納米材料在癌癥氫治療中的應用現狀

歐陽瑞鐲 薛維锨 繆煜清

（上海理工大學 上海 200093）

1 引 言

氫氣是自然界最輕的分子，作為一種重要的工業原料，在各種工業領域及航空航天等方面都扮演著不可或缺的角色。氫氣具有燃燒產物清潔無害和儲能能力強等特點，這使其成為可以日常使用的清潔燃料，是近年來許多科學家努力的方向。而氫氣鮮為人知的另一面是它不僅可以作為一種清潔無害的燃料，還在治療疾病方面發揮特殊的作用——抗癌。

早在 1975 年，科學家 Dole 等[1]就將患有皮膚鱗狀癌的小鼠放置在氫氣體積分數為 97.5% 的高壓氣體混合物中飼養兩周，通過觀察小鼠的皮膚腫瘤的消退情況，揭示了氫氣可能的抗癌作用。然而，直到 2007 年，Ohsawa 等[2]報道了利用氫氣改善腦缺血-再灌注損傷的實驗，證明了氫氣可以選擇性地減少包括羥基自由基（·OH）和過氧亞硝酸鹽（ONOO－）在內的細胞毒性活性氧（reactive oxygen species，ROS），氫氣在醫學上的應用潛力才得到廣泛的探索，并引起了全世界的高度關注。近年來，氫氣已被證明可以治療更多的疾病，包括糖尿病、中風、動脈粥樣硬化、帕金森病、阿爾茨海默病、關節炎等。

2 氫氣抗癌機理

2.1 細胞毒性活性氧

ROS 指一系列含氧的不穩定分子，包括羥基自由基（·OH）、過氧亞硝酸鹽（ONOO－）、單態氧（O2·）、過氧化氫（H2O2）、超氧化物（·O2－）和一氧化氮（NO·）等[3]。ROS 通常由細胞系統內不同的生化和生理氧化過程產生，一般有兩種途徑，分別是利用還原型輔酶 Ⅱ 氧化酶在細胞膜中生成和利用 還原型輔酶 I 氧化還原酶在線粒體中生成。ROS 的穩態是正常細胞存活和適當的細胞信號傳遞所必需的。在正常細胞中，ROS 的產生受到高度控制，因為它們與細胞分裂、免疫調節、自噬和應激相關反應的信號過程調節有關。然而，不受控制的 ROS 產生可導致氧化應激和細胞毒性，從而引起細胞功能喪失和異質疾病狀態的發展，比如癌癥。與正常細胞相比，癌細胞會增加局部 ROS 的產生，從而過度激活細胞轉化和癌變所必需的信號通路。在癌癥的早期階段，細胞內的 ROS 通過誘導癌前基因和腫瘤抑制基因的氧化和堿基對替換突變，促進癌癥的發生。然而，過量的 ROS 一旦在體內產生，由于其與某些生物分子的高度反應性，通過誘導細胞周期阻滯和細胞死亡會表現出抗腫瘤活性[4-5]。因此，癌細胞發展出一種機制，通過增加抗氧化能力，也就是增強抗氧化劑，如超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和谷胱甘肽過氧化物酶的表達，使得 ROS在產生和消除之間達到平衡，維持促腫瘤信號的最佳 ROS 水平[6-8]。

2.2 氫氣抗癌的可能機制

氫氣可以作為 ROS 的調節劑。

首先，如 Ohsawa 等[2]的研究所示，在急性腦缺血再灌注大鼠模型測試中，氫氣可能可以選擇性地清除 ROS 中最具細胞毒性的羥基自由基（·OH）和過氧亞硝酸鹽（ONOO－），如圖1 所示，吸入氫氣之后，小鼠的腦梗面積減小。

圖1 吸入氫氣前后小鼠的腦梗面積[2]Fig.1 Cerebral infarction area of mice before and after hydrogen inhalation[2]

