胡希，趙青威

(1.浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院臨床藥學(xué)部，杭州 310003；2.浙江省藥物臨床研究與評價技術(shù)重點實驗室，杭州 310003)

聲動力治療(sonodynamic therapy，SDT)在光動力治療基礎(chǔ)上發(fā)展而來。SDT需要三個基本條件，即超聲波(ultrasound，US)、聲敏劑和氧氣(O2)[1]。US對腫瘤組織具有一定殺傷力，聯(lián)合聲敏劑后對細(xì)胞的殺傷效力顯著增強(qiáng)。目前聲敏劑包括有機(jī)小分子聲敏劑和無機(jī)納米聲敏劑。有機(jī)小分子聲敏劑有卟啉和酞菁類(如血卟啉、血卟啉單甲醚、原卟啉、二氫卟吩e6)、氧雜蒽類(如玫瑰紅)和吲哚菁綠等[2]。但大部分有機(jī)小分子聲敏劑存在水溶性差、化學(xué)穩(wěn)定性低和持久光毒性等問題，限制了SDT效果[3]。無機(jī)納米聲敏劑具有優(yōu)越的化學(xué)穩(wěn)定性和較低的光毒性，且易于化學(xué)改性和表面功能化修飾，具有更廣闊的SDT應(yīng)用前景[4-5]。此外，無機(jī)納米聲敏劑憑借獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，能夠與其他腫瘤治療策略[如化學(xué)治療(化療)、光熱治療、化學(xué)動力學(xué)治療、免疫治療和氣體治療等]聯(lián)用，以協(xié)同提高腫瘤治療效果。筆者在本文擬從化學(xué)材料和藥物制劑角度，深入剖析無機(jī)納米聲敏劑構(gòu)建及其腫瘤多模式治療策略開發(fā)，以期推動無機(jī)納米聲敏劑和SDT領(lǐng)域發(fā)展。

1 SDT治療機(jī)制及無機(jī)納米聲敏劑種類

1.1SDT治療機(jī)制 當(dāng)US[通常為1.0～2.0 MHz，強(qiáng)度0.5～3.0 W·(cm2)-1]在液體環(huán)境中與聲敏劑相互作用時，會出現(xiàn)超聲空化現(xiàn)象。US引起的壓力變化導(dǎo)致液體中氣泡形成。聲敏劑可以通過聲空化直接活化產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species，ROS)，包括單線態(tài)氧(1O2)、羥基自由基(·OH-)和超氧陰離子(·O2-)，有效損傷細(xì)胞內(nèi)DNA和蛋白質(zhì)，并促進(jìn)細(xì)胞脂質(zhì)過氧化，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡[4](圖1)。

圖1 聲動力治療機(jī)制

1.2無機(jī)納米聲敏劑種類 相較于有機(jī)納米材料，無機(jī)納米聲敏劑具有穩(wěn)定性好、物理化學(xué)性質(zhì)可控、易于化學(xué)改性和表面修飾等優(yōu)勢，在腫瘤診斷和治療中具有出眾潛力[6]。目前，已開發(fā)出二氧化鈦(titanium dioxide，TiO2)、硅、碳、其他金屬納米材料(過渡金屬氧化物和貴金屬納米材料等)和其他非金屬納米材料等無機(jī)聲敏劑[4](圖2)。利用化學(xué)手段調(diào)控?zé)o機(jī)納米聲敏劑結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成等，能夠在US觸發(fā)下促進(jìn)電子和空穴分離，或憑借豐富空化成核位點降低空化閾值，提高ROS產(chǎn)生效率進(jìn)而顯著增強(qiáng)SDT效果。

