铜基纳米材料在增强化学动力学治疗上的应用研究

程玉莹 周学素 闫歌 田启威 杨仕平

摘  要： 和传统治疗相比，化学动力学治疗（CDT）被认为是一种低副作用且无创的治疗方法，在众多的治疗方法中脱颖而出.CDT通过金属离子介导的芬顿反应或类芬顿反应，将肿瘤中过表达的过氧化氢（H2O2）分解为剧毒的羟基自由基（·OH），从而杀死肿瘤细胞.近年来，铜基纳米材料在CDT中蓬勃发展，极大地提高了CDT的效率.因此，基于铜基纳米材料，归纳了通过调节肿瘤微环境来增强CDT以及其他疗法的协同治疗，为开发新型的类芬顿试剂提供了思路借鉴.

关键词： 化学动力学治疗（CDT）; 芬顿/类芬顿反应; 铜基纳米材料; 肿瘤微环境; 协同治疗

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，癌症已严重威胁着世界各地人们的健康，严重影响着患者的生活质量[1-3].癌症传统的治疗方法包括手术、化学疗法、放射疗法等，这些方法会给患者带来极大的痛苦，并且伴有不可避免的副作用[4-5].作为一种新型的治疗方法，化学动力学治疗（CDT）被认为是一种副作用低的非侵入性治疗方法[6].CDT通过金属离子介导的芬顿或类芬顿反应来催化肿瘤微环境（TME）中过表达的H2O2产生剧毒的羟基自由基（·OH），从而导致肿瘤细胞凋亡或坏死[7-8].与其他治疗方式不同，CDT具有以下优点：1） 不需要外部能量输入;2） 可以被内源性的刺激激活.最典型的CDT是亚铁离子（Fe2+）介导的芬顿反应[9]，然而，由于强酸度（pH=3～4）和低催化效率，Fe2+介导的CDT产生活性氧的效率较低[10].因此，迫切需要开发具有高效催化特性的化学动力学试剂.相对而言，Cu+催化的类芬顿反应表现出比Fe2+更好的动力学效果[11].据报道，Cu+催化的类芬顿反应具有相当大的反应速率，即使在中性环境中，也可以催化H2O2产生的羟基自由基，其催化作用比Fe2+介导的芬顿反应强160倍[12].此外，Cu+/Cu2+还原电位低，因此H2O2介导的Cu+/Cu2+比Fe2+/Fe3+循环更加简单[13].

尽管前景乐观，但基于铜基纳米材料的CDT在提高治疗效率方面仍然面临着严峻挑战.虽然肿瘤细胞中的H2O2水平高表达（1×10-4～1×10-3 mol·L-1）[14-15]，但不能持续地生成羟基自由基，达到令人满意的化学动力学效果.此外，肿瘤中具有高浓度的谷胱甘肽（GSH）（1×10-2 mol·L-1），作为细胞中重要的抗氧化剂，GSH会清除羟基自由基，从而削弱治疗效果[16].因此，本文作者归纳了基于铜基纳米材料调节肿瘤微环境从而增强CDT以及其他疗法增强的CDT，为开发新颖的化学动力学试剂提供了思路.

1  调节肿瘤微环境增强的CDT

尽管相对于其他治疗手段而言，CDT具有独特的优势，但仍然存在一些缺点，限制了其在临床上的应用[17-19].近几年来，研究者们提出通过调节肿瘤微环境来增强化学动力学效果，包括降低肿瘤微环境的pH值，消耗肿瘤中过多的GSH，增加H2O2含量.然而，由于铜介导的类芬顿反应即使在弱酸性条件下仍能发生.基于此，接下来主要对消耗肿瘤中高水平的GSH和增加H2O2的含量展开叙述.

1.1 降低谷胱甘肽的浓度

作为一种细胞内的抗氧化剂，GSH具有清除羟基自由基的能力，肿瘤细胞中高浓度的GSH降低了化学动力学的催化效果[20].因此，降低肿瘤微环境中GSH的水平有助于提高化学动力学效果.基于铜离子与含有巯基的配体具有良好的配位作用，如图1所示，MA等[12]合成了自组装铜氨基酸硫醇盐纳米粒子，构建了含铜纳米制剂介导的化学动力学纳米平台.

