納米材料在大腸癌治療中的應用進展

胡明超，戴小磊，張博文，顧建春，許華，朱寶松

1 南京中醫藥大學附屬蘇州市中醫醫院普外科，蘇州 215004；2 南京醫科大學附屬江蘇盛澤醫院普外科

大腸癌（CRC）是目前世界范圍內的高發癌癥之一。2018年報告的新發病例超過180萬，而其中的死亡病例約為86.1萬［1］。眾所周知，CRC的預后與腫瘤分期相關，分期越晚，患者的生存率可能越低。有研究顯示Ⅰ期患者的5年生存率約為90%，而Ⅳ期的5年生存率約為10%。盡管60%的CRC患者在確診時可進行手術切除，但由于種種原因，最終只有約一半的患者接受了根治性手術，而其中有20%~25%的患者會接受手術后的化學治療及放射治療，但仍有部分患者經歷了腫瘤復發、轉移并最終走向死亡［2］。另一方面，化療及放療用于CRC的治療有一定局限性，如對周圍組織的損傷、引起放射性腸炎及手術傷口的感染及裂開等問題［3］。近年來，隨著對納米材料的深入研究，其已被廣泛應用于生物醫藥領域，如制作開發的納米生物探針、顯影劑及負載了特定藥物的納米顆粒，由于納米材料的尺寸大多介于1~100 nm，因此有利于穿透生物天然屏障從而提高給藥效率，亦或是利用納米材料的結構及特性控制其內容物的釋放行為，從而達到更好更精準的治療效果［4-5］。此外，借助部分特殊結構修飾在納米材料的表面也可賦予其新的功能進而更精準的與腫瘤細胞進行靶向結合，從而提升納米材料的診斷精確度及治療效果［6］?，F就納米材料用于CRC治療的應用進展綜述如下。

