具有微能量响应特征的无机纳米递药系统研究进展

张振中，张慧娟

郑州大学药学院；河南省肿瘤重大疾病靶向治疗与诊断重点实验室 郑州450001

1 引言

恶性肿瘤是一种严重威胁人类生命和健康的重大疾病，世界卫生组织预测，到2030年全球恶性肿瘤相关疾病死亡人数将达到1 310万[1]。化疗、手术治疗、放疗是目前临床治疗恶性肿瘤的主要手段。相比于手术及放疗只能针对特定部位肿瘤的限制，化疗药物可随着血液循环分布于全身绝大部分组织和器官，因此，对一些有全身散播倾向的恶性肿瘤及已经转移的中晚期恶性肿瘤，化疗都是主要的治疗手段。但也正因如此，化疗缺乏选择性, 对正常细胞和肿瘤细胞均有杀伤作用, 毒副作用大[2-3]。因此，亟需开发能够靶向肿瘤细胞的药物递送系统，以期减少毒副作用的同时提高治疗效果[4-5]。

近年来围绕无机纳米材料，广大科技工作者系统开展了微能量(激光、超声、射频和磁场等)治疗，药物控释新机制及活性载体协同增效等方面的基础研究，构建了系列肿瘤精准靶向纳米治疗平台，获得了可喜的重要发现[6-9]。研究揭示了以碳材料为主的若干无机纳米材料对微能量转化为热能或化学能的响应规律，以及纳米材料表面状态(有无修饰、修饰方式、掺杂与否)对微能量转化效率的影响[10-11]；阐明了微能量、药物效应及细胞器间的交互作用关系，发现微能量诱导溶酶体逃逸、打破线粒体稳态、加速ATP耗竭等重要机制可促进药物效力的发挥，明确了微能量动力学是肿瘤治疗的新机制[12-13]。

无机纳米材料的独特理化性质及刺激响应特征引起了医药研究者的极大兴趣，人们广泛开展了无机纳米材料在药物递送方面的基础研究[14]。迄今为止，用于肿瘤药物递送的无机纳米材料主要有碳纳米材料、磁性纳米材料、二氧化钛纳米材料、锰纳米材料及其他无机纳米材料(如纳米金、纳米硫化铜、纳米碳酸钙和纳米介孔硅等)。本文按照纳米材料刺激响应类型分别综述，以期为无机纳米材料在抗肿瘤药物递送方面的研究和应用提供有益借鉴。

2 多功能无机纳米材料的性质及研究进展

2.1碳纳米材料

2.1.1 碳纳米材料的光刺激响应性 碳纳米材料类型较多，如碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs)、氧化石墨烯(graphene oxide, GO)、富勒烯(fullerenes, C60)和介孔碳纳米球(mesoporous carbon hollow sphere, MCHS)等[15-20]。该类纳米材料具有比表面积大、药物荷载能力强、生物相容性好、毒性低、易于表面修饰、细胞穿透性好和电子传导能力强等优势[15]。而且，该类纳米材料特殊的sp2杂化碳结构赋予它们优异的光敏或光热转换性质。如C60在可见光或紫外光照射下能够作为光敏剂产生活性氧，用于光动力学治疗[18]。CNTs和GO在近红外光(near-infrared ray,NIR)照射下，可将光能转化为热能,用于肿瘤热疗[16-17]。目前碳纳米材料已被广泛应用于药物的靶向递送与控释、光热治疗、光动力学治疗、肿瘤细胞的荧光标记、催化、生物传感和生物大分子的分离等诸多领域[21-24]。