当纳米粒子被癌细胞内吞后，会和肿瘤细胞中过表达的GSH发生氧化还原反应，GSH会将Cu2+还原为Cu+.然后，Cu+和H2O2反应生成羟基自由基，从而引起肿瘤细胞凋亡.整个反应的机制如下：

由于肿瘤细胞中存在高浓度的GSH和H2O2，依次引发氧化还原反应，还原型GSH将Cu2+还原成Cu+，同时生成氧化型的GSH（GSSG）.体内和体外的实验结果都表明铜-氨基酸硫醇盐纳米粒子（Cu-Cy NPs）具有很强的CDT效果，能够有效地抑制耐药性的乳腺癌，同时没有明显的系统毒性.作为一种新型的金属有机硫醇类，Cu-Cy NPs具有很强的特异性，为癌症治疗提供了新的可能.

1.2 增加过氧化氢的含量

肿瘤中内源性的过氧化氢水平不足（1×10-4～1×10-3 mol·L-1）是限制化学动力学效率的另一巨大挑战[14].因此，许多研究者致力于设计出能够自供应H2O2的化学动力学试剂，这为癌症治疗开辟了新的方法.作为首个被报道的芬顿型金属过氧化物纳米材料，LIN等[18]用简易的方法制备了过氧化铜（CP）纳米点，在OH-的辅助下由H2O2与Cu2+ 经配位合成，这是一种通过自给H2O2从而增强CDT的简便策略，如图2（a）所示.

合成的CP纳米点粒径小（约为5 nm），小粒径使它们能够充分利用增强的渗透性和保留效果，如图2（b）所示.在被癌细胞内化后，pH敏感的CP纳米点在酸性的内膜/溶酶体中被分解，同时释放出过氧化氢和Cu2+.反应的机制如下所示：

随后发生类芬顿反应，生成具有高毒性的·OH，产生的·OH通过脂质过氧化作用诱导溶酶体膜通透化，进一步导致癌细胞死亡.在整个治疗过程中小鼠体重没有发生明显变化，如图2（c）所示，说明材料具有良好的生物相容性.实验结果表明：治疗组在很大程度上抑制了肿瘤，这归因于材料在肿瘤中具有较高的积累，以及发生类芬顿反应产生高毒性的羟基自由基，从而杀死肿瘤细胞.这项研究首次合成了芬顿型的金属过氧化物，为设计自供应H2O2 的化学动力学纳米试剂提供了較好的范例.

2  基于铜基纳米材料的其他疗法增强的CDT

虽然CDT是一种具有低副作用且无创的治疗方法，具有良好的癌症治疗效果，但是受到肿瘤微环境的复杂性和异质性影响，化学动力学的效果在很大程度上会被抑制[21-23].因此，越来越多的研究试图把CDT和其他治疗方法结合在一起，从而达到增强的CDT效果.在未来，研究人员将研发围绕基于铜基纳米材料的其他疗法增强的CDT，这种化学动力学指导的协同治疗将会在肿瘤精确治疗医学领域中发挥更重要的作用.

2.1 CDT协同化学疗法

化学疗法是一种传统的癌症治疗方法，然而，长期的耐药性和不可避免的副作用限制了其在临床上的应用[24].随着纳米医学的迅速发展，现在可以将CDT和化学治疗结合起来，在提高CDT效果的同时降低药物的副作用.PENG等[25]通过Cu2+和双硫仑（DSF）的原位反应并负载二乙基二硫代氨基甲酸铜（II）（Cu（DDC）2），成功合成了稳定的配位金属聚合物纳米粒子，如图3所示.

Cu2+和聚乙二醇-b-聚碳酸酯（PEC）侧链中的羧基发生配位作用，提供类似核交联的结构，增强了配位聚合物的稳定性.制备的纳米粒子具有以下几个优点：1） 可以通过调节Cu2+，DSF，PEC的进料比，改变Cu（DDC）2的载药量和纳米材料的特性;2） 在中性或微酸性条件下具有良好的稳定性;3） 当被肿瘤细胞内化后，释放Cu（DDC）2用于化学治疗和Cu2+介导的CDT.这种基于金属配位聚合物的纳米材料为化疗和CDT的协同治疗在肿瘤治疗中的应用提供了新的见解.

