纳米技术在乳腺癌化疗中的应用研究进展

刘丽桃，谢 妮*，郭文鹏

（ 1. 广州医科大学临床检验诊断学教研室，广东 广州 510182；2. 深圳市第二人民医院生物标本库，广东 深圳 518035）

纳米技术在乳腺癌化疗中的应用研究进展

刘丽桃1，2，谢 妮2，*，郭文鹏2

（ 1. 广州医科大学临床检验诊断学教研室，广东 广州 510182；2. 深圳市第二人民医院生物标本库，广东 深圳 518035）

乳腺癌已成为全世界女性最高发的癌症，严重威胁女性健康。化疗作为癌症治疗的主要手段之一，延长了患者的生存期，降低了死亡率。传统的化疗药物一方面因非特异性杀伤正常细胞而给人体来了严重损伤，另一方面因肿块局部化疗药物未达到有效治疗剂量，导致了肿瘤细胞产生耐药。纳米颗粒独特的物理、化学及生物学特性使其能安全有效地运输化疗药物至肿瘤位点，显著降低了化疗药物的毒副作用，提高了化疗效果，开创了“乳腺癌靶向治疗”的新时代。本文就纳米技术在乳腺癌化疗中的作用机制及其应用进行综述，旨在为研发高效、安全、多功能的新型纳米制剂提供参考。

乳腺肿瘤；化疗；纳米技术；药物载体

乳腺癌是女性的第一杀手［1］，抗癌协会公布的统计数字已表明，近年来，中国乳腺癌的发病率正以每年2%～3%的速度递增，发病年龄也呈现日趋年轻化的趋势。目前乳腺癌的治疗方法主要是早期手术辅以化疗、放疗、内分泌治疗和生物免疫疗法，但缺乏细胞选择性的抗肿瘤药物给人体正常细胞带来了严重的损伤，同时因未能在肿块局部蓄积有效治疗剂量的化疗药物导致了肿瘤耐药。随着乳腺癌发病的生物学特点及分子机制研究的逐渐深入，乳腺癌进入了分子靶向治疗时代。然而，即使被临床试验证明有效的分子靶向治疗也存在着严重的副作用。因此，发展高选择性且无毒的药物载体成为研究乳腺癌治疗的重要方向。纳米颗粒在人体内具有生物相容性、靶向定位性、隐形性、缓释性、主体稳定性、表面易修饰性等特性，已被证明是抗肿瘤药靶向运输物的良好载体［2-3］。

1 纳米技术

纳米技术是一个跨学科研究领域，指在原子及分子水平研究、制造并运用结构尺寸在1～1 000 nm材料的技术［3］。医学领域里，纳米材料多以药物载体的形式在肿瘤化疗、放疗、热疗、成像、基因治疗等方面获得应用。上世纪90年代美国批准阿霉素脂质体纳米制剂（doxorubicin liposomal，Doxil）用于卡波氏肉瘤化疗，是纳米靶向制剂成功走上临床应用的里程碑事件［4］。2002年欧盟批准非聚乙二醇阿霉素脂质体（nonpegylated liposomal doxorubicin，Myocet）应用于转移性乳腺癌患者的辅助治疗，推动纳米制剂在乳腺癌治疗中的研究应用［5］。纳米技术在乳腺癌化疗中有以下优势：①纳米微粒具有很大的比表面积，较高的表面活性，表面修饰后可以开发具有多功能的药物靶向传输体系，实现药物最大限度蓄积在肿瘤局部，并在保证疗效的前提下，减少给药剂量，降低毒副作用［6-7］。②具有超微结构，可逃避内皮网状系（reticulo-endothelial system，RES）的吞噬，避免了药物在转运过程中被代谢分解，进而延长药物在体循环的时间，提高了实体瘤的高渗透和滞留效应，增强了抗瘤疗效［8］。③避开肿瘤的耐药环节，逆转肿瘤耐药［9］。④具有光学及磁学特性的纳米制剂可以实现乳腺癌的微创治疗，减轻对正常组织的毒副作用并提高疗效［2］。

根据合成原材料的不同，纳米载体主要分为两大类：无机载体和有机载体。树突状分子、胶束、脂质体、白蛋白属于无机纳米载体，有机纳米载体包括：量子点、碳纳米管、金纳米颗粒。

