納米生物材料：助力抗腫瘤藥物研發

雷自文 祁迎秋 聶廣軍

腫瘤已逐漸成為對人類公共健康構成重大威脅的疾病之一。近年來，腫瘤的發病率和死亡率呈持續上升態勢，癌癥的防治形勢相當嚴峻。各國在針對癌癥發生發展機理研究及診治方案上投入了大量人力物力和財力。治療方面，除了傳統的藥物治療和放療外，納米技術的迅速發展為開發腫瘤特異性藥物帶來了全新的機遇。

納米技術是一種研究物質在納米尺度（通常是1～100納米）下的特性和現象的科學技術。在生物醫藥應用方面，納米技術可以制備出納米級的藥物載體，通過調整載體的形狀、大小、組成和表面性質等特征，進而提高藥物的穩定性和生物利用度，并實現藥物的靶向傳遞，減少藥物在體內正常組織的分布，提高藥物的療效，減少毒副作用，是抗腫瘤藥物研發領域的“鋼刀利刃”！

科學家已經利用納米技術，根據腫瘤微環境的獨特性，精心設計了多種不同類型的抗腫瘤納米藥物，主要包括DNA納米藥物、多肽納米藥物以及納米腫瘤疫苗等。納米藥物實現了藥物的高度靶向輸送、可控釋放以及對免疫系統的精準調節，即通過對腫瘤微環境進行更精確的調控，達到顯著的抗腫瘤效果。這不僅極大提高了治療效果，也減少了對正常組織的不良影響，為腫瘤治療帶來了前所未有的希望和可能。因此，納米生物材料的應用為助力抗腫瘤藥物研發揭開了嶄新的篇章！

在腫瘤的生成和發展中，除了惡性腫瘤細胞自身，實體瘤內還存在一系列復雜的基質細胞和相關的細胞外組成成分。這些不同的成分相互作用，形成了一種特殊的“生態系統”，即腫瘤微環境。在這一微環境內，失控增殖的腫瘤細胞、功能受損的免疫細胞和異常的血管內皮細胞共同構成了一塊“肥沃”的土壤，為腫瘤的快速發展提供了有利條件。這個微環境中不斷發生著多種生物學過程，包括炎癥反應、血管生成、免疫逃逸和細胞外基質重塑。炎癥反應吸引免疫細胞，并釋放多種細胞因子和化學介質來推動腫瘤細胞的增殖、侵襲和轉移；新血管的生成為腫瘤生長提供營養和氧氣，同時也為腫瘤細胞的轉移提供通道；免疫抑制機制阻止了免疫細胞有效地消滅腫瘤細胞；細胞外基質的重塑促進了腫瘤細胞的侵襲和轉移。所有這些過程共同促進腫瘤細胞的生長、轉移和耐藥性，形成一個惡性循環，使患者病情不斷惡化[1]。這些腫瘤內發生的病理變化促進腫瘤發生發展的同時，也塑造了腫瘤微環境缺氧、酸化等特征。腫瘤細胞自身也會分泌相關因子進一步促進這些病理過程的進展。

然而，正是這些為腫瘤發展提供便利的微環境特性，為我們提供了研究和開發腫瘤特異性藥物的機會，達到“以其人之道，還治其人之身”的目的。

納米技術作為一項有巨大潛力的新興技術，能夠通過精確控制藥物的輸送、釋放和靶向性，針對腫瘤微環境的特點進行針對性的藥物設計。針對炎癥反應，可以將納米生物材料做成藥物載體，將封裝其中的藥物通過針對腫瘤細胞表面特定受體的靶向作用，遞送到特定的部位實現精確釋放。應對腫瘤微環境中的血管生成，納米生物材料可以針對腫瘤血管內皮細胞進行靶向作用，釋放抗血管生成藥物，有效地抑制腫瘤血管的生長，削弱腫瘤的血液和氧氣供應[2]。通過設計納米疫苗或納米免疫佐劑等納米生物材料，激活患者自身的免疫系統，增強其對腫瘤細胞的辨識和攻擊能力，克服腫瘤微環境中的免疫逃逸[3]。同時，納米免疫佐劑也有助于提升免疫細胞的活性，增強其抗腫瘤效果。此外，納米生物材料還可干預細胞外基質的重塑，通過攜帶基質金屬蛋白酶抑制劑等藥物，靶向腫瘤細胞外基質，重新塑造其結構，從而有效阻止腫瘤的侵襲和轉移。

針對腫瘤微環境中缺氧和酸化等特點，利用納米技術精確設計缺氧或酸響應型的納米藥物載體，它們能在腫瘤組織內得到集中和滲透，實現藥物在腫瘤組織或細胞內目標區域的有選擇性釋放，從而實現更高效和精準的治療。