1.2.1TiO2納米材料 在紫外光或US輻照下，TiO2電子從價帶轉(zhuǎn)移到導(dǎo)帶，導(dǎo)致形成電子空穴；高活性空穴和電子與H2O和O2分子反應(yīng)形成多種ROS，誘導(dǎo)細(xì)胞死亡[7]。但是其具有帶隙較寬和受激發(fā)后電子-空穴快速復(fù)合等缺點，ROS量子產(chǎn)率較低[7]。將貴金屬、金屬氧化物或非金屬納米材料與TiO2結(jié)合，通過捕獲激發(fā)態(tài)電子抑制電子與空穴復(fù)合，能夠提高量子產(chǎn)率[8]。GENG等[9]通過將帶部分氧化正電荷Cu2-xO層的Cu2O納米點均勻生長在帶部分還原負(fù)電荷TiO2-y表層的TiO2納米薄片，構(gòu)建一種窄帶隙異質(zhì)結(jié)構(gòu)Cu2-xO@TiO2-y納米聲敏劑。通過提高電荷轉(zhuǎn)移，顯著提高US觸發(fā)1O2和·OH的生成速率，并顯著改善US生成的電子-空穴對的空間分離動力學(xué)。

圖2 無機(jī)納米聲敏劑種類

1.2.2硅和碳納米材料 硅納米材料通過提供空化成核位點、降低空化閾值促進(jìn)空化氣泡形成，殺傷腫瘤細(xì)胞[10-11]。石墨烯和富勒烯等碳納米材料也能夠分離電子和空穴，在US激發(fā)下顯著提升ROS的產(chǎn)生效率[12]?；诖祟惣{米材料，DAI等[13]通過溶劑熱反應(yīng)法基于二維還原石墨烯納米片原位構(gòu)建TiO2和氧化錳(MnOx/TiO2-GR)復(fù)合納米聲敏劑，二維石墨烯具有超高的電導(dǎo)率，與TiO2協(xié)同促進(jìn)電子-空穴分離以提升SDT效率。

1.2.3其他金屬納米材料 除了一系列TiO2納米聲敏劑，最近幾年陸續(xù)開發(fā)出其他一些新型金屬納米聲敏劑。JIAO等[14]在熔融鎂中于高純度氬氣(argon,Ar)和氫氣(hydrogen,H2)環(huán)境進(jìn)行鎂熱還原反應(yīng)，制備富含氧缺陷的氧化鋯(ZrO2-x@PEG)納米聲敏劑。它可以增強(qiáng)US觸發(fā)的電子-空穴分離，從而在SDT過程實現(xiàn)較高ROS量子產(chǎn)量。LIANG等[15]利用溶劑熱反應(yīng)法制備出窄帶隙四硫化釩(vanadium tetrasulfide,VS4)納米聲敏劑，進(jìn)一步將Pt納米粒原位嵌入VS4表面以利于電子捕獲，進(jìn)而在US觸發(fā)下高效產(chǎn)生ROS。此外，WU等[16]使用溶劑熱反應(yīng)法合成壓電四方BaTiO3聲敏劑，并通過化學(xué)還原沉積負(fù)載Au，得到方形Au@BaTiO3納米聲敏劑。US輻照會引起B(yǎng)aTiO3的機(jī)械變形和壓電效應(yīng)，觸發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對。表面Au納米粒誘導(dǎo)BaTiO3能帶彎曲，促進(jìn)電子-空穴分離和遷移，進(jìn)一步與周圍分子(如H2O和O2)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生毒性·OH和1O2。

1.2.4其他非金屬納米材料 LIU等[17]聚焦黑磷(black phosphorus，BP)納米材料，合成3種不同的共價功能化少層數(shù)BP納米片(BPNSs)，分別為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邊緣功能化的BPNSs(C60-e-BP)。研究發(fā)現(xiàn)，C60-s-BP和BA-s-BP的SDT功效均優(yōu)于原始BPNSs，且BA-s-BP通過產(chǎn)生最多·OH而展現(xiàn)出最強(qiáng)的SDT功效。

2 無機(jī)SDT納米體系用于腫瘤聯(lián)合治療

無機(jī)SDT納米材料具有獨特的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，利于實現(xiàn)腫瘤光熱治療、光動力治療和化學(xué)動力學(xué)治療等[18]。此外，其憑借良好的藥物負(fù)載能力、生物相容性、化學(xué)修飾性和物理化學(xué)穩(wěn)定性，被廣泛開發(fā)為藥物遞送載體[19]。利用化學(xué)和藥物制劑技術(shù)，設(shè)計和優(yōu)化無機(jī)SDT納米體系能夠?qū)崿F(xiàn)SDT與其他治療策略(如化療、光熱治療、化學(xué)動力學(xué)治療、免疫治療和氣體治療等)聯(lián)合，以提高多模式腫瘤治療效果。