1 納米材料在CRC光熱治療（PTT）中的應用

近年來，具有光熱效應的納米材料以其良好的吸收性能而得到廣泛應用，PTT 便是一種借助材料自身的光熱性質對惡性腫瘤達到治療效果的新型療法，原理是這類材料可在近紅外激光照射的條件下產生局部的熱效應進而破壞惡性腫瘤的細胞結構并誘導DNA 鏈斷裂，最終對腫瘤產生殺傷作用，此外，這樣的治療方式有更廣的穿透深度及更好的生物安全性［7］。ZHANG 等［8］開發了一種由葡萄糖氧化酶（GOx）介導的可完成自體供應O2的多功能納米平臺，這一納米材料以金屬有機框架材料UIO-66 為核心，并由二氧化錳（MnO2）、吲哚菁綠（ICG）和透明質酸（ HA）組裝而成，其中，GOx 的引入降低了三磷酸腺苷（ATP）的水平，從而減輕了熱休克蛋白（ HSPs）介導的熱效應耐受，而負載的MnO2可將腫瘤內的H2O2分解生成O2，進而增強PTT 的治療效果。另一方面，由于納米材料表面涂覆了一層HA，因此對腫瘤細胞中高表達的CD44 有主動靶向的作用，進一步增強了治療的精準性，而封裝在納米材料中的ICG 可準確地將腫瘤進行成像，另外，此研究還證實了該納米材料對結腸癌細胞以及裸鼠的異種移植模型（PDX）均有較好的抗腫瘤效果。內源性的硫化氫（H2S）作為一種刺激響應劑，由于其對CRC 的靶向性而受到廣泛關注，然而，制備一種可在腫瘤部位高度富集并同時具有優異光熱性質的藥物仍是一大挑戰。針對這一問題，CHENG 等［9］制備了HA 包覆的摻雜鉍的氧化亞銅（Bi：Cu2O@HA），其中，HA 對CD44 的靶向性可以提高Bi：Cu2O@HA 在腫瘤部位的富集，而摻雜的Bi 則增強了H2S 觸發的Cu2O 的光熱性能，同時也可用于腫瘤成像。結果表明，H2S 激活的納米材料在治療過程中對CRC具有良好的PTT治療效果，且由于其針對腫瘤具有較好的靶向性，因此對正常組織幾乎無損傷，該研究證明了內源性H2S 作為一種刺激響應劑用于激活納米材料的光熱性質從而對CRC 產生PTT 治療是切實可行的，可以作為一種新的選擇及策略用于惡性腫瘤的治療。合理設計腫瘤微環境（TME）激活的納米制劑并用于惡性腫瘤的治療近年來受到了廣泛關注，然而，制備過程簡單、生物相容性較好的并可由TME 激活的納米治療系統目前則鮮見報道。ZHOU 等［10］開發了一種可被TME 所激活的納米顆粒并用于CRC 的精準治療，當該納米制劑位于腫瘤組織中時，腫瘤的內源性H2S 會將銀納米顆粒（AgNP）變成Ag2S 納米顆粒，并在808 nm 激光照射下誘發PTT 的同時觸發納米顆粒中負載的化療藥物多柔比星（DOX）的釋放，同時，過氧化氫酶納米晶體（CatCry）會將腫瘤內的H2O2催化生成O2并緩解腫瘤的缺氧狀態從而進一步加強化療的作用；另一方面，當納米顆粒被運送到健康組織中時，由于內源性的H2S 濃度沒有改變，因此CatCry-AgNP-DOX 處于"關閉"的狀態而不會對正常組織產生殺傷作用，這也證明該納米顆粒對CRC的治療有精準的靶向性并且不良反應較小。此外，體內外實驗的研究結果表明CatCry-AgNP-DOX提供了一種PTT和增強化療的協同組合，對CRC產生治療效果的同時最大限度減少對正常組織的損傷。此外，有研究證明制備可注射水凝膠并負載化療藥物可以提高納米顆粒在腫瘤部位的富集。ZHENG等［11］成功制備了一種包封了光熱材料（MoS2/Bi2S3-PEG）和DOX 的溫度響應型可注射水凝膠并用于CRC 的化療聯合PTT 治療，該納米顆粒在光熱材料的濃度維持在22.18 mg/mL 以下時，由殼聚糖CS、MoS2/Bi2S3-PEG以及DOX 構成的納米顆粒在近紅外一區（NIR I）和近紅外二區（NIR II）的照射下，光熱轉換效率分別為31.42%和0.5%，PTT 聯合化療對CRC 產生治療作用的同時可最大限度地減少對正常組織的損傷，從而實現CRC 的精準治療?？梢?，納米材料用于CRC的PTT治療切實可行，有較好的臨床應用前景，且相較傳統治療方法有其獨特優點，如通過某些化學修飾的方法可實現對腫瘤細胞的特異性識別以及定位從而提高治療的精準性等。然而，由于腫瘤異質性的存在，具有高選擇性的PTT 如何覆蓋所有腫瘤細胞以達到治療的徹底性有待進一步研究。此外，PTT 通常需將治療溫度維持在50°C 以上，這一溫度有可能誘發局部的炎癥甚至是腫瘤轉移，因此為了避免這些不良反應，在PTT 治療期間如何維持相對較低的溫度又不影響PTT的腫瘤治療效果也是未來的重點研究方向之一。