2 纳米靶向机制

“靶向”是提高乳腺癌疗效的必要原则，是实现乳腺癌治疗有的放矢的关键所在。纳米制剂的靶向机制主要有被动靶向和主动靶向。

实体瘤组织血管密度高、内皮间隙大，淋巴回流障碍，局部血管通透性介质浓度高等特点，使得大分子抗癌药物易在肿瘤组织蓄积［3，10］。这种现象被称作实体瘤组织的高通透性和滞留效应（enhanced permeability and retention effect，EPR），是肿瘤被动靶向功能的病理学基础（如图1A）。研究表明，正常组织的血管内皮细胞间隙为2 nm，毛细血管后微静脉内皮细胞间隙为6 nm，而不连续的肿瘤血管内皮细胞间隙为100～780 nm［11］。理想的纳米粒子不仅可以进入肿瘤间隙，还可以避免进入正常组织。但直径大于100 nm的载体进入血循环后易经调理作用而被RES吞噬，最后被肝脾组织清除。聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）、甲基聚唑啉、聚乙烯吡咯酮和神经节苷脂等高分子化合物修饰纳米颗粒后可减少RES对纳米颗粒的吞噬以延长药物在体内的循环时间，从而增强了药物的被动靶向功能。

主动靶向将特异性配体或高分子化合物结合在纳米载体表面，当配体与癌细胞上的特异性受体结合后，在受体介导的内吞作用下，药物进入癌细胞内部发挥抗癌作用［3，9，12］（如图1B）。乳腺癌主动靶向的特异性分子靶点或受体有：表皮生长因子受体（epithelial growth factor receptor，EGFR）、雌激素受体（estrogen receptor，ER）、孕激素受体（progestrone receptor，PR）、叶酸受体（folate receptor，FR）、促黄体激素释放激素受体（luteinizing ormone releasing hormone，LHRH）、转铁蛋白受体（transferrin receptor，TfR）、CD44、胰岛素样生长因子1型受体（insulin-like growth factor 1 receptor，IGF1R）、乳腺癌细胞膜糖蛋白（breast cancer cell membrane glycoprotein）、整合素受体（integrin receptor，ITGR）等［13-14］。人类表皮生长因子受体2（human epidermal growth factor receptor-2，Her2）是ERBB家族的成员之一，它在25%～30%乳腺癌中呈高表达，并与乳腺癌恶性程度密切相关，是乳腺癌主动靶向治疗的常用靶点及研究的热点［15-16］。

除此以外，还有直接瘤内注射，物理化学靶向方法。直接瘤内注射是在传统成像技术（如超声波和磁共振）的引导下将纳米制剂直接注入瘤体部位（如图1C），但它只限应用于传统成像技术能发现的单个瘤体，不适于多发性、浸润性、隐蔽性性小瘤体［17］。物理、化学靶向通过温度、pH及磁场等外力让药物到达特定的传输部位而发挥抗癌作用［18-19］（如图1D）。目前物理化学靶向制剂有：热敏制剂、磁导向制剂、pH敏感制剂、栓塞制剂。纳米靶向制剂已超越了生物、生物医学、生物物理学障碍，开创了“乳腺癌靶向治疗”的新时代。