2.1.2 基于碳纳米材料的递药系统 由于碳纳米材料的特殊结构，未经修饰的碳纳米材料在水中的分散性差，阻碍了其在体内的进一步应用。将具有良好生物相容性的高聚物或具有肿瘤识别功能的靶向配体通过共价或非共价方法修饰在其表面，可显著改善碳纳米材料的水分散性，并赋予其多种功能，发挥更好的治疗作用[25]。细胞对经过修饰的CNTs的摄取能力增强，从而增加了药物转运效率，同时还可降低CNTs引起的细胞氧化应激水平[26]。聚乙二醇(PEG)修饰可显著延长纳米石墨烯的血液循环时间，提高其在肿瘤部位的蓄积量，显著增强光热治疗效率[23]。不仅如此，碳纳米材料的表面修饰方式还会影响其光转化效应。Wang等[10]分析了聚乙烯亚胺(PEI)化学修饰的和PVP物理吸附修饰的CNTs(PEI-CNTs和PVP-CNTs)在卤钨灯照射下的光转化效应，首次发现CNTs表面修饰方式(共价结合或物理吸附)对光热转化效应有显著影响，PEI-CNTs不仅具有优异的NIR-热转换能力，而且在可见光照射下还能有效产生活性氧(ROS)。该研究证实了碳纳米材料表面状态会显著影响其微能量响应特征。

碳纳米材料具有独特的光吸收特征，可吸收特定波段的光能并将其高效转化为具有肿瘤杀伤作用的热能或化学能，用于肿瘤的微创精准治疗[27]。Kam等[24]使用叶酸修饰PEG-CNTs，通过肿瘤细胞表面高表达的叶酸受体介导实现了PEG-CNTs癌细胞内的高效富集，再联合NIR(808 nm)激光照射，实现了肿瘤的高效光热治疗。利用碳纳米材料本身的光热转化特性，并与化学药物或基因药物结合，可实现肿瘤的高效低毒治疗。Wang等[21]利用CNTs的光热响应性建立了具有热疗联合基因治疗协同增效作用的新型基因药物递送体系，发现原位聚合PEI的CNTs体系可显著增强siRNA的体内外稳定性，延长其体内半衰期，促进其入胞发挥高效基因沉默作用。

纳米递药系统药效的发挥不仅由药物自身的特性决定，而且取决于负载药物的纳米载体性质。纳米载体既能改变药物进入细胞组织的方式，还能控制药物的释放速率，进而影响治疗效果。碳纳米材料对光能的特殊响应可改变纳米递药系统的入胞行为。如CNTs的光热转化效应和C60的单线态氧效应可显著提高肿瘤细胞膜通透性，增强药物的入胞能力[12-13，28]。将肿瘤微环境特点及碳纳米材料的光能转化特征结合，可以更为精巧地调控递药系统的体内分布和肿瘤胞内行为，改善治疗效果。Wang等[28]发现，在NIR激光照射和肿瘤酸性环境的双重作用下，碳纳米材料荷载的多柔比星(DOX)在肿瘤细胞内的局部定点释放速度增加；提示以碳纳米材料为载体的递药系统具有NIR/pH双重响应释药特性，能够显著降低正常组织中的药物分布，从而有效降低DOX的全身毒性。Shi等[12，13]基于C60设计了系列可见光响应的递药系统，发现光照下产生的单线态氧可有效诱导内涵体/溶酶体通透性改变及膨胀破裂，提高胞内有效药物浓度，亦可通过诱导肿瘤细胞线粒体膜电位下降、细胞色素C外溢、胞内ATP耗竭，改变细胞周期，促使细胞凋亡。上述发现对于碳纳米材料用于高效治疗肿瘤及改善药物在肿瘤细胞内的“命运”具有十分重要的意义。

2.2磁性纳米材料

2.2.1 磁性纳米材料的电磁刺激响应性 近年来，磁性纳米材料已被证实是一种较安全的纳米材料，在肿瘤诊断和治疗方面引起了广泛关注[29]。由于具有优异的磁响应性能，磁性递药系统经静脉注射进入体内后，通过施加外部磁场可实现治疗药物向靶部位的定向输送[30]。另外，基于磁性纳米材料的肿瘤靶向磁感应热疗是近年来发展较快的一种肿瘤新兴治疗手段，具有微创、疗效显著、安全性高和副作用少等特点，被国际医学界称为“绿色疗法”，可与化疗、放疗等肿瘤传统疗法协同作用，逐渐受到国内外研究者的关注[31]。

