纳米材料在大肠癌治疗中的应用进展

胡明超，戴小磊，张博文，顾建春，许华，朱宝松

1 南京中医药大学附属苏州市中医医院普外科，苏州 215004；2 南京医科大学附属江苏盛泽医院普外科

大肠癌（CRC）是目前世界范围内的高发癌症之一。2018年报告的新发病例超过180万，而其中的死亡病例约为86.1万［1］。众所周知，CRC的预后与肿瘤分期相关，分期越晚，患者的生存率可能越低。有研究显示Ⅰ期患者的5年生存率约为90%，而Ⅳ期的5年生存率约为10%。尽管60%的CRC患者在确诊时可进行手术切除，但由于种种原因，最终只有约一半的患者接受了根治性手术，而其中有20%~25%的患者会接受手术后的化学治疗及放射治疗，但仍有部分患者经历了肿瘤复发、转移并最终走向死亡［2］。另一方面，化疗及放疗用于CRC的治疗有一定局限性，如对周围组织的损伤、引起放射性肠炎及手术伤口的感染及裂开等问题［3］。近年来，随着对纳米材料的深入研究，其已被广泛应用于生物医药领域，如制作开发的纳米生物探针、显影剂及负载了特定药物的纳米颗粒，由于纳米材料的尺寸大多介于1~100 nm，因此有利于穿透生物天然屏障从而提高给药效率，亦或是利用纳米材料的结构及特性控制其内容物的释放行为，从而达到更好更精准的治疗效果［4-5］。此外，借助部分特殊结构修饰在纳米材料的表面也可赋予其新的功能进而更精准的与肿瘤细胞进行靶向结合，从而提升纳米材料的诊断精确度及治疗效果［6］。现就纳米材料用于CRC治疗的应用进展综述如下。