3 常见的乳腺癌纳米载药体系

3.1 脂质体载药体系

脂质体（liposome）是由磷脂双分子层环绕而成的封闭球形囊泡结构，直径约25～1 000 nm不等。它由20世纪60年代英国学者Bangham发现并命名［21］。20世纪70年代Gregoriadis等［22］首次将脂质体用作药物载体。脂质体具有生物膜的功能特性，可以与细胞膜融合，可同时包裹亲水性及疏水性药物，且具有缓释、控释的作用，是目前研究最成熟的纳米载体。表1总结了国内外用于治疗乳腺癌的脂质体纳米制剂研究现状［14，23-24］。研究表明直径小于100 nm的脂质体可避开内皮网状系统吞噬，且更易于渗入肿瘤组织，但载药量低是它的主要缺陷。PEG修饰的脂质体可提高载药量及避开RES吞噬，但高分子化合修饰后增加了药物与癌细胞的空间位阻，影响了癌细胞对脂质体的吸收［25］。如今已在美国和欧洲上市Doxi正是PEG修饰的阿霉素脂质体。Doxi虽降低了阿霉素的心脏毒性，但在肿瘤部位释药量非常缓慢（24 h小于5%）导致药物的生物利用度才40%～50%［26-27］。这说明了PEG脂质体虽可在肿瘤部位浓集，但并不会自动提升抗肿瘤疗效。为了解决这一问题，科学家们研制了可在特定温度、pH值、声波、酶的刺激下释放药物的脂质体。热敏脂质体最初由Yatvin等［28］提出。最初的热敏脂质体的主要成分为二棕榈酰磷脂酰胆碱（dipalmitoyl phosphatidylcholine，DPPC），它在高温条件下（42 ℃）可促进脂质体融合、破裂并释放化疗药物。1-肉豆蔻酰基-2-硬脂酰基卵磷脂（1-myristoyl-2-stearoyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholine，MSPC）和二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇（distearoyl phosphoethanolamine-PEG2000，DSPE-PEG2000） 加入DPPC热敏脂质体后，41 ℃时便可显著增加脂质体膜的通透性，提高释药率。目前含DPPC/MSPC/DSPE-PEG2000的长循环热敏脂质体（long circulating thermosensitive liposomes， LTSL）在乳腺癌应用研究中处于Ⅱ期临床实验阶段［25］。近期Kheirolomoom等［29］将LTSL脂质体进一步优化，把阿霉素跟铜元素包裹在热敏脂质体内部（CuDox-LTSLs）以实现热敏脂质体多功能治疗。将这种复合体系每周2次静脉注入荷乳腺癌小鼠模型体内，在超声的介导下，脂质体在肿瘤局部产生热消融效应并刺激脂质体释放阿霉素。实验结果表明乳腺肿块在治疗后53 d完全消失，并在治疗后8个月病理检查未发现癌细胞。另一方面，在脂质体表面予以乳腺癌细胞特异性表达分子修饰时，脂质体可主动靶向乳腺癌细胞。Kullberg等［30］将Her2特异性抗体-曲珠单抗连接在温度敏感脂质体上，制成热敏免疫脂质体。实验表明：Her2阳性乳腺癌细胞对热敏脂质体的吸收比传统脂质体增加了22倍。与热敏脂质体一样pH敏感免疫脂质体也显著提高了释药率及靶向性，但在血循环中存在药物泄漏是其主要缺陷。Huang等［31］将功能化的单壁碳纳米角作为疏水药物载体包裹在pH敏感免疫脂质体的磷脂双分子层内部，使药物泄漏量减少了一半。

3.2 白蛋白载药体系

研究发现［32］：①肿瘤组织中富含半胱氨酸的酸性分泌蛋白（secreted protein acidic and rich in cysteine，SPARC）可以粘附白蛋白；②内皮细胞膜上的白蛋白受体Gp60和小窝蛋白-1（caveolin-1）参与了药物的跨膜转运。同时基于白蛋白可生物降解、无毒、无抗原性等特点，并且它在生物相容性、体内耐受性、剂型稳定性方面均较脂质体有所增强。越来越多的研究者将目光转向白蛋白纳米颗粒来寻找肿瘤靶向给药的新突破。

同其他纳米制剂一样，白蛋白纳米制剂具有双重靶向机制，但它的主动靶向机制并非通过人为修饰实现的，而是依靠体内天然主动靶向机制HSA-gp60-caveolae-SPARC通路来实现的［33］（如图2所示），这样就在很大程度上减少了因添加主动靶向配体可能引起的免疫排斥反应。科研领域中阿霉素、5-Fu和甲氨蝶吟等化疗药物均被包封于白蛋白纳米颗粒内部用于乳腺肿瘤靶向治疗研究［34-35］。而白蛋白结合型紫杉醇纳米制剂Abraxane 是全球唯一应用白蛋白纳米微粒技术生产的靶向化疗药物［36］，它于2005年在美国上市后，2009年进入中国，目前上市国家已超过了35个。大量文献表明：与传统紫杉醇相比，白蛋白紫杉醇具有高肿瘤组织分布、高剂量、高疗效、低毒性、无需抗过敏预处理、明显缩短完成输液时间等优势，并解决了聚氧乙烯蓖麻油带来的首要问题-超敏反应［37-38］。表2总结了白蛋白紫杉醇单药治疗乳腺癌的研究数据。Chirgwin等［39］总结了白蛋白紫杉醇在不同人群中各种联合化疗方案治疗乳腺癌的Ⅲ期临床试验研究数据，表明白蛋白紫杉醇联合化疗疗效确切且耐受性良好，尤其是与曲妥珠单抗等靶向制剂联合应用时可显著提高患者的完全缓解率。为进一步提高白蛋白纳米载体的靶向性，Abbasi 等［40］将一种阳离子聚合物-乙烯亚胺（polyetherimide，PEI）覆盖在白蛋白阿霉素纳米粒表面，使其表面带正电荷。研究表明，肿瘤细胞膜表面带大量的负电荷，其电导率和介电常数均与正常细胞不同［41］。阳离子白蛋白阿霉素纳米颗粒与乳腺癌细胞MCF-7 通过正负电荷吸附作用而更好的实现细胞内吞过程，从而显著提高了乳腺癌细胞对白蛋白阿霉素纳米粒的摄取率，增强了抗癌效应。近年来，姜黄素因其天然抗瘤活性而倍受关注，已被美国国家肿瘤研究所列为第三代癌症化学预防药物。体外及动物实验中姜黄素的抗癌效果十分显著，但在人体实验中因其水溶性低及生物利用度差而极大消减了它的抗癌效应。Jithan 等［42］研制了白蛋白包裹的姜黄素纳米制剂。在乳腺癌细胞系（MDA-MB-231）中白蛋白姜黄素显示出了比溶剂型姜黄素更强的抑癌效应。在动物实验中发现白蛋白姜黄素纳米制剂易于在乳腺癌的常见转移位点肺、脑、肝组织富集。

