纳米气体制剂的构建及治疗恶性肿瘤的研究进展

陆秀鑫，刘军杰，王钦，吴雅菲，郭静，张维青

1 广西医科大学附属肿瘤医院超声科，南宁 530000；2 广西医科大学第一附属医院超声科；3 广西医科大学附属肿瘤医院实验研究部

恶性肿瘤作为人类健康的头号杀手，发病率逐年增加［1］。迫切需要开发安全、高效、彻底的非侵入式肿瘤治疗策略。研究发现，外源补充一氧化氮（NO）、一氧化碳（CO）、硫化氢（H2S）、氢气（H2）、二氧化硫（SO2）等气体信号分子在癌症治疗过程中发挥重要作用［2］。因此，气体疗法在肿瘤治疗中引起广泛关注，并可能成为一种有潜力的“绿色”治疗方式［3］。然而，这些气体分子的溶解性低、扩散性高、组织渗透性差等特性极大限制了气体疗法在实际治疗过程中的应用［4］。气体前体药物多为小分子化合物，体内循环时间短，缺乏在肿瘤内主动聚集和可控释放的能力，从而导致治疗效果不理想［5］。纳米气体制剂将前体药物与纳米载体相结合，借助刺激源来实现气体分子的肿瘤靶向递送与可控释放，最大限度地提高气体分子及其前体药物的利用率。目前，关于纳米气体制剂的研究聚焦于如何提高气体分子或前体药物的负载量、催化反应效率及气体释放的可控性，从而提高气体疗法的肿瘤治疗效果。现对已报道纳米气体制剂的构建形式及基于气体疗法的联合肿瘤治疗策略总结如下。

1 纳米气体制剂的构建形式

1.1 提高分子负载量构建纳米气体制剂 中空介孔纳米材料装载气体前药是提高治疗气体分子浓度的有效策略。FAN 等［6］通过将葡萄糖氧化酶（GOx）与NO 气体前药精氨酸（Arg）共同负载至中空介孔二氧化硅（hMON），成功构建了葡萄糖响应性释放NO的纳米气体制剂（Arg@hMON-GOx）。同样地，羰基钌、羰基铁和羰基锰等CO 气体前药可担载至多孔载体，用于提高气体疗法的癌症治疗效果［7］。GONG等［8］利用一种光催化纳米材料（HisAgCCN）实现了光响应性释放CO。除此之外，基于H2S 气体纳米制剂也得到了广泛研究。有学者合成的Fe1-xSPVP纳米颗粒可在弱酸性肿瘤微环境（TME）解离生成S2-，并原位生成H2S 气体［9］。CHEN 等［10］首次合成了新的 H2S 供体，并通过疏水相互作用将其加载到上转换纳米粒子（UCNPs） 表面，在980 nm 的激光照射下，热分解释放出H2S。

1.2 提高分子释放可控性构建纳米气体制剂 纳米气体制剂在外源性刺激源（如光、超声波、X 射线、磁场和热等）的作用下实现气体地可控释放，通过调节刺激源的功率和时间来控制其释放气体的速率和量［11］。目前，研究较多的刺激源为近红外光（NIR），其组织穿透性高和光毒性低。因此，使用NIR 响应构建气体纳米制剂实现气体可控性释放无疑具有广大的发展前景。XU 等［12］构建了可控释放NO 的纳米颗粒IPH-NO，它将光敏剂（IR780）和紫杉醇（PTX）加载到NO 供体-S-亚硝化人血清白蛋白（HSA-NO）中。NIR 照射诱导NO 的迅速释放，从而诱导肿瘤细胞凋亡并抑制肿瘤生长，同时NO 结合光疗和化学疗法杀灭肿瘤细胞。相较于NIR，超声具有更强的组织穿透性（深达20 cm）和空间靶向性［13］。因此，构建超声响应的负载能力高、结构稳定、可重复利用的气体释放纳米平台引起人们的广泛关注。FENG 等［14］将替拉扎明（TPZ）负载到中空介孔二氧化钛纳米粒子（HMTNPs）中，并修饰S-亚硝基硫醇（R-SNO），构建了多功能纳米平台TPZ/HMTNPs-SNO。在超声刺激下，HMTNP 组分作为声敏剂产生活性氧（ROS），ROS 进一步使-SNO 基团在肿瘤部位中实现NO 可控性释放。同时，产生的NO可作为气核增强SDT 的空化效应，实现SDT/气体疗法协同增强肿瘤治疗的效果。