1 纳米材料在CRC光热治疗（PTT）中的应用

近年来，具有光热效应的纳米材料以其良好的吸收性能而得到广泛应用，PTT 便是一种借助材料自身的光热性质对恶性肿瘤达到治疗效果的新型疗法，原理是这类材料可在近红外激光照射的条件下产生局部的热效应进而破坏恶性肿瘤的细胞结构并诱导DNA 链断裂，最终对肿瘤产生杀伤作用，此外，这样的治疗方式有更广的穿透深度及更好的生物安全性［7］。ZHANG 等［8］开发了一种由葡萄糖氧化酶（GOx）介导的可完成自体供应O2的多功能纳米平台，这一纳米材料以金属有机框架材料UIO-66 为核心，并由二氧化锰（MnO2）、吲哚菁绿（ICG）和透明质酸（ HA）组装而成，其中，GOx 的引入降低了三磷酸腺苷（ATP）的水平，从而减轻了热休克蛋白（ HSPs）介导的热效应耐受，而负载的MnO2可将肿瘤内的H2O2分解生成O2，进而增强PTT 的治疗效果。另一方面，由于纳米材料表面涂覆了一层HA，因此对肿瘤细胞中高表达的CD44 有主动靶向的作用，进一步增强了治疗的精准性，而封装在纳米材料中的ICG 可准确地将肿瘤进行成像，另外，此研究还证实了该纳米材料对结肠癌细胞以及裸鼠的异种移植模型（PDX）均有较好的抗肿瘤效果。内源性的硫化氢（H2S）作为一种刺激响应剂，由于其对CRC 的靶向性而受到广泛关注，然而，制备一种可在肿瘤部位高度富集并同时具有优异光热性质的药物仍是一大挑战。针对这一问题，CHENG 等［9］制备了HA 包覆的掺杂铋的氧化亚铜（Bi：Cu2O@HA），其中，HA 对CD44 的靶向性可以提高Bi：Cu2O@HA 在肿瘤部位的富集，而掺杂的Bi 则增强了H2S 触发的Cu2O 的光热性能，同时也可用于肿瘤成像。结果表明，H2S 激活的纳米材料在治疗过程中对CRC具有良好的PTT治疗效果，且由于其针对肿瘤具有较好的靶向性，因此对正常组织几乎无损伤，该研究证明了内源性H2S 作为一种刺激响应剂用于激活纳米材料的光热性质从而对CRC 产生PTT 治疗是切实可行的，可以作为一种新的选择及策略用于恶性肿瘤的治疗。合理设计肿瘤微环境（TME）激活的纳米制剂并用于恶性肿瘤的治疗近年来受到了广泛关注，然而，制备过程简单、生物相容性较好的并可由TME 激活的纳米治疗系统目前则鲜见报道。ZHOU 等［10］开发了一种可被TME 所激活的纳米颗粒并用于CRC 的精准治疗，当该纳米制剂位于肿瘤组织中时，肿瘤的内源性H2S 会将银纳米颗粒（AgNP）变成Ag2S 纳米颗粒，并在808 nm 激光照射下诱发PTT 的同时触发纳米颗粒中负载的化疗药物多柔比星（DOX）的释放，同时，过氧化氢酶纳米晶体（CatCry）会将肿瘤内的H2O2催化生成O2并缓解肿瘤的缺氧状态从而进一步加强化疗的作用；另一方面，当纳米颗粒被运送到健康组织中时，由于内源性的H2S 浓度没有改变，因此CatCry-AgNP-DOX 处于"关闭"的状态而不会对正常组织产生杀伤作用，这也证明该纳米颗粒对CRC的治疗有精准的靶向性并且不良反应较小。此外，体内外实验的研究结果表明CatCry-AgNP-DOX提供了一种PTT和增强化疗的协同组合，对CRC产生治疗效果的同时最大限度减少对正常组织的损伤。此外，有研究证明制备可注射水凝胶并负载化疗药物可以提高纳米颗粒在肿瘤部位的富集。ZHENG等［11］成功制备了一种包封了光热材料（MoS2/Bi2S3-PEG）和DOX 的温度响应型可注射水凝胶并用于CRC 的化疗联合PTT 治疗，该纳米颗粒在光热材料的浓度维持在22.18 mg/mL 以下时，由壳聚糖CS、MoS2/Bi2S3-PEG以及DOX 构成的纳米颗粒在近红外一区（NIR I）和近红外二区（NIR II）的照射下，光热转换效率分别为31.42%和0.5%，PTT 联合化疗对CRC 产生治疗作用的同时可最大限度地减少对正常组织的损伤，从而实现CRC 的精准治疗。可见，纳米材料用于CRC的PTT治疗切实可行，有较好的临床应用前景，且相较传统治疗方法有其独特优点，如通过某些化学修饰的方法可实现对肿瘤细胞的特异性识别以及定位从而提高治疗的精准性等。然而，由于肿瘤异质性的存在，具有高选择性的PTT 如何覆盖所有肿瘤细胞以达到治疗的彻底性有待进一步研究。此外，PTT 通常需将治疗温度维持在50°C 以上，这一温度有可能诱发局部的炎症甚至是肿瘤转移，因此为了避免这些不良反应，在PTT 治疗期间如何维持相对较低的温度又不影响PTT的肿瘤治疗效果也是未来的重点研究方向之一。