綜上所述，納米技術為應對腫瘤微環境的獨特特點，提供了有針對性的納米生物材料設計途徑。這些納米生物材料可以構建高效的藥物輸送平臺，實現對腫瘤細胞的定向輸送和調控腫瘤微環境，同時改善藥物的藥代動力學特性。這為抗腫瘤藥物的研發帶來了全新的思路和方法，有望在未來的臨床應用中取得突破性進展，為腫瘤患者帶來更好的治療效果。

異常的血管新生是腫瘤生長的必要條件，它為腫瘤的增殖提供了必要的營養物質和氧氣，針對腫瘤的抗血管生成藥物已廣泛運用于臨床治療中。如一種靶向抗腫瘤藥貝伐珠單抗（針對結直腸癌、非小細胞肺癌、宮頸癌、卵巢癌等）可以選擇性地抑制新生腫瘤血管的形成，減少腫瘤細胞的血液供應，從而抑制腫瘤細胞的生長；也可以剝奪腫瘤細胞的營養和氧氣，使其大量死亡。凝血酶可以通過激活血小板，將纖維蛋白原轉化為纖維蛋白，對血小板的富集進行調節，最終導致阻塞性血栓形成。由此可見，倘若能利用納米藥物載體將凝血酶靶向運輸到腫瘤組織部位，則可以有效切斷腫瘤細胞的營養供應。DNA分子已被證明是進行納米藥物載體設計的良好底物，可以通過DNA折紙技術，將天然DNA的長鏈進行反復折疊，并用短鏈進行固定，隨后修飾上相關功能元件，使其能感應外界刺激進而發揮相應功能，故又可稱其為“納米機器人”。在抗腫瘤藥物設計領域，可以通過化學方法將靶向腫瘤的配體分子結合到DNA上，使DNA納米機器人獲得“智能導航系統”，然后將抗腫瘤藥物連接到DNA上，通過DNA納米機器人將負載的藥物靶向遞送到腫瘤組織，實現精準治療。

我們通過將多種功能元件，包括矩形DNA折紙、凝血酶、靶向序列（AS1411，一種靶向核仁素的核酸配體）、閉鎖序列進行組裝，設計了一種可有效誘導腫瘤組織血管發生血栓的DNA納米機器人。當DNA納米機器人被靜脈注射入荷瘤小鼠體內，隨著血液循環，納米機器人在“智能導航系統”AS1411的引導下，到達腫瘤血管內皮細胞表面，與其細胞膜上特異性表達的特異性蛋白——核仁素結合，閉鎖序列斷開，管狀的DNA納米機器人轉化為矩形的DNA折紙，包裹在內部的凝血酶得以暴露，隨之啟動凝血酶催化的凝血過程，誘導腫瘤血管發生血栓，有效切斷對腫瘤細胞的營養供應，最終殺死腫瘤。

在這項研究中，DNA納米機器人除具有DNA分子本身的高化學穩定性和生物相容性，還增加了藥物負載、藥物靶向遞送等“智能功能”，實現了凝血蛋白酶對腫瘤血管的靶向遞送，有效誘導腫瘤血管發生血栓。這種納米藥物載體的策略可以提供更精確和定向的治療，避免對健康組織的過度傷害，為癌癥的靶向治療提供了新思路。相信隨著技術的不斷發展，DNA納米機器人將在抗腫瘤治療中發揮更大的作用[4]。

多肽是由氨基酸組成的短鏈蛋白質，具有結構多樣性和生物活性，因此，我們可以通過調整氨基酸序列和空間構象，精準調控多肽納米藥物的特性和功能。例如，通過設計能與特定受體或細胞結合的多肽序列，實現藥物的精準傳遞和靶向治療，提升藥物療效，減少對正常細胞的不良影響。利用多肽的自組裝特性，可進行納米藥物載體的設計，將抗腫瘤藥物包裹在其內部，提高藥物的穩定性和腫瘤細胞的攝取率，達到增效減毒的目的。同時，也可以通過修飾缺氧響應或酸響應序列，實現藥物的可控釋放。此外，還可根據腫瘤細胞外基質重塑過程中高表達的相關蛋白酶如基質金屬蛋白酶（MMP），來針對性地設計酶響應多肽納米藥物。在此基礎上還可通過多種靶向序列和響應序列的修飾，實現納米藥物的多重靶向和順序響應，進一步提高藥物療效，減少不良反應。可見，具有“七十二變神通”的多肽納米藥物，能針對腫瘤微環境的多樣性進行精準調控，使腫瘤無處遁形。

