銅基納米材料在增強化學動力學治療上的應用研究

程玉瑩 周學素 閆歌 田啟威 楊仕平

摘 ?要： 和傳統治療相比，化學動力學治療（CDT）被認為是一種低副作用且無創的治療方法，在眾多的治療方法中脫穎而出.CDT通過金屬離子介導的芬頓反應或類芬頓反應，將腫瘤中過表達的過氧化氫（H2O2）分解為劇毒的羥基自由基（·OH），從而殺死腫瘤細胞.近年來，銅基納米材料在CDT中蓬勃發展，極大地提高了CDT的效率.因此，基于銅基納米材料，歸納了通過調節腫瘤微環境來增強CDT以及其他療法的協同治療，為開發新型的類芬頓試劑提供了思路借鑒.

關鍵詞： 化學動力學治療（CDT）; 芬頓/類芬頓反應; 銅基納米材料; 腫瘤微環境; 協同治療

Abstract： Compared with traditional treatments， chemodynamic therapy （CDT） is considered as a non-invasive treatment method with low side effects， which stands out among many treatment methods. CDT uses metal ion-mediated Fenton or Fenton-like reactions to decompose the highly expressed hydrogen peroxide （H2O2） in tumors into highly toxic hydroxyl radicals （·OH）， thereby killing tumor cells.In recent years， copper-based nanomaterials have flourished in CDT， greatly improving the efficiency of CDT.Therefore， based on copper-based nanomaterials， this article summarizes the enhancement of CDT by modulating the tumor microenvironment and the synergistic treatment with other therapies， which provide a reference for the development of novel Fenton-like reagents.

Key words： chemodynamic therapy（CDT）; Fenton/Fenton-like reaction; copper-based nanomaterials; tumor microenvironment; synergistic therapy

0 ?引言

當前，癌癥已嚴重威脅著世界各地人們的健康，嚴重影響著患者的生活質量[1-3].癌癥傳統的治療方法包括手術、化學療法、放射療法等，這些方法會給患者帶來極大的痛苦，并且伴有不可避免的副作用[4-5].作為一種新型的治療方法，化學動力學治療（CDT）被認為是一種副作用低的非侵入性治療方法[6].CDT通過金屬離子介導的芬頓或類芬頓反應來催化腫瘤微環境（TME）中過表達的H2O2產生劇毒的羥基自由基（·OH），從而導致腫瘤細胞凋亡或壞死[7-8].與其他治療方式不同，CDT具有以下優點：1） 不需要外部能量輸入;2） 可以被內源性的刺激激活.最典型的CDT是亞鐵離子（Fe2+）介導的芬頓反應[9]，然而，由于強酸度（pH=3～4）和低催化效率，Fe2+介導的CDT產生活性氧的效率較低[10].因此，迫切需要開發具有高效催化特性的化學動力學試劑.相對而言，Cu+催化的類芬頓反應表現出比Fe2+更好的動力學效果[11].據報道，Cu+催化的類芬頓反應具有相當大的反應速率，即使在中性環境中，也可以催化H2O2產生的羥基自由基，其催化作用比Fe2+介導的芬頓反應強160倍[12].此外，Cu+/Cu2+還原電位低，因此H2O2介導的Cu+/Cu2+比Fe2+/Fe3+循環更加簡單[13].

盡管前景樂觀，但基于銅基納米材料的CDT在提高治療效率方面仍然面臨著嚴峻挑戰.雖然腫瘤細胞中的H2O2水平高表達（1×10-4～1×10-3 mol·L-1）[14-15]，但不能持續地生成羥基自由基，達到令人滿意的化學動力學效果.此外，腫瘤中具有高濃度的谷胱甘肽（GSH）（1×10-2 mol·L-1），作為細胞中重要的抗氧化劑，GSH會清除羥基自由基，從而削弱治療效果[16].因此，本文作者歸納了基于銅基納米材料調節腫瘤微環境從而增強CDT以及其他療法增強的CDT，為開發新穎的化學動力學試劑提供了思路.

1 ?調節腫瘤微環境增強的CDT

盡管相對于其他治療手段而言，CDT具有獨特的優勢，但仍然存在一些缺點，限制了其在臨床上的應用[17-19].近幾年來，研究者們提出通過調節腫瘤微環境來增強化學動力學效果，包括降低腫瘤微環境的pH值，消耗腫瘤中過多的GSH，增加H2O2含量.然而，由于銅介導的類芬頓反應即使在弱酸性條件下仍能發生.基于此，接下來主要對消耗腫瘤中高水平的GSH和增加H2O2的含量展開敘述.