2 纳米材料在CRC光动力治疗（PDT）中的应用

PDT是一种通过特定波长的光激发光敏剂和氧气产生活性氧（ROS）从而对肿瘤产生杀伤作用的新型治疗方法，具有微创性、空间特异性和不良反应小等优点。PDT 的关键要素之一是光敏剂（PS），它可将光子转化为活性细胞毒性物质，即ROS。光动力治疗的理想PS需具备可高效产生ROS的能力，同时具有较好的抗光漂白性，而具有聚集诱导发射（AIE）特性的PS 在近些年引起广泛关注，因为它们可以克服荧光染料中常见的聚集引起的猝灭效应，并在高浓度状态下维持出色的性能。此外，具有AIE 特性的有机纳米材料基于其优异的ROS生成效率和同步成像特性，在辅助PDT 方面也发挥越来越重要的作用［12］。利用缺氧环境中大肠杆菌浓度较高的特点，ZHU 等［13］开发了一种纳米级的新型细菌杂交系统，他们利用前期研究中成功制备的光敏剂TBP-2 植入到大肠杆菌中，并通过由光纤和内窥镜组成的介入装置将纳米颗粒输送到缺氧的结肠肿瘤组织中，而TBP-2 已被证明可在肿瘤的缺氧微环境中通过I 型PDT 机制产生羟基自由基（·OH）和单线态氧（1O2）从而产生对肿瘤的杀伤作用，这也证明了通过激光照射这一新型杂交系统可实现肿瘤的PDT治疗，体外实验研究结果表明，在缺氧和常氧的条件下，这一系统可在光照条件下在大肠癌肿瘤细胞（CT26）内产生大量的ROS，这也证明了该系统是以非氧依赖的方式实现PDT 治疗，体内实验结果亦证明了该系统对CRC 的PDT 治疗的有效性，在建立的裸鼠PDX 模型中也同样证明了PDT 治疗腹腔深部肿瘤的能力。PDT 的疗效主要受到两个因素的影响，分别是肿瘤的缺氧状态及PS的电子空穴分离效率低下。CHENG 等［14］针对此问题设计了一种具有良好电子-空穴分离能力的Z 型异质结构的纳米硫化铋Bi2S3@Bi，这一纳米颗粒在近红外光的照射下可以产生丰富的电子和空穴，而Z 型异质结构则赋予了Bi2S3@Bi 纳米颗粒高效的电子-空穴分离能力以及强大的氧化还原电位，其中Bi2S3能在微环境中反应生成1O2，而Bi 则可以产生ROS，在两种ROS 作用下也提高了PDT 对CRC 的治疗效率，另一方面，体内和体外实验也证明了该纳米颗粒具有良好的生物相容性及安全性。LIANG 等［15］研究中引入了卟啉接枝的脂质纳米颗粒（PGLNPs），并将全氟溴辛烷（PFOB）分散于其中，实验证明卟啉的负载量约为38.5%，卟啉和烷基链的有序排列模式不仅保证了1O2的高产率，同时也减少了卟啉的荧光损失，使得PGLNPs 保证了稳定的荧光亮度，另一方面，由于PGLNPs 和PFOB 分子之间的疏水作用，PFOB 液体会稳定在PGLNPs 内，并且其负载量可高达98.15%，这有利于在肿瘤部位进行高效供氧，实验结果表明，PGLNPs 可以作为O2的储存库并有效地将其源源不断的运输到缺氧的肿瘤组织中，且无需任何条件刺激，另一方面，这有利于增加1O2的产生，缓解缺氧进而下调COX-2 的表达，动物实验结果发现PGLNPs 可显著抑制由HT-29 建立的小鼠PDX 模型中肿瘤的生长和肝转移，并且PGLNPs 可作为造影剂来增强荧光以及CT成像，从而指导PDT对肿瘤的精准杀伤作用。PDT作为目前非侵入性的恶性肿瘤治疗策略之一，有着广泛的应用前景，当下基于多种原理的PDT 创新疗法不断涌现，大大提高了PDT治疗肿瘤的有效性和安全性，而PDT 的开发和优化仍面临挑战，如何优化PS 对缺氧条件的耐受性，使其在肿瘤的缺氧环境条件下高效产生ROS，以及如何设计针对肿瘤具有高效靶向性的纳米载体以实现真正的精准治疗等均有待进一步研究。