3.3 聚合物胶束载药体系

聚合物胶束是一个新兴的纳米载药平台，它由具有亲水性头部及疏水性尾部的双亲性分子在水溶液中自组装形成“核-壳”结构。近20余年来胶束作为疏水性抗癌药物载体而倍受重视。与脂质体和白蛋白相比，聚合物胶束具有更强的增溶能力，其疏水内核是主要增溶部位。胶束主要有3种结构：亲水-疏水型（二嵌段共聚物）、亲水-疏水-亲水型（三嵌段共聚物）和接枝聚合物［7，44］。胶束的疏水内核包括聚环氧丙烷（propylene oxide，PPO）、消旋聚乳酸（poly-DL-lactic acid，PDLLA）、聚己内酯（polycaprolactone，PCL）等聚酯结构，最常用的疏水外壳是PEG和PEO。Genexol-PM和NK012是目前进入乳腺癌临床试验阶段的两种聚合物胶束制剂。Genexol-PM是装载紫杉醇的PDLLA-PEG结构二嵌段共聚物。2008年Lee等［45］在转移性乳腺癌患者中的Ⅱ期临床实验中评估了其安全性和有效性。51名患者予Genexol-PM以300 mg/m2每3周静脉注射，平均接受8个周期的治疗后，总体有效率是58.5%，中位肿瘤进展时间（the median time to tumor progression， TTP）是9个月，3级非血液毒性主要是外周神经元病变（51.2%）， 血液毒性是3～4级的嗜中性粒细胞减少症（分别为51.2%和17.1%）。目前Genexol-PM正处于Ⅲ/Ⅵ期临床实验阶段。NK012［PEG-PGlu（SN-38）］是嵌段共聚物PEG与焦谷氨酸（pyroglutamic acid，PGlu）装载SN-38的抗癌聚合物胶束。SN-38是一种喜树碱类似物，它与PGlu 通过缩合反应共价结合，并通过抑制Ⅰ型的拓扑异构酶而发挥抗癌功效。美国与日本的癌症中心均对NK012进行了Ⅰ期临床试验，确立了药物的最大耐受剂量（maximal tolerance dose，MTD）与剂量限制性毒性（ dose-limiting toxicity，DLT）［46-47］。美国研究表明NK012的MTD是37 mg/m2，而日本方面的结果是28 mg/m2。双方推荐的MTD均为28 mg/m2，其主要的DLT是中性粒细胞减少症。目前美国正在乳腺癌患者中实施Ⅱ期临床试验以评价NK012的安全性及有效性［48］。为提高抗癌疗效，科学研究者们对聚合物胶束载体进行了不同的修饰，如偶联抗体或配体制成靶向纳米制剂，研发pH敏感、热敏感等可控释药的环境敏感聚合物胶束。近期Kutty等［49］将西妥昔单抗偶联在载多西他赛的维生素E琥珀酸聚乙二醇酯（d-α-tocopheryl polyethylene glycol succinate，VitE TPGS）胶束上，实验结果表明MDA MB 468和 MDA MB 231乳腺癌细胞系对纳米胶束的吸收分别是传统多西他赛的205.6和 223.8倍。Gao等［50］将偶联叶酸的载阿霉素pH敏感胶束纳米制剂通过尾静脉注入4T1乳腺癌小鼠模型后肿瘤明显缩小，且在治疗28 d后未发现转移灶，而未偶联叶酸的阿霉素pH敏感胶束纳米制在肝、肾、肺等组织有不同程度转移。

