无机声动力纳米体系构建及抗肿瘤联合治疗研究进展*
时间：2023-01-21 13:20:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
胡希，赵青威
(1.浙江大学医学院附属第一医院临床药学部，杭州 310003；
2.浙江省药物临床研究与评价技术重点实验室，杭州 310003)
声动力治疗(sonodynamic therapy，SDT)在光动力治疗基础上发展而来。SDT需要三个基本条件，即超声波(ultrasound，US)、声敏剂和氧气(O2)[1]。US对肿瘤组织具有一定杀伤力，联合声敏剂后对细胞的杀伤效力显著增强。目前声敏剂包括有机小分子声敏剂和无机纳米声敏剂。有机小分子声敏剂有卟啉和酞菁类(如血卟啉、血卟啉单甲醚、原卟啉、二氢卟吩e6)、氧杂蒽类(如玫瑰红)和吲哚菁绿等[2]。但大部分有机小分子声敏剂存在水溶性差、化学稳定性低和持久光毒性等问题，限制了SDT效果[3]。无机纳米声敏剂具有优越的化学稳定性和较低的光毒性，且易于化学改性和表面功能化修饰，具有更广阔的SDT应用前景[4-5]。此外，无机纳米声敏剂凭借独特的物理化学性质，能够与其他肿瘤治疗策略[如化学治疗(化疗)、光热治疗、化学动力学治疗、免疫治疗和气体治疗等]联用，以协同提高肿瘤治疗效果。笔者在本文拟从化学材料和药物制剂角度，深入剖析无机纳米声敏剂构建及其肿瘤多模式治疗策略开发，以期推动无机纳米声敏剂和SDT领域发展。
1.1SDT治疗机制 当US[通常为1.0～2.0 MHz，强度0.5～3.0 W·(cm2)-1]在液体环境中与声敏剂相互作用时，会出现超声空化现象。US引起的压力变化导致液体中气泡形成。声敏剂可以通过声空化直接活化产生活性氧(reactive oxygen species，ROS)，包括单线态氧(1O2)、羟基自由基(·OH-)和超氧阴离子(·O2-)，有效损伤细胞内DNA和蛋白质，并促进细胞脂质过氧化，诱导肿瘤细胞凋亡[4](图1)。
图1 声动力治疗机制
1.2无机纳米声敏剂种类 相较于有机纳米材料，无机纳米声敏剂具有稳定性好、物理化学性质可控、易于化学改性和表面修饰等优势，在肿瘤诊断和治疗中具有出众潜力[6]。目前，已开发出二氧化钛(titanium dioxide，TiO2)、硅、碳、其他金属纳米材料(过渡金属氧化物和贵金属纳米材料等)和其他非金属纳米材料等无机声敏剂[4](图2)。利用化学手段调控无机纳米声敏剂结构和化学组成等，能够在US触发下促进电子和空穴分离，或凭借丰富空化成核位点降低空化阈值，提高ROS产生效率进而显著增强SDT效果。
1.2.1TiO2纳米材料 在紫外光或US辐照下，TiO2电子从价带转移到导带，导致形成电子空穴；
高活性空穴和电子与H2O和O2分子反应形成多种ROS，诱导细胞死亡[7]。但是其具有带隙较宽和受激发后电子-空穴快速复合等缺点，ROS量子产率较低[7]。将贵金属、金属氧化物或非金属纳米材料与TiO2结合，通过捕获激发态电子抑制电子与空穴复合，能够提高量子产率[8]。GENG等[9]通过将带部分氧化正电荷Cu2-xO层的Cu2O纳米点均匀生长在带部分还原负电荷TiO2-y表层的TiO2纳米薄片，构建一种窄带隙异质结构Cu2-xO@TiO2-y纳米声敏剂。通过提高电荷转移，显著提高US触发1O2和·OH的生成速率，并显著改善US生成的电子-空穴对的空间分离动力学。
图2 无机纳米声敏剂种类