2.2.2 基于磁性纳米材料的递药系统 磁响应型纳米递药系统是将表面修饰后的磁性纳米材料与药物结合形成的稳定载药体系，在外部磁场引导下可将外源性药物靶向递送到特定位置，在作用部位富集与释放，达到高效低毒的目的。磁性颗粒作为药物载体始于20世纪70年代，最初是以微粒方式递送药物。 随着纳米技术的发展，磁性纳米粒被用于靶向药物的递送及肿瘤磁热治疗[30]。Hayashi 等[32]合成了叶酸修饰的氧化铁纳米簇(60～100 nm)，利用外加磁场使其定向输送并蓄积于肿瘤部位，在交变磁场照射下肿瘤部位温度可由37 ℃升至43 ℃，磁热疗效果显著。Huang等[33]和Xie等[34]使用PEG和PEG化的磷脂修饰磁性纳米粒，利用PEG的长循环效果进一步增加了药物在肿瘤部位的蓄积浓度，联合交变磁场照射后，荷瘤小鼠肿瘤表面的温度可升高至60 ℃，肿瘤得到有效抑制。介孔纳米材料的发展为磁性纳米粒高效负载抗肿瘤药物提供了新的契机。Zhang等[35]合成了新型介孔Fe3O4(mFe3O4) 纳米粒并负载青蒿素(ART)，创新性构建了一种Fe2+和Fe2+依赖性药物共递送体系；该递送体系进入细胞后，活性载体mFe3O4可生成并释放Fe2+，进而促使青蒿素分子中的内过氧桥断裂，生成具有细胞毒性的自由基，联合交变磁场照射产生的热效应，实现化疗-磁疗同步协同治疗肿瘤的目的。

与其他物理刺激递药体系相比，磁响应递药体系有显著优势，不仅可通过磁靶向至病灶区进行磁热治疗，还可构建磁响应药物控释体系，从而实现同步肿瘤磁靶向、药物智能控释及肿瘤多机制治疗[36-37]。Chen等[38]利用酰胺键将小粒径Fe3O4纳米粒作为盖帽剂封堵在介孔SiO2纳米载体表面，可防止药物泄漏；在肿瘤靶部位施加高强度磁场(2 kW)切断偶联的酰胺键，使Fe3O4纳米粒脱落，可实现药物的定点释放。Qin等[39]则将Fe3O4纳米粒包裹在胶束中，在外加磁场照射下，Fe3O4纳米粒被磁化产生自聚，通过挤压作用破坏胶束，从而使药物被释放，实现了体外调控模式下的药物体内定点可控释放。

肿瘤的诊断和治疗在传统的临床应用中是两个相对独立的过程。两者间隔时间长，将不利于最佳治疗时机的选择和治疗方案的及时调整，因而发展诊疗一体化的递药系统是目前肿瘤治疗研究的热点。在众多无机纳米材料中，磁性氧化铁纳米粒因其生物相容性高，功能多样，成为肿瘤诊疗一体化靶向纳米递药系统设计的首选载体。Feng等[40]将顺磁性氧化铁超小纳米粒与中空介孔CuS纳米粒结合，构建了一个基于杂化金属纳米平台的智能药物递送系统，实现了磁共振成像监测模式下的肿瘤精准治疗；该研究为推进多模式联合的肿瘤诊疗策略提供了新思路。超顺磁性纳米氧化铁具有低毒性，其作为诊疗剂在癌症免疫治疗中的应用也受到越来越多的关注[41]。最近的研究[42-43]表明，Fe3O4纳米粒还具有改变肿瘤相关巨噬细胞表型及抑制肿瘤转移的作用。我们相信，随着纳米技术的发展，磁性纳米粒在肿瘤递药、诊断和治疗方面将会发挥越来越重要的作用。

2.3二氧化钛(TiO2)纳米材料

2.3.1 TiO2纳米材料的光声刺激响应性 在众多无机纳米材料中，TiO2纳米粒因其优异的化学稳定性、良好的生物安全性、低廉的价格及独特的光声响应能力在催化、环境能源和生物医药领域广受欢迎[44]。TiO2是一种优异的光敏材料，在紫外光照射下，可通过电子跃迁产生光生电子和空穴，激发其表面吸附的氧分子或含氧基团生成活性氧(ROS)，发挥多种生物学效应[45]。自然界中TiO2主要有板钛矿型、锐钛矿型和金红石矿型三种晶型。一般用于抗癌治疗的主要是锐钛矿型和金红石矿型，其中锐钛矿型的抗癌活性最高。