1.3 提高化学催化反应效率构建纳米气体制剂 为了确保身体的正常运行，人体内会发生多种酶和化学催化反应。在纳米材料介导的肿瘤治疗策略中，这些催化反应效率直接决定了其治疗效果。首先，通过靶向输送特定酶和相应底物提高其给药剂量，可提高治疗气体供给。有学者制备了2-油酰-1-棕榈锡甘油-3-磷酸胆碱（POPC）脂质体包封半乳糖笼的NONOate （β-gal-NONOate，一 种 稳 定 的NO 前药），靶向到达肿瘤内，脂质体在肿瘤内弱酸性环境下降解导致β-gal-NONOate 缓慢渗透，释放出β-gal-NONOate 在生物酶解作用下进一步催化分解为NO［15］。可见，酶和底物的高特异性保证了气体释放的高选择性。但生物酶的活性受环境影响很大，因此开发稳定的人工仿生酶也是未来的探索方向。

2 联合纳米气体制剂的肿瘤治疗

2.1 联合NO 纳米气体制剂的肿瘤治疗 目前普遍认为，化疗失败主要归因于多重耐药性（MDR），但这有望被NO 逆转。WANG 等［16］开发了酸性响应和生物正交化学反应介导的尺寸转化簇状纳米系统，可在酸性TME 下通过生物正交反应形成大尺寸聚集体，有良好肿瘤滞留率。这些大聚集体可解离成超小树状聚氨基胺/阿霉素/一氧化氮纳米材料（PDN），更好地穿透肿瘤，可将阿霉素（DOX）和NO输送到缺氧的肿瘤内。以往研究发现，低氧诱导因子- 1α （HIF-1α）通过上调P-糖蛋白（P-gp）表达而导致化疗失败，与化疗耐药有关。而NO 可通过下调HIF-1α 水平，增强化疗作用，并通过重编程血管的生成增强DOX 诱导的抗肿瘤免疫反应。NO 作为放射增敏剂，在X 射线照射后加重DNA 损伤并抑制DNA 修复，使NO 显著增强放疗的作用，但它易被血红蛋白 （Hb）清除 。LIN 等［17］学者提出了一种仿生纳米材料，内含有聚乳酸-乙醇酸共聚物 （PLGA）和中空微球（HM），其水核中含有NONOate 和表面活性剂分子（癸酸钠，SC）。在酸性肿瘤环境中，HM 的PLGA 壳允许质子从外部渗透，激活NONOate 的裂解，自发产生NO 气泡，NO 气泡可挤压后会通过其SC 保护层逐渐被动扩散到肿瘤部位。同时，它可在Hb 环境中产生和输送NO，最大限度提高其在放疗中的功效。NO 还能与ROS 生成剧毒活性氮物质（如 N2O3、ONOO-等），为NO 气体增强声动力疗法奠定了基础。为了实现NO气体治疗联合声动力治疗，本课题组将氟碳螯合中空介孔有机二氧化硅纳米粒子（FHMONs）作为载体共同负载磷酸二酯酶5 抑制剂（PDE5-i）和Ce6 光敏剂构建了一个光响应的NO释放纳米平台，Ce6/PDE5-i@FHMON-O2可以释放ROS 并将其转换为活性氮自由基（RNS），由于 RNS比ROS具有更长的寿命，具有持久抗肿瘤作用［18］。