1.1 降低谷胱甘肽的濃度

作為一種細胞內的抗氧化劑，GSH具有清除羥基自由基的能力，腫瘤細胞中高濃度的GSH降低了化學動力學的催化效果[20].因此，降低腫瘤微環境中GSH的水平有助于提高化學動力學效果.基于銅離子與含有巰基的配體具有良好的配位作用，如圖1所示，MA等[12]合成了自組裝銅氨基酸硫醇鹽納米粒子，構建了含銅納米制劑介導的化學動力學納米平臺.

當納米粒子被癌細胞內吞后，會和腫瘤細胞中過表達的GSH發生氧化還原反應，GSH會將Cu2+還原為Cu+.然后，Cu+和H2O2反應生成羥基自由基，從而引起腫瘤細胞凋亡.整個反應的機制如下：

由于腫瘤細胞中存在高濃度的GSH和H2O2，依次引發氧化還原反應，還原型GSH將Cu2+還原成Cu+，同時生成氧化型的GSH（GSSG）.體內和體外的實驗結果都表明銅-氨基酸硫醇鹽納米粒子（Cu-Cy NPs）具有很強的CDT效果，能夠有效地抑制耐藥性的乳腺癌，同時沒有明顯的系統毒性.作為一種新型的金屬有機硫醇類，Cu-Cy NPs具有很強的特異性，為癌癥治療提供了新的可能.

1.2 增加過氧化氫的含量

腫瘤中內源性的過氧化氫水平不足（1×10-4～1×10-3 mol·L-1）是限制化學動力學效率的另一巨大挑戰[14].因此，許多研究者致力于設計出能夠自供應H2O2的化學動力學試劑，這為癌癥治療開辟了新的方法.作為首個被報道的芬頓型金屬過氧化物納米材料，LIN等[18]用簡易的方法制備了過氧化銅（CP）納米點，在OH-的輔助下由H2O2與Cu2+ 經配位合成，這是一種通過自給H2O2從而增強CDT的簡便策略，如圖2（a）所示.

合成的CP納米點粒徑?。s為5 nm），小粒徑使它們能夠充分利用增強的滲透性和保留效果，如圖2（b）所示.在被癌細胞內化后，pH敏感的CP納米點在酸性的內膜/溶酶體中被分解，同時釋放出過氧化氫和Cu2+.反應的機制如下所示：

隨后發生類芬頓反應，生成具有高毒性的·OH，產生的·OH通過脂質過氧化作用誘導溶酶體膜通透化，進一步導致癌細胞死亡.在整個治療過程中小鼠體重沒有發生明顯變化，如圖2（c）所示，說明材料具有良好的生物相容性.實驗結果表明：治療組在很大程度上抑制了腫瘤，這歸因于材料在腫瘤中具有較高的積累，以及發生類芬頓反應產生高毒性的羥基自由基，從而殺死腫瘤細胞.這項研究首次合成了芬頓型的金屬過氧化物，為設計自供應H2O2 的化學動力學納米試劑提供了較好的范例.

2 ?基于銅基納米材料的其他療法增強的CDT

雖然CDT是一種具有低副作用且無創的治療方法，具有良好的癌癥治療效果，但是受到腫瘤微環境的復雜性和異質性影響，化學動力學的效果在很大程度上會被抑制[21-23].因此，越來越多的研究試圖把CDT和其他治療方法結合在一起，從而達到增強的CDT效果.在未來，研究人員將研發圍繞基于銅基納米材料的其他療法增強的CDT，這種化學動力學指導的協同治療將會在腫瘤精確治療醫學領域中發揮更重要的作用.

2.1 CDT協同化學療法

化學療法是一種傳統的癌癥治療方法，然而，長期的耐藥性和不可避免的副作用限制了其在臨床上的應用[24].隨著納米醫學的迅速發展，現在可以將CDT和化學治療結合起來，在提高CDT效果的同時降低藥物的副作用.PENG等[25]通過Cu2+和雙硫侖（DSF）的原位反應并負載二乙基二硫代氨基甲酸銅（II）（Cu（DDC）2），成功合成了穩定的配位金屬聚合物納米粒子，如圖3所示.

Cu2+和聚乙二醇-b-聚碳酸酯（PEC）側鏈中的羧基發生配位作用，提供類似核交聯的結構，增強了配位聚合物的穩定性.制備的納米粒子具有以下幾個優點：1） 可以通過調節Cu2+，DSF，PEC的進料比，改變Cu（DDC）2的載藥量和納米材料的特性;2） 在中性或微酸性條件下具有良好的穩定性;3） 當被腫瘤細胞內化后，釋放Cu（DDC）2用于化學治療和Cu2+介導的CDT.這種基于金屬配位聚合物的納米材料為化療和CDT的協同治療在腫瘤治療中的應用提供了新的見解.

