梁家瑋, 孫婉瑩, 羅劉睿麒, 蔣邦平, 沈星燦*

(1.廣西師范大學(xué) 化學(xué)與藥學(xué)學(xué)院, 廣西 桂林 541004； 2.藥用資源化學(xué)與藥物分子工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廣西師范大學(xué)),廣西 桂林 541004； 3.省部共建藥用資源化學(xué)與藥物分子工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廣西師范大學(xué)), 廣西 桂林 541004)

化學(xué)動(dòng)力學(xué)治療(chemodynamic therapy, CDT)是利用腫瘤微環(huán)境(tumor microenvironment, TME)的內(nèi)源性化學(xué)刺激引發(fā)納米酶等的催化反應(yīng)，在腫瘤細(xì)胞和組織中原位產(chǎn)生ROS，以實(shí)現(xiàn)特異性殺死腫瘤的治療方法[7-8]。通過(guò)近紅外光、超聲波、X射線等外源性刺激，可能同時(shí)觸發(fā)納米酶體系的光動(dòng)力治療、光熱治療、聲動(dòng)力治療以及放射治療，增強(qiáng)化學(xué)動(dòng)力學(xué)治療效果[9-10]。近年研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞免疫原性死亡能激活腫瘤免疫系統(tǒng)，有效抑制惡性腫瘤的復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移[11]。其中以ROS為特征的腫瘤催化免疫治療(catalytic cancer immunotherapy)受到關(guān)注[12]。本工作綜述刺激響應(yīng)型納米酶在腫瘤微環(huán)境原位產(chǎn)生ROS，用于化學(xué)動(dòng)力學(xué)治療，并協(xié)同光動(dòng)力治療、光熱治療、聲動(dòng)力治療、放射治療以及免疫治療，實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)治療腫瘤的研究進(jìn)展。

1 納米酶原位催化治療腫瘤

1.1 改變腫瘤微環(huán)境pH值、過(guò)氧化氫濃度，增強(qiáng)納米酶催化治療腫瘤

正常組織和血液pH為7.43，納米酶催化產(chǎn)生ROS的反應(yīng)，最佳催化pH值偏酸性[13]。降低腫瘤微環(huán)境的pH值，是提高納米酶催化反應(yīng)效率的有效途徑(見(jiàn)圖1(1))[14]。Sun等[15]通過(guò)在納米酶體系中引入外源性酸來(lái)調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境pH值，報(bào)道了一種負(fù)載二氯乙酸(dichloroacetic acid, DCA)與金屬有機(jī)骨架(metal-organic frameworks, MOF-Fe2+)的MD@Lip脂質(zhì)體，其作為一種類芬頓反應(yīng)的納米酶催化劑，具有酸度調(diào)節(jié)、生成過(guò)氧化氫的雙重放大特性，能促進(jìn)腫瘤細(xì)胞氧化應(yīng)激反應(yīng)，達(dá)到治療腫瘤的目的。

圖1 刺激響應(yīng)型納米酶及其原位催化增強(qiáng)腫瘤治療示意Fig.1 Schematic illustration of the stimulus-responsive nanozymes and their in situ catalytic enhancement of tumor therapy