另一項研究也證實，氫氣可通過有效降低羥基自由基（·OH）和過氧亞硝酸鹽（ONOO－）的含量來降低高壓氧引起的氧毒性[8]。氫氣利用自身的選擇性抗氧化特性清除 ROS，擾亂腫瘤微環境中的氧化還原穩態，并導致氧化還原應激，最終使癌細胞損傷和凋亡。目前為止，這仍然是最為公認的癌癥氫治療機理。然而，需要說明的是，氫氣對癌癥的治療作用的具體機制在很大程度上依然是不明確的。假設它通過放熱反應清除自由基，那么，隨后，·H自由基將清除 O2－自由基。

但這種可能性并不能證明 H2去除惡性自由基的選擇性，因為在理論上，H2其他自由基也應該具有清除作用。上述內容部分地解釋了 H2的抗氧化性，但其他作用機制仍不清楚[9]。

其次，氫氣也可能誘導一些抗氧化酶的表達，以及抑制某些信號蛋白的表達，例如：通過抗氧化酶消除 ROS，擾亂癌細胞的氧化還原穩態[10]；通過抑制信號蛋白的表達，抑制腫瘤的發展。研究表明，經氫氣處理后，超氧化物歧化酶[7]及血紅素氧甘酶-1（HO-1）[11]的表達顯著增加，增強了其消除 ROS 的潛力。Wang 等[12]通過 RNA-seq、qPCR 檢測和體內實驗證明 H2下調了肺癌細胞系 A549 和 H1975 中SMC3的表達，影響了細胞分裂過程，且超氧化物歧化酶水平升高，ROS 水平下降，促進了細胞凋亡。Meng 等[13]的研究表明，在含有不同濃度 H2的空氣中對 A549 和H1975 細胞進行培養會導致CD47和細胞分裂控制蛋白 42（CDC42） 的表達水平呈劑量依賴性降低，并增強 A549 和 H1975 細胞中巨噬細胞介導的吞噬作用，促進了肺癌細胞凋亡，并抑制了癌細胞生長、侵襲和遷移。

如上所述，通過調節 ROS，以及調控腫瘤內一些蛋白的表達，氫氣可以在癌癥治療中發揮出明顯的療效。另外，氫療法可以作為其他治療方式，如放療和化療的一種輔助方案，以減少癌癥治療中的不良反應，同時不影響其他治療方式的細胞毒性[7-8]。有趣的是，由于癌細胞中產生的ROS 過多[14]，氫氣在一開始會降低 ROS 水平，但由于補償效應，癌細胞通過 ROS 的調控機制產生過量的 ROS，從而使癌細胞死亡[15]。

2.3 氫氣協同其他癌癥療法

傳統化療會增強腫瘤患者因化療誘導而產生的炎癥，這不僅可能引起嚴重的不良反應，還可能導致癌癥轉移和治療失敗[16-17]。氫氣可以抑制炎癥細胞因子的表達，具有一定的消炎作用。Wu 等[10]提到，H2通過下調白細胞介素 IL1-β、IL-6，腫瘤壞死因子-α（TNFα）等促炎因子，巨噬細胞趨化蛋白、細胞間黏附分子等炎癥介質，以及人高遷移率族蛋白 B1（HMGB-1）、NF-κB、前列腺素 E2 等促炎轉錄因子，抑制氧化應激引起的炎癥組織損傷。通過調節炎癥，氫氣可以減少化療/放療引起的副作用[18]。

除了傳統的療法，氫氣對一些新型的癌癥療法也具有良好的輔助作用。為了克服傳統放化療的缺點，近年來，許多新型的癌癥治療方法不斷涌現。其中，光熱療法（photothermal therapy，PTT）和光動力療法（photodynamic therapy，PDT）是最為熱門的研究方向。PTT 將近紅外光照射在富集了光熱藥物的腫瘤部位，再通過光熱轉化產生的熱能對腫瘤細胞造成熱損傷，從而達到抗癌效果[19]。而 PDT 將紅外光照射在腫瘤部位，與預先聚集在腫瘤部位的含有光敏劑的藥物相互作用，生成 ROS，產生細胞毒性，促進癌細胞凋亡，從而達到抗癌效果。