2.2 光熱增強的CDT

光熱治療是利用光熱劑吸收近紅外光能，將其轉化為熱能，從而治療腫瘤的新興手段，由于其具有高選擇性和低毒性，且對正常組織沒有影響，受到廣泛關注[26-28].根據文獻報道[29]，化學動力學可以通過提高腫瘤部位的溫度來進一步增強治療效果，這為提高化學動力學在腫瘤治療中的應用開辟了新的道路.硫化銅納米顆粒具有良好的光熱效果，被廣泛用作光熱試劑.WANG等[30]合成了具有空心結構的硫化銅，和實心的硫化銅相比，空心硫化銅納米粒子的比表面積是實心硫化銅納米粒子比表面積的1.7倍，這意味著納米粒子具有更多的反應活性位點，大大提高了類芬頓反應的催化效果.同時，硫化銅具有良好的光熱效果，進一步促進了羥基自由基的生成，從而增強了化學動力學反應效率.

如圖4（a）所示，將材料尾靜脈注射到小鼠體內，用808 nm的激光對小鼠進行照射，進而進行光熱治療;同時，材料還可以與腫瘤中高表達的H2O2發生化學動力學反應，生成·OH，光熱治療提供的熱源增強了類芬頓反應的催化作用，進一步增強了腫瘤的治療效果.如圖4（b）所示，材料+激光（laser）這組腫瘤沒有發生明顯的增殖，這表明，CDT和光熱治療協同治療具有杰出的癌癥治療效果，能夠完全消滅腫瘤，如圖4（c）所示.Cu9S8納米粒子可以用作化學動力學試劑，催化腫瘤中的H2O2產生羥基自由基;另一方面，Cu9S8納米粒子又可以作為光熱試劑，催化提高Cu+介導的CDT效果.單純的CDT很難達到預期的癌癥治療效果，而光熱治療和CDT的協同治療對腫瘤的治療起著顯著的增強效果，這是由于光熱治療提供的熱源增強了類芬頓反應的催化作用.這種將光熱治療、CDT和原位自生成核磁共振成像結合在一起的多模態影像指導的協同治療，為開發更新型的類芬頓試劑指明了道路.因此，將光熱治療和CDT結合在一起的協同治療有望成為提高CDT效果的良好策略.

2.3 CDT協同聲動力治療

聲動力治療是一種有效的無創腫瘤治療方法，通過超聲波激活聲敏劑以產生活性氧，從而殺死腫瘤細胞[31].聲動力治療對深層腫瘤具有良好的治療作用[32]，因此它在微創腫瘤治療中具有廣闊前景.研究表明：在超聲輻射下可以增強類芬頓反應的活性，從而提高治療效率[33-34].如圖5所示，ZHONG等[35]采用一鍋水熱法合成了均勻的PtCu3納米籠，用于CDT與聲動力治療的協同治療.

PtCu3納米籠不僅可以作為類辣根過氧化物酶，在酸性條件下催化H2O2分解成·OH，而且可以作為類谷胱甘肽過氧化物酶，在氧化分子加速GSH消耗中起重要作用，進一步削弱了GSH清除腫瘤細胞中活性氧（ROS）的能力.此外，基于PtCu3在近紅外有較強的吸收和強大的X射線衰減能力，可以用于光聲/計算機斷層掃描雙模態成像.體內和體外實驗的結果均表明CDT和聲動力治療的協同作用對腫瘤具有顯著的治療作用，并且沒有發現明顯的全身副作用.CDT協同聲動力治療擴大了納米材料在深部腫瘤中的擴散，增加了ROS的產生，并有助于提高CDT在腫瘤中的治療效率.

3 ?結論與展望

近年來，銅基納米材料在CDT中的應用引起了廣泛的研究興趣，并且在臨床上具有廣闊的應用前景.銅基納米材料作為類芬頓試劑在CDT中蓬勃發展，本文作者概述了銅基納米材料通過調節腫瘤微環境或與其他治療手段相結合，展現出良好的腫瘤治療效果.然而，到目前為止，銅基納米材料用于CDT仍處于起步階段，依然存在著一些挑戰，例如腫瘤中的H2O2不足以及過多的GSH等都限制了銅介導的CDT效果.因此，為了進一步擴大化學動力學的治療效果，增強抗腫瘤作用，亟需開發新型、高效、有良好生物相容性的化學動力學試劑，合理地構建多功能的銅基納米治療平臺.隨著納米醫學的蓬勃發展，銅基納米材料在腫瘤治療方面將具有更廣闊的應用前景.

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（責任編輯：郁慧）