3.4 其他载药体系

树枝状聚合物具有树枝状的骨架和球状外形，它由3个部分构成：引发核，与引发核连接的重复支化单元组成的内体，拥有多个功能基团的表面区域。树枝状聚合物结构高度对称，呈单分散性，跟脂质体与胶束相比它易于制备且更稳定。化疗药物既可以包封于树枝状聚合物骨架空腔内，也可以与树枝状聚合物表面的功能基团偶联。Abdel-Rahman等［51］研制了一种新型热敏低聚乙二醇树枝状聚合物，这种树枝状聚合物在室温下可溶于水，并在乳腺癌MCF-7细胞系显示出相当大的细胞毒性效应。

微乳剂与癌细胞有较强的亲和力，在体内具有淋巴定向性、可以达到缓释、控释的目的等特点。它可作为多肽，蛋白质等水溶性药物的载体，避免药物在胃肠道中失活，增加了药物稳定性。已有研究提出富含蛋黄卵磷脂和鱼油N-3脂肪酸的水包油型乳剂可抑制乳腺癌转移［52］。Mendes等［53］在乳腺癌肿块局部注射微乳剂后发现极大部分乳剂蓄积在肿块内。这一现象提示乳剂可通过瘤内注射的方法用于乳腺癌的新辅助化疗。

4 多功能纳米载药体系

随着纳米载药系统的不断发展，纳米粒子经历了3个阶段。未经任何修饰的“第一代纳米载体”仅依赖于纳米材料的物理性质被动靶向运输药物。为实现纳米载体的主动运输，研究者们在纳米颗粒表面予以特异性靶向分子修饰形成了“第二代纳米载体”。当今世界，拥有多项功能的、集肿瘤诊断与治疗于一体的“第三代纳米载体”成为纳米靶向治疗的又一大亮点，以期实现对癌症的早期侦测、精确定位、准确投递抗癌药物。目前已有大量的多功能纳米体系研究数据。2009年Galanzha等［54］在光声流式细胞术下通过靶向金纳米颗粒检测到小鼠肿瘤模型血循环中的CD44+癌细胞。目前，这项技术正向研制多功能纳米体系发展。通过双重靶向磁性纳米颗粒和金纳米管，在临床应用型光声流式细胞仪下检测到癌细胞并利用光热消融清除血循环中被检测到的癌细胞。毋庸置疑这项技术成熟后将在乳腺癌的诊断及治疗中发挥巨大潜能。它将在乳腺癌转移灶形成前，甚至是原发病灶形成前清除血循环中微量癌细胞，有效地防治了乳腺癌的发生、发展。近期，Varshosaz 等［55］研制了叶酸与维甲酸双重标记的载阿霉素右旋糖酐磁性纳米胶束多功能体系（FA/DEX-RA MNPs）。将这一体系应用于MCF-7乳腺癌细胞系后，发现FA/DEX-RA MNPs对癌细胞杀伤力明显强于传统阿霉素组，并且在1 μm的磁场环境中癌细胞对FA/DEX-RA MNPs吸收增加，其抑癌效应是无磁场环境下的2～4倍。介孔SiO2纳米粒子（mesoporous silica nanoparticles， MSNS）因缓释、控释功能而成为科研中的热点，它有巨大的表面积和较强的吸附能力，可以在孔道内负载各种药物［56］。Blanco等［57］报道了紫杉醇MSNS纳米颗粒对MDA-MB-468 乳腺癌细胞的抑癌效应呈时间依耐性。在后续的乳腺癌荷瘤裸鼠模型试验中，紫杉醇MSNS纳米颗粒表现出比紫杉醇纳米粒及传统紫杉醇更强的抑瘤作用。

5 展 望

纳米制剂在乳腺癌化疗中的研究具有多方向性，不同的纳米载体各有其优势，也有其不足。如脂质体稳定性差且易泄漏，白蛋白纳米颗粒价格昂贵且来源有限，胶束在低于临界胶束浓度（critical micelle concentration，CMC）提前释药，微乳的表面活性剂易产生不良作用，纳米载体潜在毒性等问题需要进一步解决。其次，偶联配体或抗体的主动靶向制剂；热敏、pH敏感、磁敏感等触发释药系统；多功能纳米载体系统距临床应用还有一定距离。为了成功开发高效、安全、多功能的纳米制剂，需要肿瘤生物学家、临床肿瘤专家、药理学家、毒理学家、生物工程学家等多个跨学科领域相互协作。

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A

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深圳市技术创新计划国际合作项目（GJHZ20130412153906740）；广东省科技计划项目（2013B021800097）

作者信息：刘丽桃， E-mail：liulitao1985@yeah.net。*通信作者， 谢 妮，Tel ：0755-83003435，E-mail ：kejiaoke100@163.com