惡性腫瘤細(xì)胞的快速增殖需要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)作為支撐，因此大量的葡萄糖分子被運(yùn)輸并累積在腫瘤微環(huán)境中。而葡萄糖氧化酶(glucose oxidase, GOx)可催化葡萄糖氧化為葡萄糖酸和過(guò)氧化氫(見(jiàn)圖1(2))，使腫瘤微環(huán)境中的酸度升高[16]。此外，雖然腫瘤細(xì)胞中內(nèi)源性過(guò)氧化氫濃度比正常細(xì)胞高，但受內(nèi)源性抗氧化防御機(jī)制影響，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞內(nèi)源性過(guò)氧化氫濃度不足，限制了納米酶介導(dǎo)的催化治療效果[17]。因此，將葡萄糖氧化酶與人工納米酶的催化反應(yīng)串聯(lián)，構(gòu)建復(fù)合雜化納米酶體系，實(shí)現(xiàn)在腫瘤細(xì)胞內(nèi)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，調(diào)節(jié)腫瘤細(xì)胞微環(huán)境pH值和過(guò)氧化氫濃度，可以有效提高腫瘤治療效果[18]。例如：Huo等[19]將葡萄糖氧化酶、Fe3O4納米酶負(fù)載到生物可降解的樹(shù)枝狀介孔二氧化硅(dendritic mesoporous silica nanoparticles, DMSNs)上，構(gòu)建新型GOD-Fe3O4@DMSNs復(fù)合納米酶。該復(fù)合納米酶中的天然葡萄糖氧化酶有效催化葡萄糖氧化為葡萄糖酸和過(guò)氧化氫，為人工Fe3O4納米酶的類芬頓反應(yīng)(Fenton)提供催化底物，提高腫瘤治療所需羥基自由基的生成效率。Fu等[20]以聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)修飾葡萄糖氧化酶為模板，負(fù)載抗癌藥物阿霉素(doxorubicin, DOX)，構(gòu)建了一種可降解的多功能銅摻雜磷酸鈣復(fù)合納米酶(PGC-DOX)。該雜化納米酶能通過(guò)葡萄糖氧化酶催化葡萄糖，產(chǎn)生葡萄糖酸和過(guò)氧化氫，所釋放Cu2+與腫瘤細(xì)胞內(nèi)源性谷胱甘肽反應(yīng)被還原成Cu+。Cu2+/Cu+通過(guò)芬頓反應(yīng)催化過(guò)氧化氫，生成治療所需的羥基自由基，增強(qiáng)化學(xué)動(dòng)力治療腫瘤的效果。此外，該雜化納米酶體系中的阿霉素不僅能用于化療，而且其固有的紅色熒光可用于熒光成像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藥物在體內(nèi)釋放情況，實(shí)現(xiàn)成像指導(dǎo)的高效協(xié)同腫瘤治療。

1.2 消耗腫瘤細(xì)胞微環(huán)境還原性分子，抑制過(guò)氧化氫酶活性，增強(qiáng)納米酶催化治療腫瘤效果

腫瘤細(xì)胞相對(duì)于正常細(xì)胞具有更高濃度內(nèi)源性谷胱甘肽，表現(xiàn)出還原性微環(huán)境，使其逃避氧化損傷[25]。生命必需的微量金屬離子常具有多價(jià)態(tài)的特點(diǎn)。一些高價(jià)態(tài)的金屬離子在腫瘤微環(huán)境中與谷胱甘肽反應(yīng)，被還原成低價(jià)的金屬離子，可用于設(shè)計(jì)智能響應(yīng)型金屬基納米酶體系。在該還原過(guò)程中，由于谷胱甘肽被消耗，有助于腫瘤細(xì)胞積累ROS，增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激，提升腫瘤的治療效果子(見(jiàn)圖1(3))。如He等[26]開(kāi)發(fā)一種由二茂鐵(ferrocene, Fc)、順鉑前藥(Pt4+)及共軛聚合物納米粒子(CPNPs)組成的納米放大器CPNP-Fc/Pt。CPNP-Fc/Pt在細(xì)胞內(nèi)與谷胱甘肽反應(yīng)，還原并釋放出Pt2+，在腫瘤細(xì)胞內(nèi)與煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(NADPH)、類超氧化物歧化酶發(fā)生級(jí)聯(lián)反應(yīng)，將氧分子轉(zhuǎn)化為過(guò)氧化氫；Fc與過(guò)氧化氫反應(yīng)后，通過(guò)芬頓反應(yīng)轉(zhuǎn)化為Fc+。與游離金屬離子不同，F(xiàn)c+中的Fe3+可以被胞內(nèi)的NAD(P)H輔酶還原為Fe2+，從而實(shí)現(xiàn)Fc的再生。該體系在腫瘤細(xì)胞內(nèi)可以自供給過(guò)氧化氫和高效再生Fc，有效地增強(qiáng)催化生成ROS，并通過(guò)消耗還原性分子谷胱甘肽，減少ROS消耗，達(dá)到高效治療腫瘤的目的。