2 納米材料在CRC光動力治療（PDT）中的應用

PDT是一種通過特定波長的光激發光敏劑和氧氣產生活性氧（ROS）從而對腫瘤產生殺傷作用的新型治療方法，具有微創性、空間特異性和不良反應小等優點。PDT 的關鍵要素之一是光敏劑（PS），它可將光子轉化為活性細胞毒性物質，即ROS。光動力治療的理想PS需具備可高效產生ROS的能力，同時具有較好的抗光漂白性，而具有聚集誘導發射（AIE）特性的PS 在近些年引起廣泛關注，因為它們可以克服熒光染料中常見的聚集引起的猝滅效應，并在高濃度狀態下維持出色的性能。此外，具有AIE 特性的有機納米材料基于其優異的ROS生成效率和同步成像特性，在輔助PDT 方面也發揮越來越重要的作用［12］。利用缺氧環境中大腸桿菌濃度較高的特點，ZHU 等［13］開發了一種納米級的新型細菌雜交系統，他們利用前期研究中成功制備的光敏劑TBP-2 植入到大腸桿菌中，并通過由光纖和內窺鏡組成的介入裝置將納米顆粒輸送到缺氧的結腸腫瘤組織中，而TBP-2 已被證明可在腫瘤的缺氧微環境中通過I 型PDT 機制產生羥基自由基（·OH）和單線態氧（1O2）從而產生對腫瘤的殺傷作用，這也證明了通過激光照射這一新型雜交系統可實現腫瘤的PDT治療，體外實驗研究結果表明，在缺氧和常氧的條件下，這一系統可在光照條件下在大腸癌腫瘤細胞（CT26）內產生大量的ROS，這也證明了該系統是以非氧依賴的方式實現PDT 治療，體內實驗結果亦證明了該系統對CRC 的PDT 治療的有效性，在建立的裸鼠PDX 模型中也同樣證明了PDT 治療腹腔深部腫瘤的能力。PDT 的療效主要受到兩個因素的影響，分別是腫瘤的缺氧狀態及PS的電子空穴分離效率低下。CHENG 等［14］針對此問題設計了一種具有良好電子-空穴分離能力的Z 型異質結構的納米硫化鉍Bi2S3@Bi，這一納米顆粒在近紅外光的照射下可以產生豐富的電子和空穴，而Z 型異質結構則賦予了Bi2S3@Bi 納米顆粒高效的電子-空穴分離能力以及強大的氧化還原電位，其中Bi2S3能在微環境中反應生成1O2，而Bi 則可以產生ROS，在兩種ROS 作用下也提高了PDT 對CRC 的治療效率，另一方面，體內和體外實驗也證明了該納米顆粒具有良好的生物相容性及安全性。LIANG 等［15］研究中引入了卟啉接枝的脂質納米顆粒（PGLNPs），并將全氟溴辛烷（PFOB）分散于其中，實驗證明卟啉的負載量約為38.5%，卟啉和烷基鏈的有序排列模式不僅保證了1O2的高產率，同時也減少了卟啉的熒光損失，使得PGLNPs 保證了穩定的熒光亮度，另一方面，由于PGLNPs 和PFOB 分子之間的疏水作用，PFOB 液體會穩定在PGLNPs 內，并且其負載量可高達98.15%，這有利于在腫瘤部位進行高效供氧，實驗結果表明，PGLNPs 可以作為O2的儲存庫并有效地將其源源不斷的運輸到缺氧的腫瘤組織中，且無需任何條件刺激，另一方面，這有利于增加1O2的產生，緩解缺氧進而下調COX-2 的表達，動物實驗結果發現PGLNPs 可顯著抑制由HT-29 建立的小鼠PDX 模型中腫瘤的生長和肝轉移，并且PGLNPs 可作為造影劑來增強熒光以及CT成像，從而指導PDT對腫瘤的精準殺傷作用。PDT作為目前非侵入性的惡性腫瘤治療策略之一，有著廣泛的應用前景，當下基于多種原理的PDT 創新療法不斷涌現，大大提高了PDT治療腫瘤的有效性和安全性，而PDT 的開發和優化仍面臨挑戰，如何優化PS 對缺氧條件的耐受性，使其在腫瘤的缺氧環境條件下高效產生ROS，以及如何設計針對腫瘤具有高效靶向性的納米載體以實現真正的精準治療等均有待進一步研究。