1.2.2硅和碳纳米材料 硅纳米材料通过提供空化成核位点、降低空化阈值促进空化气泡形成，杀伤肿瘤细胞[10-11]。石墨烯和富勒烯等碳纳米材料也能够分离电子和空穴，在US激发下显著提升ROS的产生效率[12]。基于此类纳米材料，DAI等[13]通过溶剂热反应法基于二维还原石墨烯纳米片原位构建TiO2和氧化锰(MnOx/TiO2-GR)复合纳米声敏剂，二维石墨烯具有超高的电导率，与TiO2协同促进电子-空穴分离以提升SDT效率。
1.2.3其他金属纳米材料 除了一系列TiO2纳米声敏剂，最近几年陆续开发出其他一些新型金属纳米声敏剂。JIAO等[14]在熔融镁中于高纯度氩气(argon,Ar)和氢气(hydrogen,H2)环境进行镁热还原反应，制备富含氧缺陷的氧化锆(ZrO2-x@PEG)纳米声敏剂。它可以增强US触发的电子-空穴分离，从而在SDT过程实现较高ROS量子产量。LIANG等[15]利用溶剂热反应法制备出窄带隙四硫化钒(vanadium tetrasulfide,VS4)纳米声敏剂，进一步将Pt纳米粒原位嵌入VS4表面以利于电子捕获，进而在US触发下高效产生ROS。此外，WU等[16]使用溶剂热反应法合成压电四方BaTiO3声敏剂，并通过化学还原沉积负载Au，得到方形Au@BaTiO3纳米声敏剂。US辐照会引起BaTiO3的机械变形和压电效应，触发产生电子-空穴对。表面Au纳米粒诱导BaTiO3能带弯曲，促进电子-空穴分离和迁移，进一步与周围分子(如H2O和O2)发生氧化还原反应，产生毒性·OH和1O2。
1.2.4其他非金属纳米材料 LIU等[17]聚焦黑磷(black phosphorus，BP)纳米材料，合成3种不同的共价功能化少层数BP纳米片(BPNSs)，分别为表面富勒烯功能化的BPNSs(C60-s-BP)、表面苯甲酸功能化的BPNSs(BA-s-BP)和C60边缘功能化的BPNSs(C60-e-BP)。研究发现，C60-s-BP和BA-s-BP的SDT功效均优于原始BPNSs，且BA-s-BP通过产生最多·OH而展现出最强的SDT功效。
无机SDT纳米材料具有独特的物理性质和化学性质，利于实现肿瘤光热治疗、光动力治疗和化学动力学治疗等[18]。此外，其凭借良好的药物负载能力、生物相容性、化学修饰性和物理化学稳定性，被广泛开发为药物递送载体[19]。利用化学和药物制剂技术，设计和优化无机SDT纳米体系能够实现SDT与其他治疗策略(如化疗、光热治疗、化学动力学治疗、免疫治疗和气体治疗等)联合，以提高多模式肿瘤治疗效果。
2.1无机SDT纳米体系联合化疗 无机介孔材料(如介孔TiO2[20]、介孔硅[21]和介孔碳[22])凭借材料的高比表面积和比孔容均已用于药物负载和疾病治疗。例如，LIANG等[23]合成中空介孔Pt-TiO2纳米声敏剂，并利用TiO2的中空结构负载多柔比星(DOX)，通过化疗协同SDT显著提高肿瘤治疗效果。
2.2无机SDT纳米体系联合光热治疗 一些无机纳米材料具备特殊的光学性质，将吸收的外部光源能量转化为热能，导致局部高温以实现光热治疗[24-25]。HAN等[26]合成黑色TiO2@TiO2-x纳米声敏剂，表面具有无定形氧缺陷的TiO2-x层，使其在NIR-II生物窗口(1064 nm)具有较高的光热转换效率(39.8%)。体内外研究结果表明，TiO2@TiO2-x介导SDT联合光热治疗能够有效消除肿瘤，无明显复发。GONG等[27]通过液相剥离法合成氢化钛TiH1.924纳米点声敏剂，其在1064 nm近红外光下具有较强的吸收。它凭借温和的光热效应增强肿瘤内的血流和改善肿瘤的氧含量，能够实现SDT联合光热协同治疗。