Lin等[27]構(gòu)建了Cu2+摻雜的碳基納米酶(Cu-cys CBNPs)，當(dāng)納米酶進(jìn)入細(xì)胞后，釋放出的Cu2+與谷胱甘肽發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成Cu+，在腫瘤細(xì)胞內(nèi)催化過(guò)氧化氫反應(yīng)產(chǎn)生毒性羥基自由基。此外，Cu2+的還原消耗谷胱甘肽，減少ROS的損耗。

Wu等[28]采用枝晶介孔二氧化硅納米顆粒(DMSNs)為納米體系，將Fe3O4納米粒、Mn2+和谷氨酰胺酶抑制劑(telaglenastat，CB-839)集成到介孔二氧化硅中，構(gòu)筑刺激響應(yīng)型雜化納米酶。其中，谷氨酰胺酶抑制劑可以有效地抑制內(nèi)源性谷胱甘肽合成，從源頭降低谷胱甘肽的產(chǎn)生。另外，F(xiàn)e2+和Mn2+能發(fā)揮芬頓、類芬頓的催化作用，催化過(guò)氧化氫產(chǎn)生羥基自由基治療腫瘤。同時(shí)，體系中Fe3+與谷胱甘肽發(fā)生氧化還原反應(yīng)，消耗谷胱甘肽。因此，該納米酶降低了腫瘤微環(huán)境內(nèi)還原性谷胱甘肽的含量，增強(qiáng)了ROS介導(dǎo)的腫瘤催化治療。

過(guò)氧化氫酶是細(xì)胞內(nèi)天然酶，會(huì)催化過(guò)氧化氫分解。通過(guò)抑制過(guò)氧化氫酶的活性，能減少細(xì)胞自身消耗過(guò)氧化氫。例如：Sang等[29]將小分子抑制劑3-氨基-1,2,4-三唑(3-amino-1,2,4-triazole, 3-AT)和聚乙二醇(PEG)復(fù)合于沸石咪唑骨架的有機(jī)框架材料(zeolitic imidazole framework-67, ZIF-67)中，制備復(fù)合的PZIF67-AT雜化納米酶體系，該體系具有類超氧化物歧化酶活性，可將超氧陰離子催化轉(zhuǎn)化為過(guò)氧化氫。同時(shí)，在腫瘤微環(huán)境微酸性條件下可釋放小分子抑制劑3-氨基-1,2,4-三唑，抑制過(guò)氧化氫酶的活性，減少細(xì)胞本身?yè)p耗過(guò)氧化氫，積累的高濃度過(guò)氧化氫在雜化酶的催化下，產(chǎn)生羥基自由基，從而增強(qiáng)腫瘤催化治療。

2 協(xié)同增效納米酶催化治療的多模態(tài)治療

在腫瘤微環(huán)境，納米酶通過(guò)內(nèi)源性刺激響應(yīng)觸發(fā)化學(xué)動(dòng)力學(xué)治療，進(jìn)一步結(jié)合外源性刺激響應(yīng)所致的光療、放射治療、聲動(dòng)力治療等，可實(shí)現(xiàn)多功能協(xié)同增效腫瘤治療(見(jiàn)圖1(4))[30-32]。更令人感興趣的是，近年來(lái)新興的癌癥免疫療法(immunotherapy)[33]，是減少腫瘤的轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)的有效治療模式[34]。