3 纳米材料在CRC磁热治疗（MTT）中的应用

MTT 是一种利用MNPs 在交变磁场作用下产生热效应从而对肿瘤产生杀伤作用的治疗方法，具有无创性、穿透度较深以及特异性高等优点［16］。其中，铁基的磁纳米颗粒由于制备快捷、成本低廉等优点因而成为应用最广泛的MTT 药物之一，近年随着对纳米材料的进一步研究，科学家们发现当在铁基MTT 药物中引入其他成分后其肿瘤治疗效果可以得到进一步提升，如Zn0.4Co0.6Fe2O4@CoFe2O4，MnFe2O4@CoFe2O4，99 CoFe2O4和Au@FexOy 均被证明具有较好的肿瘤治疗效果［17］。此外，GARANINA等［18］研究中发现，MTT 药物的抗肿瘤效果与其产生的温度呈正相关。因此，为了进一步扩展MTT 药物的应用范围以及提升肿瘤治疗效果，诸多研究已将MTT 药物与化学治疗进行了联合应用，并证明MTT可通过热效应以增加化疗的敏感性，从而增强药物抗肿瘤的效果［19-20］。LU 等［21］开发了一种具有双靶向功能的纳米颗粒，该系统由葡聚糖微凝胶组成，这些微凝胶包封了顺铂/超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）负载的基于三月桂酸甘油酯的脂质纳米颗粒（LNP），葡聚糖微凝胶在结直肠中被葡聚糖酶降解后，释放的内容药物更容易被肠癌细胞识别和内化，与单独的化疗或MTT 相比，二者的组合取得疗效明显优于单一治疗方法。在JAHANGIRI 等［22］研究中构建了一种交变磁场和SPIONs的组合，在纳米颗粒表面涂覆有一层聚乙二醇-聚丁基丙烯酸酯-聚乙二醇（PEG-PBA-PEG），并在纳米颗粒中负载化疗药物5-氟尿嘧啶（5-Fu），研究评估了化疗联合MTT药物对CRC的治疗效果，结果发现包括Bax、Caspase-3、Caspase-9 以及被剪切了的PARP 蛋白表达量均呈增加状态，表明CRC 细胞经历了凋亡过程并最终死亡，证明了与单独化疗或MTT 相比，二者联合治疗可显著增加CRC 细胞的凋亡从而产生抗肿瘤作用。目前的研究结果表明MTT 在肿瘤的治疗方面已取得长足进展，然而还存在一些问题需进行深入研究，如进一步提高MTT 的肿瘤靶向性及磁热效应，进而提高治疗效果的同时最大限度的降低其不良反应，另一方面，深入研究其生物学行为和毒性机制并开发更加智能化、精准化的MTT 策略，从而为临床提供理论依据来改善CRC患者的预后。

4 纳米材料在CRC声动力治疗（ SDT）中的应用

SDT 是一种新型非侵入性的肿瘤治疗方法，原理是通过超声激活的声敏剂从而产生ROS 来对肿瘤细胞产生杀伤作用。目前广泛报道的声敏剂主要是具有特异性声敏能力的有机分子，如血卟啉、光卟啉、亚甲蓝、氯等［23］，然而，这些声敏剂的低生物利用度和不稳定的化学/生物学性质导致SDT 的治疗效果并不理想。因此，当下的研究重点转移到了如何开发性质稳定、光毒性较低的新型声敏剂上。近年来，一些新型的纳米颗粒被开发出来，不仅具有令人满意的声化学性能并可以弥补许多声敏剂的不足。CHEN 等［24］制备了牛血清白蛋白（BSA）改性的Fe3O4纳米颗粒作为声敏剂二氢卟吩e6（Ce6）的载体，并且利用细胞膜介导的同源靶向机制在纳米颗粒的表面包裹上一层CT26的细胞膜，从而进一步加强纳米颗粒对CRC 的靶向作用，而后经超声处理后使其在TME 中具有高效的声动力学性能，并产生大量的ROS 以杀伤肿瘤细胞，细胞实验证明了该纳米颗粒经细胞膜包裹后可通过同源靶向机制而使其具有更好的靶向性，此外，其可显著诱导CT26细胞的凋亡，并极大抑制经CT26 建立的裸鼠PDX 模型中肿瘤的生长。ZHANG 等［25］构建了叶酸（ FA）修饰的介孔硅包覆的金纳米颗粒（Au@mSiO2），并在其内负载了Ce6 和DOX，然后在其表面涂覆一层羧甲基壳聚糖（CMCS），这是一种pH/超声双响应并可以分步靶向和精确控释的肠溶性纳米颗粒，经口服后，CMCS 将在胃肠道内的酸性环境作用下得以分解并释放Ce6和DOX，并且在超声的照射下化疗可联合SDT 从而产生抗肿瘤的作用，细胞实验及动物实验的结果均证明了二者的联合疗法针对CRC有更好的肿瘤抑制效应。然而，由于肿瘤免疫微环境的抑制作用，约95%的CRC患者对免疫治疗（PD-1/PD-L1阻断治疗）没有反应，因此可能只有一小部分CRC 患者可能从免疫治疗中获益。WAN 等［26］设计了一种核靶向递送系统以实现基因增强的核靶向SDT，并促进PD-1/PD-L1 免疫疗法来治疗CRC，在细胞实验中，TIR@siRNA 成功将IR780（用作声敏剂的荧光染料）递送到CT26细胞的细胞核中，并将可抑制重组与合成的蛋白因子2（NRF2）siRNA 递送到细胞质中，在超声作用下，TIR@siRNA 通过下调NRF2 直接破坏肿瘤的DNA，激活线粒体凋亡通路，显著提高SDT的细胞毒性和凋亡诱导性；体外实验结果显示，在CT26 荷瘤小鼠中TIR@siRNA 介导的基因增强的核靶向SDT 显著抑制了肿瘤生长，增加了T 细胞浸润并增强了免疫治疗从而进一步抑制CRC 的转移。目前的研究已证明SDT 的抗肿瘤作用，并且这种治疗方法的组织穿透性更好，因此更适用于深部的肿瘤，但声敏剂在血液中的清除率较高，停留时间较短，所以在一定程度上限制了SDT 的治疗效果。总之，研究如何提高超声敏剂对肿瘤的靶向作用以及进一步提高血液中SDT药物浓度对于改善肿瘤治疗效果有深远意义。