2.3无机SDT纳米体系联合化学动力学治疗 纳米材料(如Fe、Mn和Cu等)通过催化肿瘤微环境的过氧化氢(H2O2)发生芬顿或类芬顿反应产生ROS，杀死肿瘤细胞[28]。例如，Cu2-xO@TiO2-y纳米声敏剂中，Cu+-Cu2+不仅通过类芬顿反应催化肿瘤内源性H2O2生成·OH，而且消耗内源性GSH，协同放大ROS诱导的氧化应激并有效消除肿瘤组织[9]。此外，Fe-VS2片状声敏剂通过在肿瘤微环境中催化H2O2产生ROS，并且凭借多价Fe和V元素消耗GSH[29]。光声/磁共振双模态成像显示Fe-VS2NSs在肿瘤中大量富集，利于实现SDT联合化学动力学介导的肿瘤高效治疗。
2.4无机SDT纳米体系联合免疫治疗 SDT通过释放损伤相关分子模式诱导免疫原性细胞死亡(immunogenic cell death，ICD)，释放肿瘤相关抗原，从而激发抗肿瘤免疫反应[30]。TAN等[31]以TiO2为内核包覆磷化钙(calcium phosphide,CaP)壳层，构建具有酸响应性的TiO2@CaP纳米声敏剂。在肿瘤酸性微环境和肿瘤细胞溶酶体中，CaP壳层响应性降解并暴露TiO2纳米粒；
同时CaP壳层降解导致释放大量Ca2+并造成Ca2+过载，协同促进产生ROS，进而诱发ICD，提高免疫细胞浸润和杀伤性T细胞水平。通过联合PD-1检查点阻断疗法，有效抑制近端、远端肿瘤的生长，同时显著抑制肺转移的发生。另外，ZrO2-x@PEG/cRGD声敏剂在近红外二区和US辐照下产生局部高热和毒性ROS，激活ICD并上调促炎炎症细胞因子水平，有效抑制异种移植瘤生长[14]。
2.5无机SDT纳米体系联合气体治疗 目前用于肿瘤气体治疗的气体有一氧化碳(carbon monoxide,CO)、O2、H2和二氧化碳(carbon dioxide,CO2)等[32]。Au-黑磷量子点介孔硅(Au-BMSNs)纳米声敏剂能够负载CO释放分子CORM-401，经巨噬细胞细胞膜修饰后，得到体内长循环的仿生纳米系统(N@CAu-BMSNs)[33]。它通过US辐照产生CO和1O2，诱导线粒体功能障碍和细胞凋亡，并激活机体免疫系统，实现SDT联合气体协同抗肿瘤治疗。
大多肿瘤在生长过程中会导致不同程度的乏氧，而乏氧是导致肿瘤转移和耐受的重要原因之一[34]。此外，乏氧还会影响SDT、化疗和光动力疗法等需氧治疗的效果。纳米材料在缓解乏氧微环境方面主要有两种策略：①基于红细胞或全氟化碳将氧气直接输送到肿瘤中[35]；
②通过化学催化等方法在肿瘤微环境中原位产氧[36]。目前贵金属和金属化合物纳米材料，如Au、Pt、MnO2、铈基(CeO2)和Fe等纳米体系具有过氧化氢酶类酶性质，将H2O2底物催化为O2和H2O分子[37-38]。例如，GSH-Pt-VS4纳米声敏剂通过Pt纳米粒催化肿瘤微环境中H2O2产生大量O2，缓解肿瘤乏氧环境，为SDT介导的1O2产生提供足够的氧源[15]。
纳米材料和药物制剂学科的蓬勃进步大力推动了SDT领域的发展。然而，从实验研究转化为临床应用之路仍然漫长且充满挑战。科研学者仍需继续致力于提高无机纳米声敏剂和小分子有机声敏剂的光敏性能和生物安全性。虽然许多研究已经阐明纳米材料的短期生物相容性及体内生物分布，但系统的长期慢性毒性研究对于早日步入临床试验仍十分必要。另外，考虑到无机纳米声敏剂的体内滞留问题，开发体内响应性降解或排泄的无机纳米声敏剂是未来SDT领域发展的方向之一。另外，无机纳米声敏剂介导的SDT及多模式联合治疗在临床诊断及治疗中具有广阔而深远的应用前景。相信纳米材料、化学材料和生物医学等多学科交叉融合将进一步赋予纳米材料及SDT肿瘤治疗更多的创新推动力。
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