光熱治療(photothermal therapy, PTT)與化學(xué)動(dòng)力學(xué)治療相結(jié)合時(shí)，產(chǎn)生的熱量不但能有效殺死腫瘤細(xì)胞，還能提升ROS產(chǎn)生速率，增強(qiáng)化學(xué)動(dòng)力學(xué)治療的效果。例如：本課題組[35]采用單寧酸(tannic acid, TA)組裝偏釩酸銨(NH4VO3)，構(gòu)建生物相容性好、水溶性佳的多酚-釩氧納米片(TA@VOXNSS)。在TA@VOXNSS體系中，由于單寧酸的還原作用，將部分V5+還原成V4+，使TA@VOXNSS具有優(yōu)良的類過(guò)氧化物酶活性，催化過(guò)氧化氫產(chǎn)生羥基自由基，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡。此外，TA@VOXNSS具有近紅外響應(yīng)的光熱治療功能，溫度上升進(jìn)一步加速納米酶催化產(chǎn)生羥基自由基，實(shí)現(xiàn)化學(xué)動(dòng)力學(xué)治療與光治療腫瘤的協(xié)同增效。Liu等[36]在硅酸錳(MnSiO3nanospheres，MSN)上負(fù)載過(guò)氧化鈣(CaO2)納米粒以及光敏分子吲哚菁綠(indocyanine green, ICG)，并在其表面包覆相變材料月桂酸(lauric acid, LA)，構(gòu)建熱響應(yīng)的MSNS@CaO2-ICG@LA復(fù)合納米酶體系。在近紅外光照下，通過(guò)吲哚菁綠的光熱效應(yīng)，使月桂酸相變?nèi)刍?，將CaO2暴露于水中，釋放O2和過(guò)氧化氫，分別增強(qiáng)了吲哚菁綠介導(dǎo)的光動(dòng)力治療和Mn2+介導(dǎo)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)治療，從而使光動(dòng)力治療與化學(xué)動(dòng)力學(xué)治療相結(jié)合，協(xié)同作用于癌癥治療。

放射治療(radiation therapy, RT)，是一種利用X射線電離輻射，引發(fā)癌細(xì)胞原位ROS累積，誘導(dǎo)DNA雙鏈斷裂的腫瘤治療模式[37]。實(shí)驗(yàn)證明，低劑量的放射治療與化學(xué)動(dòng)力學(xué)治療相結(jié)合，可降低副作用，顯著抑制腫瘤轉(zhuǎn)移。Chen等[38]開(kāi)發(fā)一種低劑量輻射下，載運(yùn)納米FeGA的可注射水凝膠體系，在近紅外光照射下，納米FeGA光熱性質(zhì)使水凝膠溶解，釋放出的Fe2+能催化細(xì)胞內(nèi)的過(guò)氧化氫產(chǎn)生羥基自由基，對(duì)腫瘤細(xì)胞線粒體造成損傷，增加輻射敏感性，實(shí)現(xiàn)催化治療與放射治療的協(xié)同增效，顯著抑制腫瘤增殖，減少炎癥等副作用。

聲動(dòng)力治療(sonodynamic therapy, SDT)利用組織中具有更強(qiáng)穿透深度的超聲波激活聲敏劑，在腫瘤原位產(chǎn)生ROS，實(shí)現(xiàn)腫瘤治療[39]。Wang等[40]將轉(zhuǎn)換發(fā)光納米顆粒(upconversion nanoparticles, UCNPs)和鐵鋯卟啉金屬有機(jī)骨架[PCN-224(Fe)]結(jié)合制備一種復(fù)合納米酶(UPFB)。該體系的Fe3+可以和谷胱甘肽進(jìn)行反應(yīng)，減少ROS的消耗；還原得到的Fe2+可以催化過(guò)氧化氫生成羥基自由基，用于化學(xué)動(dòng)力學(xué)治療。此外，納米酶可以在超聲波的激活下啟動(dòng)聲動(dòng)力治療，有效提高ROS的水平，實(shí)現(xiàn)化學(xué)動(dòng)力學(xué)和聲動(dòng)力的協(xié)同增效腫瘤治療。

