可在弱酸性腫瘤微環境（TME）解離生成S2-，并原位生成H2S 氣體［9］。CHEN 等［10］首次合成了新的 H2S 供體，并通過疏水相互作用將其加載到上轉換納米粒子（UCNPs） 表面，在980 nm 的激光照射下，熱分解釋放出H2S。

1.2 提高分子釋放可控性構建納米氣體制劑 納米氣體制劑在外源性刺激源（如光、超聲波、X 射線、磁場和熱等）的作用下實現氣體地可控釋放，通過調節刺激源的功率和時間來控制其釋放氣體的速率和量［11］。目前，研究較多的刺激源為近紅外光（NIR），其組織穿透性高和光毒性低。因此，使用NIR 響應構建氣體納米制劑實現氣體可控性釋放無疑具有廣大的發展前景。XU 等［12］構建了可控釋放NO 的納米顆粒IPH-NO，它將光敏劑（IR780）和紫杉醇（PTX）加載到NO 供體-S-亞硝化人血清白蛋白（HSA-NO）中。NIR 照射誘導NO 的迅速釋放，從而誘導腫瘤細胞凋亡并抑制腫瘤生長，同時NO 結合光療和化學療法殺滅腫瘤細胞。相較于NIR，超聲具有更強的組織穿透性（深達20 cm）和空間靶向性［13］。因此，構建超聲響應的負載能力高、結構穩定、可重復利用的氣體釋放納米平臺引起人們的廣泛關注。FENG 等［14］將替拉扎明（TPZ）負載到中空介孔二氧化鈦納米粒子（HMTNPs）中，并修飾S-亞硝基硫醇（R-SNO），構建了多功能納米平臺TPZ/HMTNPs-SNO。在超聲刺激下，HMTNP 組分作為聲敏劑產生活性氧（ROS），ROS 進一步使-SNO 基團在腫瘤部位中實現NO 可控性釋放。同時，產生的NO可作為氣核增強SDT 的空化效應，實現SDT/氣體療法協同增強腫瘤治療的效果。

1.3 提高化學催化反應效率構建納米氣體制劑 為了確保身體的正常運行，人體內會發生多種酶和化學催化反應。在納米材料介導的腫瘤治療策略中，這些催化反應效率直接決定了其治療效果。首先，通過靶向輸送特定酶和相應底物提高其給藥劑量，可提高治療氣體供給。有學者制備了2-油酰-1-棕櫚錫甘油-3-磷酸膽堿（POPC）脂質體包封半乳糖籠的NONOate （β-gal-NONOate，一 種 穩 定 的NO 前藥），靶向到達腫瘤內，脂質體在腫瘤內弱酸性環境下降解導致β-gal-NONOate 緩慢滲透，釋放出β-gal-NONOate 在生物酶解作用下進一步催化分解為NO［15］。可見，酶和底物的高特異性保證了氣體釋放的高選擇性。但生物酶的活性受環境影響很大，因此開發穩定的人工仿生酶也是未來的探索方向。

2 聯合納米氣體制劑的腫瘤治療

2.1 聯合NO 納米氣體制劑的腫瘤治療 目前普遍認為，化療失敗主要歸因于多重耐藥性（MDR），但這有望被NO 逆轉。WANG 等［16］開發了酸性響應和生物正交化學反應介導的尺寸轉化簇狀納米系統，可在酸性TME 下通過生物正交反應形成大尺寸聚集體，有良好腫瘤滯留率。這些大聚集體可解離成超小樹狀聚氨基胺/阿霉素/一氧化氮納米材料（PDN），更好地穿透腫瘤，可將阿霉素（DOX）和NO輸送到缺氧的腫瘤內。以往研究發現，低氧誘導因子- 1α （HIF-1α）通過上調P-糖蛋白（P-gp）表達而導致化療失敗，與化療耐藥有關。而NO 可通過下調HIF-1α 水平，增強化療作用，并通過重編程血管的生成增強DOX 誘導的抗腫瘤免疫反應。NO 作為放射增敏劑，在X 射線照射后加重DNA 損傷并抑制DNA 修復，使NO 顯著增強放療的作用，但它易被血紅蛋白 （Hb）清除 。LIN 等［17］學者提出了一種仿生納米材料，內含有聚乳酸-乙醇酸共聚物 （PLGA）和中空微球（HM），其水核中含有NONOate 和表面活性劑分子（癸酸鈉，SC）。在酸性腫瘤環境中，HM 的PLGA 殼允許質子從外部滲透，激活NONOate 的裂解，自發產生NO 氣泡，NO 氣泡可擠壓后會通過其SC 保護層逐漸被動擴散到腫瘤部位。同時，它可在Hb 環境中產生和輸送NO，最大限度提高其在放療中的功效。NO 還能與ROS 生成劇毒活性氮物質（如 N2O3、ONOO-等），為NO 氣體增強聲動力療法奠定了基礎。為了實現NO氣體治療聯合聲動力治療，本課題組將氟碳螯合中空介孔有機二氧化硅納米粒子（FHMONs）作為載體共同負載磷酸二酯酶5 抑制劑（PDE5-i）和Ce6 光敏劑構建了一個光響應的NO釋放納米平臺，Ce6/PDE5-i@FHMON-O2可以釋放ROS 并將其轉換為活性氮自由基（RNS），由于 RNS比ROS具有更長的壽命，具有持久抗腫瘤作用［18］。