3 納米材料在CRC磁熱治療（MTT）中的應用

MTT 是一種利用MNPs 在交變磁場作用下產生熱效應從而對腫瘤產生殺傷作用的治療方法，具有無創性、穿透度較深以及特異性高等優點［16］。其中，鐵基的磁納米顆粒由于制備快捷、成本低廉等優點因而成為應用最廣泛的MTT 藥物之一，近年隨著對納米材料的進一步研究，科學家們發現當在鐵基MTT 藥物中引入其他成分后其腫瘤治療效果可以得到進一步提升，如Zn0.4Co0.6Fe2O4@CoFe2O4，MnFe2O4@CoFe2O4，99 CoFe2O4和Au@FexOy 均被證明具有較好的腫瘤治療效果［17］。此外，GARANINA等［18］研究中發現，MTT 藥物的抗腫瘤效果與其產生的溫度呈正相關。因此，為了進一步擴展MTT 藥物的應用范圍以及提升腫瘤治療效果，諸多研究已將MTT 藥物與化學治療進行了聯合應用，并證明MTT可通過熱效應以增加化療的敏感性，從而增強藥物抗腫瘤的效果［19-20］。LU 等［21］開發了一種具有雙靶向功能的納米顆粒，該系統由葡聚糖微凝膠組成，這些微凝膠包封了順鉑/超順磁性氧化鐵納米顆粒（SPIONs）負載的基于三月桂酸甘油酯的脂質納米顆粒（LNP），葡聚糖微凝膠在結直腸中被葡聚糖酶降解后，釋放的內容藥物更容易被腸癌細胞識別和內化，與單獨的化療或MTT 相比，二者的組合取得療效明顯優于單一治療方法。在JAHANGIRI 等［22］研究中構建了一種交變磁場和SPIONs的組合，在納米顆粒表面涂覆有一層聚乙二醇-聚丁基丙烯酸酯-聚乙二醇（PEG-PBA-PEG），并在納米顆粒中負載化療藥物5-氟尿嘧啶（5-Fu），研究評估了化療聯合MTT藥物對CRC的治療效果，結果發現包括Bax、Caspase-3、Caspase-9 以及被剪切了的PARP 蛋白表達量均呈增加狀態，表明CRC 細胞經歷了凋亡過程并最終死亡，證明了與單獨化療或MTT 相比，二者聯合治療可顯著增加CRC 細胞的凋亡從而產生抗腫瘤作用。目前的研究結果表明MTT 在腫瘤的治療方面已取得長足進展，然而還存在一些問題需進行深入研究，如進一步提高MTT 的腫瘤靶向性及磁熱效應，進而提高治療效果的同時最大限度的降低其不良反應，另一方面，深入研究其生物學行為和毒性機制并開發更加智能化、精準化的MTT 策略，從而為臨床提供理論依據來改善CRC患者的預后。

4 納米材料在CRC聲動力治療（ SDT）中的應用

SDT 是一種新型非侵入性的腫瘤治療方法，原理是通過超聲激活的聲敏劑從而產生ROS 來對腫瘤細胞產生殺傷作用。目前廣泛報道的聲敏劑主要是具有特異性聲敏能力的有機分子，如血卟啉、光卟啉、亞甲藍、氯等［23］，然而，這些聲敏劑的低生物利用度和不穩定的化學/生物學性質導致SDT 的治療效果并不理想。因此，當下的研究重點轉移到了如何開發性質穩定、光毒性較低的新型聲敏劑上。近年來，一些新型的納米顆粒被開發出來，不僅具有令人滿意的聲化學性能并可以彌補許多聲敏劑的不足。CHEN 等［24］制備了牛血清白蛋白（BSA）改性的Fe3O4納米顆粒作為聲敏劑二氫卟吩e6（Ce6）的載體，并且利用細胞膜介導的同源靶向機制在納米顆粒的表面包裹上一層CT26的細胞膜，從而進一步加強納米顆粒對CRC 的靶向作用，而后經超聲處理后使其在TME 中具有高效的聲動力學性能，并產生大量的ROS 以殺傷腫瘤細胞，細胞實驗證明了該納米顆粒經細胞膜包裹后可通過同源靶向機制而使其具有更好的靶向性，此外，其可顯著誘導CT26細胞的凋亡，并極大抑制經CT26 建立的裸鼠PDX 模型中腫瘤的生長。ZHANG 等［25］構建了葉酸（ FA）修飾的介孔硅包覆的金納米顆粒（Au@mSiO2），并在其內負載了Ce6 和DOX，然后在其表面涂覆一層羧甲基殼聚糖（CMCS），這是一種pH/超聲雙響應并可以分步靶向和精確控釋的腸溶性納米顆粒，經口服后，CMCS 將在胃腸道內的酸性環境作用下得以分解并釋放Ce6和DOX，并且在超聲的照射下化療可聯合SDT 從而產生抗腫瘤的作用，細胞實驗及動物實驗的結果均證明了二者的聯合療法針對CRC有更好的腫瘤抑制效應。然而，由于腫瘤免疫微環境的抑制作用，約95%的CRC患者對免疫治療（PD-1/PD-L1阻斷治療）沒有反應，因此可能只有一小部分CRC 患者可能從免疫治療中獲益。WAN 等［26］設計了一種核靶向遞送系統以實現基因增強的核靶向SDT，并促進PD-1/PD-L1 免疫療法來治療CRC，在細胞實驗中，TIR@siRNA 成功將IR780（用作聲敏劑的熒光染料）遞送到CT26細胞的細胞核中，并將可抑制重組與合成的蛋白因子2（NRF2）siRNA 遞送到細胞質中，在超聲作用下，TIR@siRNA 通過下調NRF2 直接破壞腫瘤的DNA，激活線粒體凋亡通路，顯著提高SDT的細胞毒性和凋亡誘導性；體外實驗結果顯示，在CT26 荷瘤小鼠中TIR@siRNA 介導的基因增強的核靶向SDT 顯著抑制了腫瘤生長，增加了T 細胞浸潤并增強了免疫治療從而進一步抑制CRC 的轉移。目前的研究已證明SDT 的抗腫瘤作用，并且這種治療方法的組織穿透性更好，因此更適用于深部的腫瘤，但聲敏劑在血液中的清除率較高，停留時間較短，所以在一定程度上限制了SDT 的治療效果?？傊?，研究如何提高超聲敏劑對腫瘤的靶向作用以及進一步提高血液中SDT藥物濃度對于改善腫瘤治療效果有深遠意義。