我們以腫瘤細胞膜上廣泛表達的表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor， EGFR）蛋白為靶向目標，利用一段可與EGFR蛋白特異性結合的多肽序列作為親水端，十八烷酸作為疏水端，構建了一類靶向型多肽自組裝納米載體。該載體本身可自組裝形成納米顆粒，與腫瘤細胞系中高表達EGFR的細胞結合后被內吞；當載體攜帶疏水化療藥物成為功能化納米藥物時，通過靶向結合、釋放化療藥物，就可達到協同殺傷腫瘤細胞的目的[5]。

由于腫瘤的細胞外基質屏障，會引起抗腫瘤藥物滲透率不足。利用多肽的自組裝特性，將疏水性抗癌藥物阿霉素包裹在雙親性多肽CAP納米顆粒中，當納米顆粒到達腫瘤部位時，被腫瘤基質中高表達的FAP-α（一種腫瘤相關成纖維細胞表達的蛋白酶）切割，其中的藥物釋放出來，從而提高了藥物在腫瘤組織中的滲透率，實現了優越的響應性釋放和抗腫瘤效果[6]。

在腫瘤微環境下，為阻止PD-1/PD-L1信號通路激活及吲哚胺2，3-雙加氧酶（IDO）大量分泌所引起的免疫抑制現象，通過設計一種雙親性多肽[由3-二乙基氨基丙基異硫氰酸酯分子（DEAP）、MMP-2特異切割序列（PLGLAG）和免疫檢查點PD-L1短肽拮抗劑（DPPA-1）組成]，經過其自組裝過程，將IDO的小分子抑制劑（NLG919）包裹在納米顆粒中，構建成順序響應的多肽納米藥物。該藥物在腫瘤微環境的弱酸性條件下，通過DEAP的質子化膨脹，暴露MMP-2特異切割序列；后者被腫瘤微環境中高表達的MMP-2切割，釋放DPPA-1和NLG919。這種設計方案實現了對免疫檢查點PD-1的阻斷和IDO的抑制，實現了雙重免疫治療，并獲得了出色的抗腫瘤效果[7]。

多肽自組裝技術在抗腫瘤納米藥物研發中展現了巨大前景。通過調節多肽序列和環境條件，可實現納米藥物的靶向輸送、藥物的可控釋放和免疫治療等目標。

源自細菌的外膜囊泡（outer membrane vesicle， OMV）是一類由細菌分泌的微小囊泡，其內含細菌外膜蛋白、細胞壁成分和其他生物活性分子，它在腫瘤疫苗研發領域中具有廣泛的應用潛力。

OMV可作為一種有效的抗原提呈系統，用于激發免疫系統對腫瘤細胞的免疫反應。通過調整OMV表面的化學性質或結構，可以實現免疫細胞（如樹突狀細胞，一種抗原提呈細胞，簡稱DC細胞）的特異性識別和定位，提高抗原提呈細胞對抗原的攝取效率，增強免疫反應的強度和效果。此外，OMV表面富含的病原體相關分子模式（PAMP），使其成為一種潛在的免疫佐劑，以增強免疫應答。例如，通過將OMV與自體腫瘤組織中獲得的腫瘤細胞膜進行融合，可以構建個體化的腫瘤疫苗，同時共提呈抗原和免疫佐劑，以增強免疫反應的效力；甚至可以將經基因工程改造的細菌引入腸道。這些工程細菌通過穿透腸上皮屏障、釋放OMV，誘導更強大的抗腫瘤免疫效應，并在免疫系統中建立更持久的免疫記憶效應。因此，OMV在腫瘤疫苗研發領域具有廣泛應用前景。通過調節OMV的性質和應用方式，可以實現免疫系統的有效激活，為腫瘤治療提供新的策略和途徑。

小細菌的大用途：OMV腫瘤疫苗

免疫系統對腫瘤抗原的有效識別是成功實施腫瘤免疫治療的關鍵。然而，令人遺憾的是，只有大約1%的外源性腫瘤抗原能夠被機體免疫系統充分辨識。為成功開展腫瘤免疫治療，必須使用適當的腫瘤抗原遞送載體。同時，由于不同類型的腫瘤存在顯著的差異，即使同一類型的腫瘤，它們在不同患者之間也可能存在差異。因此，如果能將不同的腫瘤抗原呈現在同一遞送載體上，就能夠開發出個性化的腫瘤疫苗。