2.2 聯合CO 納米氣體制劑的腫瘤治療 CO 可顯著抑制ATP 合成并加重氧化應激，而對正常組織幾乎無毒性［19］。LI 等［20］開發了一種基于介孔普魯士藍納米顆粒（PB NPs）的NIR 響應性CO 釋放納米平臺，通過CO 誘導的代謝耗竭來逆轉MDR。五羰基鐵［Fe（CO）5］通過配位作用與PB NPs 偶聯，DOX 被封裝到PB NPs 的孔隙中。在逐層涂層后，NPs 顯示出所需的血清穩定性以增強在腫瘤中的積累。在NIR（808 nm）照射下，裂解Fe-CO 鍵釋放CO，加速線粒體代謝以阻斷ATP 合成并抑制ATP 依賴性藥物流出，逆轉MDR 從而增強化療功效。CO 作為放射增敏劑在較低輻射劑量下抑制腫瘤生長和減少副作用而來起到協同治療的作用［21］。有人將GdW10 納米粒子和MnBr（CO）5（MnCO）封裝在納米膠束系統（PLGA）中，合成了GW/ MnCO@ PLGA，構建了X 射線觸發的CO 釋放納米制劑用于協同放療［22］。其中在多鎢酸釓（GW）的X射線增敏作用下，強氧化性超氧陰離子（-O2-）活性物質的產生可導致細胞凋亡。此外，-O2-進一步氧化并與Mn中心競爭，導致按需釋放CO，實現了放療/氣體治療協同作用以增強腫瘤抑制作用。癌細胞對CO 有較高能量需求，當CO 作用于癌細胞線粒體后，會引發呼吸加速和ATP 消耗增加，最終誘發癌細胞凋亡。ZHAO 等［23］設計了FeCO-MnO2@MSN 納米藥物，用于腫瘤內衍生的ROS和CO 的級聯釋放。其中MnO2納米顆粒通過類Fenton 反應分解產生大量-OH 用于化學動力學療法（CDT），然后觸發共載的FeCO 分解為CO 用于氣體治療，實現了CDT和氣體治療的協同效應。

2.3 聯合H2S 納米氣體制劑的治療 目前，H2S 氣體分子用于癌癥治療的研究主要集中在其對癌細胞增殖和存活的影響［24］。研究證明，在進行放療前給予H2S 供體（NaHS），可改善腫瘤氧合和對放療的敏感性［25］。LI 等［26］構建了金屬酚類納米增敏劑（Hf-PSP-DTC@PLX），該納米平臺通過響應弱酸性TME生成H2S，產生的H2S對線粒體產生呼吸抑制而降低細胞耗氧率，利用O2來增強放療的功效并激活免疫原性。這種改善氧合和氧利用策略將在氣體治療聯合放療方面具有巨大潛力。H2S 介導的呼吸抑制與光動力學療法（PDT）相結合的巧妙策略，可有效增強抗 癌 效 果。YANG 等［9］設 計 合 成 了 響 應TME 的Fe1-xS-PVP納米顆粒。在弱酸性TME中，該納米顆粒解離的S2-與H+結合，在腫瘤部位生成H2S 氣體。同時，Fe1-xS-PVP 納米顆粒在NIR（808 nm）的激光照射下呈現良好的光熱轉化效率（24%），通過Fenton反應產生高濃度的-OH。另外，FENG等［27］報道了Cu（II）-卟啉衍生的納米級共價有機框架（COFs），觸發硫化反應產生H2S，同時生成無金屬的COF光敏劑。其原位生成的CuS可用作光熱劑，實現了H2S氣體治療同時聯合PDT和光熱療法（PTT）用于惡性腫瘤治療。

2.4 聯合H2、SO2納米氣體制劑的治療 H2對惡性腫瘤顯示出一定的療效。有研究者構建了一種含有聚多巴胺（PDA）和氨基硼烷（AB）的生物膜偽裝納米藥物（mPDAB）［28］。在酸性TME中，AB釋放H2并與-OH原位反應，通過增加細胞內ROS 水平，下調TNF-α 和IL-6 水平，減輕PTT 誘導的炎癥反應。SO2通過耗盡TME 中的谷胱甘肽（GSH）和破壞膜結構，對其造成氧化損傷。有學者設計了一種基于SO2氣體藥物輸送系統，通過加載抗癌藥物苯丁酸氮芥并使用GSH和NIR作為刺激條件來克服腫瘤的MDR［29］。

綜上所述，氣體療法是一種新興的、有前途的癌癥治療方法，氣體納米制劑的開發將為癌癥治療問題提供一些特殊的解決方案。為了實現高效安全的治療，需要根據不同治療模式構建高效、多功能納米氣體制劑。而在構建納米氣體制劑的過程中，如何提高氣體分子或前體藥物的負載量、催化反應效率、以及氣體釋放可控性仍是一個熱門話題。另外，單一的氣體治療不能達到最佳的治療效果，因此，如何利用單一納米平臺實現不同治療模式的高效協同作用，并對其分子機制進行研究是該研究領域的研究重點與難點。而多功能的納米結構有望實現多種治療方式的有機結合，加速了癌癥的多模態聯合治療策略的發展。除本文綜述的聯合治療方法外，免疫治療、基因治療等其他治療模式也有可能通過納米藥物途徑與氣體治療相結合來改善其治療效果，目前尚未見報道，但也是可以預期的。