2.2 联合CO 纳米气体制剂的肿瘤治疗 CO 可显著抑制ATP 合成并加重氧化应激，而对正常组织几乎无毒性［19］。LI 等［20］开发了一种基于介孔普鲁士蓝纳米颗粒（PB NPs）的NIR 响应性CO 释放纳米平台，通过CO 诱导的代谢耗竭来逆转MDR。五羰基铁［Fe（CO）5］通过配位作用与PB NPs 偶联，DOX 被封装到PB NPs 的孔隙中。在逐层涂层后，NPs 显示出所需的血清稳定性以增强在肿瘤中的积累。在NIR（808 nm）照射下，裂解Fe-CO 键释放CO，加速线粒体代谢以阻断ATP 合成并抑制ATP 依赖性药物流出，逆转MDR 从而增强化疗功效。CO 作为放射增敏剂在较低辐射剂量下抑制肿瘤生长和减少副作用而来起到协同治疗的作用［21］。有人将GdW10 纳米粒子和MnBr（CO）5（MnCO）封装在纳米胶束系统（PLGA）中，合成了GW/ MnCO@ PLGA，构建了X 射线触发的CO 释放纳米制剂用于协同放疗［22］。其中在多钨酸钆（GW）的X射线增敏作用下，强氧化性超氧阴离子（-O2-）活性物质的产生可导致细胞凋亡。此外，-O2-进一步氧化并与Mn中心竞争，导致按需释放CO，实现了放疗/气体治疗协同作用以增强肿瘤抑制作用。癌细胞对CO 有较高能量需求，当CO 作用于癌细胞线粒体后，会引发呼吸加速和ATP 消耗增加，最终诱发癌细胞凋亡。ZHAO 等［23］设计了FeCO-MnO2@MSN 纳米药物，用于肿瘤内衍生的ROS和CO 的级联释放。其中MnO2纳米颗粒通过类Fenton 反应分解产生大量-OH 用于化学动力学疗法（CDT），然后触发共载的FeCO 分解为CO 用于气体治疗，实现了CDT和气体治疗的协同效应。

2.3 联合H2S 纳米气体制剂的治疗 目前，H2S 气体分子用于癌症治疗的研究主要集中在其对癌细胞增殖和存活的影响［24］。研究证明，在进行放疗前给予H2S 供体（NaHS），可改善肿瘤氧合和对放疗的敏感性［25］。LI 等［26］构建了金属酚类纳米增敏剂（Hf-PSP-DTC@PLX），该纳米平台通过响应弱酸性TME生成H2S，产生的H2S对线粒体产生呼吸抑制而降低细胞耗氧率，利用O2来增强放疗的功效并激活免疫原性。这种改善氧合和氧利用策略将在气体治疗联合放疗方面具有巨大潜力。H2S 介导的呼吸抑制与光动力学疗法（PDT）相结合的巧妙策略，可有效增强抗 癌 效 果。YANG 等［9］设 计 合 成 了 响 应TME 的Fe1-xS-PVP纳米颗粒。在弱酸性TME中，该纳米颗粒解离的S2-与H+结合，在肿瘤部位生成H2S 气体。同时，Fe1-xS-PVP 纳米颗粒在NIR（808 nm）的激光照射下呈现良好的光热转化效率（24%），通过Fenton反应产生高浓度的-OH。另外，FENG等［27］报道了Cu（II）-卟啉衍生的纳米级共价有机框架（COFs），触发硫化反应产生H2S，同时生成无金属的COF光敏剂。其原位生成的CuS可用作光热剂，实现了H2S气体治疗同时联合PDT和光热疗法（PTT）用于恶性肿瘤治疗。

2.4 联合H2、SO2纳米气体制剂的治疗 H2对恶性肿瘤显示出一定的疗效。有研究者构建了一种含有聚多巴胺（PDA）和氨基硼烷（AB）的生物膜伪装纳米药物（mPDAB）［28］。在酸性TME中，AB释放H2并与-OH原位反应，通过增加细胞内ROS 水平，下调TNF-α 和IL-6 水平，减轻PTT 诱导的炎症反应。SO2通过耗尽TME 中的谷胱甘肽（GSH）和破坏膜结构，对其造成氧化损伤。有学者设计了一种基于SO2气体药物输送系统，通过加载抗癌药物苯丁酸氮芥并使用GSH和NIR作为刺激条件来克服肿瘤的MDR［29］。

综上所述，气体疗法是一种新兴的、有前途的癌症治疗方法，气体纳米制剂的开发将为癌症治疗问题提供一些特殊的解决方案。为了实现高效安全的治疗，需要根据不同治疗模式构建高效、多功能纳米气体制剂。而在构建纳米气体制剂的过程中，如何提高气体分子或前体药物的负载量、催化反应效率、以及气体释放可控性仍是一个热门话题。另外，单一的气体治疗不能达到最佳的治疗效果，因此，如何利用单一纳米平台实现不同治疗模式的高效协同作用，并对其分子机制进行研究是该研究领域的研究重点与难点。而多功能的纳米结构有望实现多种治疗方式的有机结合，加速了癌症的多模态联合治疗策略的发展。除本文综述的联合治疗方法外，免疫治疗、基因治疗等其他治疗模式也有可能通过纳米药物途径与气体治疗相结合来改善其治疗效果，目前尚未见报道，但也是可以预期的。