2.3.2 基于TiO2纳米材料的递药系统 与传统的肿瘤治疗手段相比，光动力学治疗具有特异性强、非侵入性、操作方便等优点，是一种应用前景良好的肿瘤治疗新策略。作为一种宽禁带半导体，在紫外光(h≥3.2 eV) 照射下，TiO2纳米材料产生的ROS可对肿瘤细胞内的生物大分子发挥强氧化作用，有效杀伤癌细胞；而且由于TiO2纳米粒可被正常组织血管周围的巨噬细胞所吞噬，不会产生白细胞减少等毒副作用，因而它有望成为最具前途的抗癌光敏剂之一。目前TiO2纳米粒已被开发用于多种恶性肿瘤的光动力学治疗[46]。然而TiO2只能响应紫外光区的能量，且激发后生成的电子、空穴极易复合，大大降低了ROS产生效率，限制了其实际应用范围。将TiO2与其他纳米材料复合，可改良其光催化性能，使其吸收光谱向长波长位移，直至NIR。目前，掺杂TiO2纳米粒的复合纳米材料被广泛用于药物或DNA递送、成像诊断及生物传感器研究[47-48]。如Zhang等[11，49]首次采用超共轭掺杂原理获得新型异质纳米材料TiO2@MWCNTs及TiO2@GO，超共轭诱导的自由电子可增强光能转化过程中的能级跃迁，从而扩展了TiO2的光响应范围，增强了光生电子的分离和迁移，联合化疗药物可实现肿瘤的定时定位化疗-光热-光动力多机制治疗。

与激光相比，超声穿透力更强，可治疗深部肿瘤，且治疗无需通过内镜，操作简便，在临床上有很好的应用前景，因而近年来肿瘤声动力学治疗成为研究新热点。最常见的声敏剂是同时兼有光敏作用的光敏剂。研究者们发现TiO2作为经典的光敏剂，在超声照射下亦可高效产生ROS。目前TiO2纳米材料被大量合成并用于抗肿瘤药物递送及肿瘤声动力治疗[47-48，50]。Deepagan等[51]合成了Au沉积的TiO2纳米材料，超声(30 W/cm2，1.5 MHz)照射30 s即可有效抑制SCC7鳞癌荷瘤裸鼠体内肿瘤的生长。Shi等[52]设计了一种低频超声引爆的“TiO2纳米炸弹”用于治疗乳腺癌，实现了同步DOX和 ROS的爆发性释放，同时利用超声触发的溶酶体逃逸和线粒体靶向效应，逆转了MCF-7/ADR细胞的耐药性。Feng等[53]将低氧细胞毒素替拉扎明(TPZ)装载到S-亚硝基硫醇修饰的中空介孔TiO2纳米粒中，构建了一类新型的乏氧诱导的三位一体肿瘤精准纳米治疗平台。该递药系统在超声刺激时，TiO2纳米粒可产生ROS，实现肿瘤声动力学治疗，而声动力学治疗诱导的缺氧进一步激活了TPZ，引发缺氧特异性杀死癌细胞效应，实现了多机制协同治疗肿瘤。

2.4锰纳米材料

2.4.1 锰纳米材料的生物刺激响应性 近年来，无机生物可降解材料已凭借其独特的优势和功能多样性日益受到重视。其中锰纳米材料由于其结构多样、肿瘤微环境响应的降解途径以及催化特性在肿瘤诊疗一体化应用中受到大量关注[54-55]。