2.2 光热增强的CDT

光热治疗是利用光热剂吸收近红外光能，将其转化为热能，从而治疗肿瘤的新兴手段，由于其具有高选择性和低毒性，且对正常组织没有影响，受到广泛关注[26-28].根据文献报道[29]，化学动力学可以通过提高肿瘤部位的温度来进一步增强治疗效果，这为提高化学动力学在肿瘤治疗中的应用开辟了新的道路.硫化铜纳米颗粒具有良好的光热效果，被广泛用作光热试剂.WANG等[30]合成了具有空心结构的硫化铜，和实心的硫化铜相比，空心硫化铜纳米粒子的比表面积是实心硫化铜纳米粒子比表面积的1.7倍，这意味着纳米粒子具有更多的反应活性位点，大大提高了类芬顿反应的催化效果.同时，硫化铜具有良好的光热效果，进一步促进了羟基自由基的生成，从而增强了化学动力学反应效率.

如图4（a）所示，将材料尾静脉注射到小鼠体内，用808 nm的激光对小鼠进行照射，进而进行光热治疗;同时，材料还可以与肿瘤中高表达的H2O2发生化学动力学反应，生成·OH，光热治疗提供的热源增强了类芬顿反应的催化作用，进一步增强了肿瘤的治疗效果.如图4（b）所示，材料+激光（laser）这组肿瘤没有发生明显的增殖，这表明，CDT和光热治疗协同治疗具有杰出的癌症治疗效果，能够完全消灭肿瘤，如图4（c）所示.Cu9S8纳米粒子可以用作化学动力学试剂，催化肿瘤中的H2O2产生羟基自由基;另一方面，Cu9S8纳米粒子又可以作为光热试剂，催化提高Cu+介导的CDT效果.单纯的CDT很难达到预期的癌症治疗效果，而光热治疗和CDT的协同治疗对肿瘤的治疗起着显著的增强效果，这是由于光热治疗提供的热源增强了类芬顿反应的催化作用.这种将光热治疗、CDT和原位自生成核磁共振成像结合在一起的多模态影像指导的协同治疗，为开发更新型的类芬顿试剂指明了道路.因此，将光热治疗和CDT结合在一起的协同治疗有望成为提高CDT效果的良好策略.

2.3 CDT协同声动力治疗

声动力治疗是一种有效的无创肿瘤治疗方法，通过超声波激活声敏剂以产生活性氧，从而杀死肿瘤细胞[31].声动力治疗对深层肿瘤具有良好的治疗作用[32]，因此它在微创肿瘤治疗中具有广阔前景.研究表明：在超声辐射下可以增强类芬顿反应的活性，从而提高治疗效率[33-34].如图5所示，ZHONG等[35]采用一锅水热法合成了均匀的PtCu3纳米笼，用于CDT与声动力治疗的协同治疗.

PtCu3納米笼不仅可以作为类辣根过氧化物酶，在酸性条件下催化H2O2分解成·OH，而且可以作为类谷胱甘肽过氧化物酶，在氧化分子加速GSH消耗中起重要作用，进一步削弱了GSH清除肿瘤细胞中活性氧（ROS）的能力.此外，基于PtCu3在近红外有较强的吸收和强大的X射线衰减能力，可以用于光声/计算机断层扫描双模态成像.体内和体外实验的结果均表明CDT和声动力治疗的协同作用对肿瘤具有显著的治疗作用，并且没有发现明显的全身副作用.CDT协同声动力治疗扩大了纳米材料在深部肿瘤中的扩散，增加了ROS的产生，并有助于提高CDT在肿瘤中的治疗效率.

3  结论与展望

近年来，铜基纳米材料在CDT中的应用引起了广泛的研究兴趣，并且在临床上具有广阔的应用前景.铜基纳米材料作为类芬顿试剂在CDT中蓬勃发展，本文作者概述了铜基纳米材料通过调节肿瘤微环境或与其他治疗手段相结合，展现出良好的肿瘤治疗效果.然而，到目前为止，铜基纳米材料用于CDT仍处于起步阶段，依然存在着一些挑战，例如肿瘤中的H2O2不足以及过多的GSH等都限制了铜介导的CDT效果.因此，为了进一步扩大化学动力学的治疗效果，增强抗肿瘤作用，亟需开发新型、高效、有良好生物相容性的化学动力学试剂，合理地构建多功能的铜基纳米治疗平台.随着纳米医学的蓬勃发展，铜基纳米材料在肿瘤治疗方面将具有更广阔的应用前景.

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（責任编辑：郁慧）