5 納米材料在CRC 化學動力治療（ CDT）中的應用

與PDT 和SDT 不同，CDT 是利用芬頓反應或類芬頓反應（一種基于金屬離子的催化反應）將TME中的H2O2變為毒性更高的羥基自由基（·OH），誘導產生氧化應激進而特異性地殺傷腫瘤細胞。與傳統的化療和放療相比，CDT 具有TME 響應性、高選擇性、不容易引起耐受等特點［27］。在復雜的TME 中，腫瘤相關巨噬細胞（TAMs）在免疫抑制和腫瘤生長中有重要作用，因此，在腫瘤治療過程中，腫瘤細胞已不再是唯一的治療靶點，如何同時針對腫瘤細胞和TAMs 并有效殺傷腫瘤成為目前的熱點研究方向之一。CHEN 等［28］制備了葉酸改性的鈀（Pd）納米顆粒，可同時靶向腫瘤細胞和TAMs 以有效消除腫瘤，原理是利用該納米顆粒的高過氧化物酶活性和過氧化氫酶樣活性可以產生大量的H2O2和ROS 從而直接導致腫瘤細胞的死亡，另一部分Pd納米顆粒則作為載體，連接甘露糖和咪喹莫特分子（R837），而后可以與TAMs 的甘露糖受體產生特異性連接，并將TAMs 靶向重編程為M1 表型，逆轉免疫抑制，從而進一步激活免疫治療，以此與CDT 形成“雙重治療”效應以殺死CRC 細胞。然而，腫瘤組織中由于H2O2含量的缺乏，因此常常會限制?OH 的來源，進而限制了Fenton 反應的治療效果［29］。換言之，?OH 在腫瘤部位的局部濃度對抗腫瘤效果有著很大的影響。FAN 等［30］針對這一問題開發了一種基于工程細菌改造的納米顆粒，并通過在TME 中局部產生H2O2來增強CRC 的CDT 治療，方法是利用基因工程構建了過表達呼吸鏈酶II（NDH-2）的大腸桿菌MG165，而后在其表面修飾了磁性Fe3O4并以此進行Fenton 反應，在細菌的呼吸過程中，NDH-2 從煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 （NADH）中接受電子，而后將電子轉移到氧氣中產生H2O2，這也從源頭提高了Fenton 反應所產生的·OH 所必須的原材料，進而誘導腫瘤細胞死亡，體外和體內實驗也都證實了其出色的腫瘤靶向性和抗腫瘤的效果。盡管CDT 及相關聯合治療方案用于腫瘤治療已取得較大進步，但更高效、更安全的在腫瘤內部提供H2O2的方法學仍有待進一步探索；另一方面，金屬離子精準釋放到癌細胞中是實現高效Fenton/Fenton 樣反應的關鍵，因此如何設計智能的納米藥物，既能選擇性地精準釋放金屬離子以響應外界給予或細胞內的刺激，同時又能最大限度的減少不良反應有待進一步深入研究。

綜上所述，納米材料作為一種具有交叉學科性質的新興材料用于CRC 的治療具有廣闊的臨床應用前景，進一步深入研究納米材料在腫瘤部位的高效積累以及釋放策略，克服腫瘤微環境為治療帶來的困難，將對提高惡性腫瘤的治療效果進而改善腫瘤患者生存率有深遠意義。