2.4.2 基于锰纳米材料的递药系统 纳米二氧化锰(MnO2)是近年来出现的一种新型纳米材料，它不但能够在酸性和高还原性的肿瘤微环境中实现可控生物降解，改变肿瘤微环境，而且降解后的Mn2+具有优异的磁共振成像特性。因此用MnO2负载抗肿瘤药物可以实现肿瘤诊断治疗一体化[54-55]。Chen等[54]发现，将MnO2纳米层作为药物载体，DOX载药量可达450 mg/g，而且可在肿瘤部位特异性释放药物。但是，片层状MnO2容易堆叠，严重影响其水分散性及生理稳定性。Hao等[56-57]将PEG、叶酸或透明质酸修饰至MnO2纳米片层上，不仅增强了MnO2纳米层的稳定性，还赋予了其优异的肿瘤靶向能力。修饰后的纳米递药系统能够将药物高效递送至肿瘤细胞，随后MnO2被肿瘤微环境中H+和高水平的谷胱甘肽触发生成Mn2+，实现了肿瘤的诊疗一体化。肿瘤微环境对于抗肿瘤药物疗效的发挥至关重要。Song等[58]发现，MnO2纳米粒可利用其催化功能分解肿瘤微环境中高浓度的H2O2，改善肿瘤的乏氧环境,逆转肿瘤相关巨噬细胞的表型，从而增强化疗效果。另外，MnO2纳米粒催化H2O2产生的氧分子可为肿瘤的光动力学治疗提供丰富的氧源，在增强光动力学主料效果的同时引发一系列抗肿瘤免疫应答，与检查点-阻断疗法联用可有效抑制肿瘤远端转移[59]。Wang等[60]研究发现MnO2纳米递药系统可通过诱导免疫原性细胞死亡以及逆转肿瘤微环境来激活肿瘤特异性免疫应答，增强肿瘤免疫治疗的效果，在肿瘤免疫治疗中展现了广阔应用前景。

将锰离子掺杂于不同纳米材料中，在保持原有纳米材料性能的基础上，不但可以实现磁共振成像，而且还会赋予纳米载体新的性能。如Mn-SiO2[61]、Mn-普鲁士蓝[62]、硅酸锰纳米粒[63]、碳酸锰纳米粒[64]等已被用于不同肿瘤模型的磁共振成像和治疗系统。Li等[65]将锰离子掺杂在可降解的水滑石纳米粒(50 nm)中，大大提高了该纳米粒的酸响应灵敏性，显著增强了肿瘤磁共振成像效果。Yu等[66]制备了锰掺杂的SiO2纳米粒，实现了肿瘤微环境响应的药物释放和磁共振成像。Hao等[67]构建了一种对肿瘤酸性微环境具有超敏感响应性的无定形介孔磷酸锰纳米粒，其在细胞内可快速释放所负载的光敏剂和HIF/VEGF抑制剂吖啶黄，有效避免了光动力学治疗导致乏氧而引起的治疗逃逸，探索了增强光动力治疗以及放大磁共振信号的新策略。综上，锰纳米材料对于磁共振评价下的肿瘤治疗具有重要意义。基于锰材料的靶向纳米诊疗系统具有载药效率高、针对性强、效果显著、体内可降解、副作用低、多重生物学功能等特点，已然成为未来癌症诊疗一体化领域中极具前景的研究方向。

3 总结和展望

本文主要介绍了以碳纳米材料、磁性纳米材料、TiO2纳米材料和锰纳米材料为代表的多功能纳米递药系统，并针对其微能量响应特征在抗肿瘤药物控释和肿瘤多机制治疗领域中的研究现状进行了总结。无机纳米材料在物理空间结构和化学结构方面表现出了独特的性质，如微能量响应性、高效的药物荷载能力和可控释放，利用这些特性可实现肿瘤的微能量(激光、超声、射频和磁场等)治疗和协同增效。通过对无机纳米载体进行表面修饰及结构优化，可实现抗肿瘤药物的高效负载、肿瘤特异性递送和靶部位智能控释。目前，虽然已有众多纳米材料被广泛用于新型纳米递药系统的研究，但鲜有纳米载体材料应用于临床试验的报道。研究者们关注较多的是药物递送效率及抗肿瘤效果，而且多是在细胞和动物水平上进行的短期研究，在无机纳米材料的生物效应、体内代谢、免疫调节作用、与抗肿瘤药物的协同作用机制以及体内外动力学行为等方面尚缺乏系统深入的研究。尽管无机纳米材料在临床应用中还面临着许多亟待解决的问题，但越来越多的研究结果表明，无机纳米材料及其递药系统在肿瘤治疗中具有潜在优势。相信随着纳米技术的发展和对纳米材料全面深入的研究，具有微能量响应特征的无机纳米递药系统研究将会具有更为扎实的理论和物质基础，从而为临床提供更加多样和高效的治疗方法和手段。