然而，PTT 產生的熱損傷會使周圍的正常細胞也產生炎癥反應，PDT 誘導生成的 ROS 產生的細胞毒性也會影響正常細胞。氫氣的抗炎作用和 ROS 的消除作用使得其與 PTT 和 PDT 聯合治療時表現出良好的協同抗癌效果，可以克服二者造成的不良反應，且不影響它們正常的抗癌作用。圖2 展示了氫氣與其他療法結合的可能機制[9]。通常來說，單一的療法所取得的抗癌效果對于實際治療往往是不夠的，特別是對于尚處在實驗室階段的這些新療法來說，提升療效是這些方法共同面臨的難題。這需要將不同的癌癥治療方法聯合在一起，取各家之所長而避其短，通過納米村料的多功能化，實現各種療法的集成。將不同的癌癥治療方法聯合在一起是提升療效較為普遍的一個途徑。

3 納米載體

目前，氫氣抗癌的真正機理雖然還未完全明確，但是由于其在大量的研究中所表現出來的生物安全性和癌癥治療的有效性，許多關于氫氣的抗癌研究已經在如火如荼地進行。氫氣在抗癌方

面表現出非常大的潛力，那么，如何將氫氣加以利用呢？

早期，人們試圖通過口服富氫水、注射富氫生理鹽水、吸入氫氣來達到治療目的，但收效甚微。氫氣作為自然界最輕的氣體分子，具有良好的穿透性，可以迅速擴散通過細胞膜。因此，通過上述方法帶入體內的氫氣，由于其在體內無目的地擴散，沒有富集在發病區域，因而難以實現良好的療效。如何實現氫的定向給藥、有效儲存和可控釋放是提高氫治療療效的關鍵。納米村料的到來使得解決這些難題成為了可能[20]。納米村料和藥物的尺寸極其細小，可以更好地進入細胞內。此外，在適宜的尺寸條件下，納米村料可以在血管異常密集的腫瘤區域非特異性聚集，實現被動靶向，也就是滯留效應（EPR）。同時，由于納米村料可以進行各種修飾，因此，納米村料可以實現許多功能，例如，可在納米村料的表面上修飾光敏劑，使其具備光動力治療的功能；讓納米村料攜帶氫氣，再利用其靶向輸送功能，就可以實現將氫氣聚集在腫瘤細胞部位的目的，最大化治療效果。

目前，已經有不少將納米村料與氫氣結合用于癌癥治療的研究?？偟膩碚f，在腫瘤內產生氫氣的納米系統主要有 3 種，分別是直接傳遞的納米載體、原位生成的納米反應器和原位催化發生器。

3.1 直接傳遞的納米載體

直接傳遞的納米載體就是將氫氣直接負載在儲氫納米村料上，再進入體內，并在腫瘤細胞處聚集后，通過外部條件影響或者由納米村料本身的腫瘤細胞響應功能將納米村料中的氫氣釋放出來。例如：Wang 等[21]構建了一種蛋黃殼結構的納米村料，如圖3 所示，這是一種由外部的MnO2外殼和內部的 Pd 四面體組成的納米村料。這種 Pd 四面體具有良好的儲氫能力。在村料的制備過程中，負載在 Pd 四面體上的氫氣會與其形成 PdH 四面體。

圖3 蛋黃殼納米材料協同 H2 和 PTT/PDT 治療機制的示意圖[21]Fig.3 Schematic diagram of the synergistic H2 and PTT/PDT therapeutic mechanism of yolk shell nanomaterials[21]

在整個納米系統進入腫瘤細胞后，包裹在外的 MnO2外殼就會因與腫瘤環境中的物質發生反應而瓦解坍塌，暴露出儲存有氫氣的 Pd 四面體。最后通過近紅外光的照射，Pd 四面體中的氫氣就可以被釋放出來。

Zhao 等[15]利用氫化鈀納米村料的高/穩定儲氫、自催化加氫特性，開發了 PdH0.2納米晶體，用于腫瘤靶向遞送和控制釋放生物還原性氫，進行癌癥氫治療。如圖4 所示，合成的 PdH0.2納米晶體具有較高的腫瘤內近紅外光（near infrared，NIR）控制的氫釋放行為。Zhao 等[15]又利用 Pd 納米晶體本身良好的光熱效應，實現了對癌癥的氫氣/光熱聯合治療。