5 纳米材料在CRC 化学动力治疗（ CDT）中的应用

与PDT 和SDT 不同，CDT 是利用芬顿反应或类芬顿反应（一种基于金属离子的催化反应）将TME中的H2O2变为毒性更高的羟基自由基（·OH），诱导产生氧化应激进而特异性地杀伤肿瘤细胞。与传统的化疗和放疗相比，CDT 具有TME 响应性、高选择性、不容易引起耐受等特点［27］。在复杂的TME 中，肿瘤相关巨噬细胞（TAMs）在免疫抑制和肿瘤生长中有重要作用，因此，在肿瘤治疗过程中，肿瘤细胞已不再是唯一的治疗靶点，如何同时针对肿瘤细胞和TAMs 并有效杀伤肿瘤成为目前的热点研究方向之一。CHEN 等［28］制备了叶酸改性的钯（Pd）纳米颗粒，可同时靶向肿瘤细胞和TAMs 以有效消除肿瘤，原理是利用该纳米颗粒的高过氧化物酶活性和过氧化氢酶样活性可以产生大量的H2O2和ROS 从而直接导致肿瘤细胞的死亡，另一部分Pd纳米颗粒则作为载体，连接甘露糖和咪喹莫特分子（R837），而后可以与TAMs 的甘露糖受体产生特异性连接，并将TAMs 靶向重编程为M1 表型，逆转免疫抑制，从而进一步激活免疫治疗，以此与CDT 形成“双重治疗”效应以杀死CRC 细胞。然而，肿瘤组织中由于H2O2含量的缺乏，因此常常会限制•OH 的来源，进而限制了Fenton 反应的治疗效果［29］。换言之，•OH 在肿瘤部位的局部浓度对抗肿瘤效果有着很大的影响。FAN 等［30］针对这一问题开发了一种基于工程细菌改造的纳米颗粒，并通过在TME 中局部产生H2O2来增强CRC 的CDT 治疗，方法是利用基因工程构建了过表达呼吸链酶II（NDH-2）的大肠杆菌MG165，而后在其表面修饰了磁性Fe3O4并以此进行Fenton 反应，在细菌的呼吸过程中，NDH-2 从烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 （NADH）中接受电子，而后将电子转移到氧气中产生H2O2，这也从源头提高了Fenton 反应所产生的·OH 所必须的原材料，进而诱导肿瘤细胞死亡，体外和体内实验也都证实了其出色的肿瘤靶向性和抗肿瘤的效果。尽管CDT 及相关联合治疗方案用于肿瘤治疗已取得较大进步，但更高效、更安全的在肿瘤内部提供H2O2的方法学仍有待进一步探索；另一方面，金属离子精准释放到癌细胞中是实现高效Fenton/Fenton 样反应的关键，因此如何设计智能的纳米药物，既能选择性地精准释放金属离子以响应外界给予或细胞内的刺激，同时又能最大限度的减少不良反应有待进一步深入研究。

综上所述，纳米材料作为一种具有交叉学科性质的新兴材料用于CRC 的治疗具有广阔的临床应用前景，进一步深入研究纳米材料在肿瘤部位的高效积累以及释放策略，克服肿瘤微环境为治疗带来的困难，将对提高恶性肿瘤的治疗效果进而改善肿瘤患者生存率有深远意义。