免疫原性細(xì)胞死亡(immunogenic cell death, ICD)是一種腫瘤細(xì)胞受到外界刺激發(fā)生死亡的同時(shí)，由非免疫原性轉(zhuǎn)變?yōu)槊庖咴?，并在機(jī)體內(nèi)激發(fā)抗腫瘤免疫效應(yīng)的獨(dú)特細(xì)胞死亡方式[41]。近年來(lái)，大量研究表明，ROS在調(diào)控死亡癌細(xì)胞的免疫原性中起著至關(guān)重要的作用[42-43]。由ROS氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的免疫原性細(xì)胞死亡，可增加不同損傷相關(guān)分子、促炎細(xì)胞因子的釋放[11，44]，激活體內(nèi)免疫響應(yīng)，可用于原發(fā)和遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移性腫瘤的消除和抑制。光免疫治療(photoimmunotherapy, PIT)是在光治療的基礎(chǔ)上結(jié)合免疫治療，但免疫抑制腫瘤微環(huán)境的乏氧情況會(huì)極大限制其治療效果[45]。本課題組[46]針對(duì)這一問(wèn)題，提出人工金屬蛋白納米類似物的新概念，基于卵清蛋白(ovalbumin, OVA)、“光療納米酶”RuO2，構(gòu)建了金屬蛋白納米類似物RuO2@OVA NAs，具有光熱/光動(dòng)力學(xué)性能，能原位催化腫瘤微環(huán)境中過(guò)表達(dá)的H2O2產(chǎn)生O2，緩解腫瘤乏氧，加強(qiáng)光動(dòng)力治療并逆轉(zhuǎn)腫瘤免疫抑制微環(huán)境。此外，還能激活抗腫瘤免疫應(yīng)答，結(jié)合細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞相關(guān)蛋白4檢查點(diǎn)阻斷，有效消除原發(fā)腫瘤，并抑制遠(yuǎn)端腫瘤生長(zhǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

微環(huán)境內(nèi)源性刺激型納米酶能在腫瘤細(xì)胞原位催化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)腫瘤精準(zhǔn)治療，結(jié)合外源性刺激，實(shí)現(xiàn)協(xié)同增效多模態(tài)高效治療腫瘤。由納米酶催化治療所導(dǎo)致免疫原性死亡，逆轉(zhuǎn)免疫抑制微環(huán)境，激活免疫響應(yīng)，是當(dāng)前腫瘤精準(zhǔn)治療的前沿?zé)狳c(diǎn)。但圍繞納米酶的精準(zhǔn)高效治療腫瘤，仍有一些問(wèn)題亟待解決：1)納米酶表面修飾，提高其催化活性[47]。傳統(tǒng)納米酶難以達(dá)到令人滿意的腫瘤治療效果，因此，通過(guò)離子表面改性或功能化的方式，增加納米酶反應(yīng)活性位點(diǎn)與底物的接觸面積，或修飾與反應(yīng)底物帶相反電荷的材料到納米酶表面，可以提升納米酶的催化活性。2)簡(jiǎn)化納米酶的設(shè)計(jì)，提高級(jí)聯(lián)反應(yīng)的效率。納米酶體系結(jié)構(gòu)和組成復(fù)雜，合成繁瑣，不利于臨床醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)變。因此，如何設(shè)計(jì)和構(gòu)筑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組成穩(wěn)定、高效響應(yīng)腫瘤內(nèi)源性和外源性刺激的納米酶體系，備受研究者關(guān)注。3)提高納米酶的遞送效率。雖然納米酶可以有效催化產(chǎn)生ROS抑制腫瘤，但由于納米載體自身傳遞效率嚴(yán)重不足，最終到達(dá)腫瘤部位的極少(低于1%)[48]。因此，提高納米酶對(duì)腫瘤的靶向遞送效率，實(shí)現(xiàn)納米酶在腫瘤內(nèi)精準(zhǔn)高效地釋放，亟待研究。4)提高納米酶的生物安全性。在臨床轉(zhuǎn)化方面，納米酶體系的生物安全性是重要指標(biāo)之一。因此，應(yīng)該通過(guò)系統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)，嚴(yán)格評(píng)估體系的毒副作用，篩選出具有高生物相容性和高生物降解性的納米酶體系，是納米酶邁向臨床應(yīng)用的必經(jīng)之路。