圖4 PdH0.2 納米晶體的生物還原性氫的合成和 NIR 控制釋放[15]Fig.4 Synthesis and NIR controlled release of bioreducing hydrogen from PdH0.2 nanocrystals[15]

Chen 等[22]設計了一種生物相容性鈀納米晶體-集成納米卟啉金屬-有機框架（NPMOF），協同氫/光動力治療。如圖5 所示，NPMOF 同時作為PDT 的光敏劑和鈀納米晶體的載體，進一步用作氫載體。最終的含氫納米系統表現出持續的還原性氫釋放行為和大量的光激活單線態氧（1O2）的產生，而不相互干擾，有助于充分干擾腫瘤微環境的氧化還原穩態，協同誘導腫瘤細胞死亡。

圖5 PCN-224@Pd/H2 納米系統進行氫/光動力協同治療的機制[22]Fig.5 PCN-224@Pd/H2 nanosystem for hydrogen/photodynamic synergistic therapy mechanism[22]

由上述的例子可以看出，直接傳遞的納米載體主要是具有高儲氫能力的金屬有機框架（metal organic framework，MOF）村料，其中，鈀 MOF因其突出的儲氫能力和光熱效應而得到了較多的應用。這類氫氣納米載體可以較為簡便地在結構空位中負載上氫氣，并進行氫治療。但是由于氫氣的儲量有限，并且在氫氣釋放完后必須重新用藥，因此，在持續的氫治療中受到限制。

3.2 原位生成的納米反應器

原位生成的納米反應器是在納米村料上負載某種反應物，在納米反應器進入腫瘤細胞以后，在腫瘤細胞的環境條件下發生反應，從而產生氫氣。例如：Yang 等[23]構建了一種由氨硼烷和介孔二氧化硅組合而成的納米村料。如圖6 所示，這種納米村料中的氨硼烷可以在腫瘤細胞的弱酸環境中發生反應，生成氫氣。且介孔二氧化硅納米顆粒的結構中含有豐富的孔洞，這些孔洞可以為氨硼烷的負載提供大量的空間。這種納米村料在進入腫瘤細胞之后，就可以自發地釋放出大量的氫氣。

圖6 介孔二氧化硅負載氨硼烷的納米藥物以及酸響應釋放 H2 機制[23]Fig.6 Nanomedicine of amborane supported by mesoporous silica and acid response H2 release mechanism[23]

氨硼烷因在腫瘤微環境中產氫的自發響應性，以及在介孔納米村料中的簡易負載性，而受到了很多關注。有不少研究在介孔二氧化硅負載氨硼烷的基礎上通過藥物負載和其他功能化，探索了這個方向的其他可能性。另一種應用廣泛的納米藥物載體聚多巴胺也在負載氨硼烷進行氫治療上進行了許多嘗試。如圖7 所示，Wang 等[24]制備了一種氨硼烷（AB）和阿霉素（DOX）共載并且聚乙二醇化的中空介孔聚多巴胺（AB/ DOX@HMPDA-PEG）納米顆粒，用于酸敏感氫（H2）輔助超聲（US）成像和耐藥腫瘤的化療。實驗表明，該納米顆粒在腫瘤中的弱酸性環境下可釋放大量 H2，并用于癌癥的氫治療。

圖7 AB/DOX@HMPDA-PEG 納米粒子治療機制示意圖[24]Fig.7 AB/DOX@HMPDA-PEG schematic diagram of therapeutic mechanism of nanoparticles[24]