OMV是一種有效的抗原遞送載體，通過基因工程技術可以對產生OMV的細菌進行改造，在OMV表面表達融合蛋白[如細胞溶素A（cytolysin A， Cly A）-腫瘤抗原]，實現OMV對多種不同的腫瘤抗原的有效負載。然而，在基因工程細菌生產OMV的過程中，腫瘤抗原已經被同時表達在OMV表面，無法實現OMV載體對腫瘤抗原的自由匹配。這樣，不但限制了OMV腫瘤疫苗的規模化生產，同時也大大限制了OMV腫瘤疫苗在腫瘤個體化治療中的應用，亟需開發一種更便捷高效的OMV腫瘤抗原遞送系統。

基于此，我們利用基因工程技術和分子膠水技術，開發了一種“即插即用”型OMV腫瘤疫苗平臺，能夠快速展示多種腫瘤抗原并實現高效遞送和免疫刺激。該腫瘤疫苗平臺不僅可依賴其尺寸優勢實現淋巴結的高效引流，還具備免疫佐劑功能激活多種天然免疫通路，實現有效的腫瘤免疫治療[8]。這不僅滿足了復雜多樣的腫瘤抗原臨床需求，還有望極大地推動個體化腫瘤疫苗的發展。

腫瘤的個性化治療：雜合膜腫瘤疫苗

自體來源的腫瘤細胞膜富含腫瘤抗原，可喚起機體特異性免疫反應，但其自身免疫原性較低，單獨作用下引發的免疫反應較弱。因此，需要佐劑輔助以增強機體對腫瘤抗原的免疫響應。細菌細胞膜作為佐劑，通過促使DC細胞成熟、激活T細胞等途徑，增強免疫響應。與其他細菌來源的佐劑如脂多糖相比，細菌細胞膜還能有效減少急性毒性反應。

為了實現特異性的抗腫瘤反應、避免不良反應，我們開發了一種個性化雜合膜納米腫瘤疫苗，它由源于自體腫瘤的細胞膜、大腸桿菌細胞膜和聚乳酸納米顆粒構成。實驗結果顯示，在手術切除腫瘤后，這些雜合膜納米顆粒誘導了強烈的腫瘤特異性免疫反應，提高了小鼠的存活率，能長期保護小鼠免受腫瘤的再次攻擊。且沒有因為細菌細胞壁污染導致的免疫系統過度刺激等不良反應。該研究表明，基于細菌細胞質膜有效激活先天免疫系統的個性化自體腫瘤抗原疫苗，實現了個性化腫瘤膜抗原和細菌細胞膜佐劑的有效遞送，成功激發機體特異性免疫反應，提供了持久的免疫記憶保護效果，有效遏制了腫瘤的術后復發，在癌癥術后患者的個性化治療方面具有巨大潛力[9]。

未來的“糖丸”：口服腫瘤疫苗

口服給藥通常被視為相較于注射更安全、患者更易依從及醫療費用更低的疫苗接種方法。腸道作為人體最大的免疫器官，含有約70%的免疫細胞，因此口服腫瘤疫苗有望引發強烈的抗腫瘤效應。然而，復雜的消化道環境和腸道上皮屏障限制了口服疫苗的開發。某些口服減毒活疫苗，如脊髓灰質炎疫苗，能夠利用微生物在預防傳染病領域的自然特性，有效克服腸道上皮屏障。然而，這種方法并不適用于口服腫瘤疫苗，因為腫瘤細胞本身不具備病毒所具有的穿越腸道上皮屏障的能力，并且減毒活疫苗仍然存在感染和傳播的潛在風險。鑒于屏障穿透性、安全性和有效性等方面的考量，迫切需要開發新的口服疫苗技術。

我們設計了一種基于基因工程細菌腸道生產效應OMV的口服腫瘤疫苗體系。這種口服疫苗在多種小鼠腫瘤模型中均能誘導機體產生強有力的抗腫瘤免疫效應和免疫記憶效應，有良好的臨床應用前景[10]。

納米生物材料基于生物分子的納米結構整合了天然構建模塊的材料和生物學優勢，使得藥物載體的多功能設計成為可能。然而，隨著材料復雜性的增加，臨床應用的挑戰也相應增加。此外，為充分發揮基于生物分子的抗腫瘤納米藥物研發的應用潛力，需要全面理解納米材料與腫瘤微環境之間的相互作用，以便進行針對性的納米藥物載體設計。只有這樣才能實現藥物的精確傳輸、控制釋放、診斷監測以及改良優化，從而提高藥物的療效、改善患者的治療體驗。

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關鍵詞：納米生物材料 腫瘤微環境 抗腫瘤藥物 納米機器人多肽納米藥物 腫瘤疫苗 ■