氨硼烷作為一種產氫前藥，其產氫能力較好，且產氫機制適合癌癥治療。然而，除了二氧化硅和聚多巴胺外，氨硼烷還會與大部分的納米載體，特別是金屬基的納米載體發生反應。而在大部分的納米載體中，都會有金屬元素存在，這就導致氨硼烷容易使這些納米村料坍塌，無法實現負載。因此，絕大部分利用氨硼烷進行氫治療的報道，它們的載體都是介孔二氧化硅和聚多巴胺。這大大限制了氨硼烷在納米村料氫治療中的發展。如圖8 所示，該團隊在 Fe 納米顆粒的表面包覆上一層抗氧化的涂層，以確保 Fe 納米顆粒在運輸過程中不被氧化。在納米顆粒因滯留效應聚集在腫瘤細胞之后，通過 Fe 在腫瘤細胞弱酸性條件下的氧化還原反應來實現氫氣的釋放。Kou 等[25]提到，Fe 元素是人體所需的微量元素，Fe 納米村料在人體中的微量殘留對人體不會有太多不利的影響，甚至會有一定好處。但是，雖然 Kou 等[25]在 Fe 納米顆粒外部包覆了羧甲基纖維素抗氧化涂層，但在到達癌細胞之前，在漫長的血液流動中，氧化反應的發生仍是不可避免的，這對后續產氫的弱酸響應性會造成影響。

圖8 H2 的腫瘤靶向酸響應釋放機制的示意圖[25]Fig.8 Schematic diagram of the tumor-targeting acid response release mechanism of H2[25]

Kou 等[25]則利用 Fe 納米顆粒來產生氫氣。

Gong 等[26]通過液相剝離法制備 CaH2納米顆粒，并首次將其作為抗腫瘤治療劑。如圖9 所示，將納米 CaH2分散在低分子聚乙二醇（PEG）中，并注射到腫瘤部位，與水反應生成豐富的氫氣（H2）、鈣離子（Ca2＋）和羥基離子（OH－），可分別實現氫治療、腫瘤鈣化和中和酸性腫瘤微環境（TME）?？勺⑸涞募{米 CaH2分散體可顯著抑制腫瘤生長。由于 CaH2的產氫機制是與水反應，因此，該納米顆粒不能通過靜脈注射在體內腫瘤處靶向積累，這也是其采取直接注射在腫瘤部位的方法進行治療的原因。從結果上來看，雖然實現了簡便的產氫和治療，但是治療時間過短，CaH2納米顆粒無法被腫瘤細胞充分攝取。大部分的氫氣在腫瘤細胞周圍產生并擴散，細胞內無法累積大量的氫氣用于治療。

圖9 納米 CaH2 材料氫治療機制示意圖[26]Fig.9 Schematic diagram of hydrogen therapy mechanism of nano CaH2 material[26]

大部分的原位生成的納米反應器的產氫量都是直接傳遞納米載體的幾十倍以上，并且在氫氣的供體上有不同的選擇，可以根據載體村料的性質進行搭配，在氫治療上體現出更多的優勢。但是，同樣在持續的氫治療上，原位生成納米反應器依然受限。此外，如上所述，各種原位產氫的方式對于癌癥治療來說，都有其不足的地方，除了在載體上進行更多的探索外，尋找更多適合癌癥治療的氫氣供體也是亟待解決的另一個問題。

3.3 原位催化發生器

原位催化發生器指一類納米催化體系，它們通過外部能量的輸入在腫瘤細胞內部激發催化反應，產生氫氣，對癌癥進行氫治療。

比如，Zhao 等[27]開發了一種 SnS1.68-WO2.41納米催化劑，實現近紅外（NIR）-光催化氧化空穴和生成氫分子，通過無藥物治療策略實現空穴/氫聯合治療。如圖10 所示，在不需要任何藥物和其他治療劑的幫助下，該納米催化劑通過空穴氧化消耗瘤內過表達的谷胱甘肽（GSH），同時在近紅外照射下，以持久和可控的方式產生氫分子。該納米催化劑實現了空穴/氫聯合高效安全治療腫瘤。

圖10 SnS1.68-WO2.41 納米催化劑治療策略及機理示意圖[27]Fig.10 SnS1.68-WO2.41 nanometer catalyst therapy strategy and mechanism diagram[27]

Wang 等[28]開發了一個近紅外（NIR）激光驅動的原位水分裂 H2自生納米平臺。如圖11 所示，他們設計并合成了以葉酸修飾的咪唑酸分子篩骨架-8（ZIF-8）為核心包裹的 NaGdF4:Yb,Tm/g-C3N4/Cu3P （UCC）納米復合村料的核-殼納米粒子（CSNP）。由于 ZIF-8 的酸反應性外殼、增強的滲透性和滯留性（EPR）效應，以及葉酸受體介導的內吞作用，CSNP 被腫瘤細胞選擇性捕獲。在 980 nm 激光照射下，CSNP 表現出較高的 H2生產能力，在腫瘤部位實現水裂解制氫和多種治療方式的相互促進。

圖11 CSNP 納米催化劑治療策略及機理示意圖[28]Fig.11 CSNP nanocatalyst therapy strategy and mechanism diagram[28]

上述兩種催化產氫體系都是將近紅外光作為激發源。與其他波段的光相比，近紅外光對人體具有更好的穿透性，可對較深的腫瘤進行治療，因而得到廣泛使用。但在更深的位置，近紅外光依然會受到削弱。相比之下，超聲具有更加優越的穿透性。

Yuan 等[29]提出了超聲催化析氫的概念，并將其定義為一種不依賴氧的治療方法。他們將窄帶隙半導體硫化鉍（Bi2S3）作為聲催化劑，并原位生長鉑（Pt）納米顆粒，以優化其催化性能。如圖12 所示，在該納米催化體系中，Pt 納米粒子有助于捕獲聲激發電子，而瘤內過表達的谷胱甘肽（GSH）作為一種天然的空穴犧牲劑，可以消耗聲激發空穴，從而大大提高電荷分離效率，促進可控和可持續的氫氣生成。即使在缺氧條件下，Pt-Bi2S3納米顆粒在超聲照射下也能產生足夠的氫氣。同時，Pt 納米顆粒和孔洞還能觸發過氧化氫分解成 O2，緩解腫瘤缺氧，從而與GSH 耗竭協同，改變腫瘤免疫抑制微環境。

從目前來看，原位催化發生器是最具有發展前景的產氫納米系統。首先，這種系統解決了氫治療的持續性問題，可以設想，只要納米催化劑在腫瘤內部穩定存在，就可以通過外來能源的輸入，如近紅外和超聲來實現原位產氫，這可以使氫治療的過程高度可控。特別是聲催化介導治療，這是目前較為先進的策略，它克服了深部腫瘤的治療困難，為實現簡便、高效和可持續的腫瘤治療提供了新的方向。原位催化發生器在未來需要改進的地方是增加催化劑的催化活性和穩定性。對于利用超聲作為激發源進行產氫的納米體系來說，目前的研究還相對較少，對聲催化產氫機理的深入探索，提升村料在超聲條件下產氫的能力是需要解決的問題。

4 結論與展望

目前來看，盡管相關的研究已經取得了一些顯著的成果，但納米村料的氫治療依然面臨著不少挑戰。在納米載體的選擇上，應該避免增加治療對人體的危害性，這意味著要提高納米載體的安全性和生物相容性。氫治療納米系統的儲氫、產氫能力和穩定性也需要進一步提高。此外，氫氣抗癌的確切機制亟待揭露，除了選擇性抗氧化以外，其他作用方式的具體機理是什么，是否對所有癌癥都具有療效，對不同的癌癥療效是否有不同等，這類問題都需要更深入的探索。因此，從分子水平解釋氫氣抗癌的作用機制是非常迫切的一項工作，這是更好地利用氫氣來進行癌癥治療的基礎。正如許多尚處在實驗室研究階段的疾病療法一樣，針對癌癥的納米村料氫氣療法想要真正造福人類，還有很長的路要走。人體安全無小事，在實現實際應用之前，各種安全性檢驗和臨床試驗都是必需的。這是一個非常漫長的過程，也是很多新興療法還未呈現在世人面前的主要原因。但道阻且長，行則將至，正因為人類的不斷探索，才有今天的成就。所以也可以相信，在不遠的將來，越來越多的療法可以真正為患者帶來福音，癌癥等疾病也終將被人類戰勝。