2.1無機(jī)SDT納米體系聯(lián)合化療 無機(jī)介孔材料(如介孔TiO2[20]、介孔硅[21]和介孔碳[22])憑借材料的高比表面積和比孔容均已用于藥物負(fù)載和疾病治療。例如，LIANG等[23]合成中空介孔Pt-TiO2納米聲敏劑，并利用TiO2的中空結(jié)構(gòu)負(fù)載多柔比星(DOX)，通過化療協(xié)同SDT顯著提高腫瘤治療效果。

2.2無機(jī)SDT納米體系聯(lián)合光熱治療 一些無機(jī)納米材料具備特殊的光學(xué)性質(zhì)，將吸收的外部光源能量轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致局部高溫以實現(xiàn)光熱治療[24-25]。HAN等[26]合成黑色TiO2@TiO2-x納米聲敏劑，表面具有無定形氧缺陷的TiO2-x層，使其在NIR-II生物窗口(1064 nm)具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率(39.8%)。體內(nèi)外研究結(jié)果表明，TiO2@TiO2-x介導(dǎo)SDT聯(lián)合光熱治療能夠有效消除腫瘤，無明顯復(fù)發(fā)。GONG等[27]通過液相剝離法合成氫化鈦TiH1.924納米點聲敏劑，其在1064 nm近紅外光下具有較強(qiáng)的吸收。它憑借溫和的光熱效應(yīng)增強(qiáng)腫瘤內(nèi)的血流和改善腫瘤的氧含量，能夠?qū)崿F(xiàn)SDT聯(lián)合光熱協(xié)同治療。

2.3無機(jī)SDT納米體系聯(lián)合化學(xué)動力學(xué)治療 納米材料(如Fe、Mn和Cu等)通過催化腫瘤微環(huán)境的過氧化氫(H2O2)發(fā)生芬頓或類芬頓反應(yīng)產(chǎn)生ROS，殺死腫瘤細(xì)胞[28]。例如，Cu2-xO@TiO2-y納米聲敏劑中，Cu+-Cu2+不僅通過類芬頓反應(yīng)催化腫瘤內(nèi)源性H2O2生成·OH，而且消耗內(nèi)源性GSH，協(xié)同放大ROS誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激并有效消除腫瘤組織[9]。此外，F(xiàn)e-VS2片狀聲敏劑通過在腫瘤微環(huán)境中催化H2O2產(chǎn)生ROS，并且憑借多價Fe和V元素消耗GSH[29]。光聲/磁共振雙模態(tài)成像顯示Fe-VS2NSs在腫瘤中大量富集，利于實現(xiàn)SDT聯(lián)合化學(xué)動力學(xué)介導(dǎo)的腫瘤高效治療。

2.4無機(jī)SDT納米體系聯(lián)合免疫治療 SDT通過釋放損傷相關(guān)分子模式誘導(dǎo)免疫原性細(xì)胞死亡(immunogenic cell death，ICD)，釋放腫瘤相關(guān)抗原，從而激發(fā)抗腫瘤免疫反應(yīng)[30]。TAN等[31]以TiO2為內(nèi)核包覆磷化鈣(calcium phosphide,CaP)殼層，構(gòu)建具有酸響應(yīng)性的TiO2@CaP納米聲敏劑。在腫瘤酸性微環(huán)境和腫瘤細(xì)胞溶酶體中，CaP殼層響應(yīng)性降解并暴露TiO2納米粒；同時CaP殼層降解導(dǎo)致釋放大量Ca2+并造成Ca2+過載，協(xié)同促進(jìn)產(chǎn)生ROS，進(jìn)而誘發(fā)ICD，提高免疫細(xì)胞浸潤和殺傷性T細(xì)胞水平。通過聯(lián)合PD-1檢查點阻斷療法，有效抑制近端、遠(yuǎn)端腫瘤的生長，同時顯著抑制肺轉(zhuǎn)移的發(fā)生。另外，ZrO2-x@PEG/cRGD聲敏劑在近紅外二區(qū)和US輻照下產(chǎn)生局部高熱和毒性ROS，激活I(lǐng)CD并上調(diào)促炎炎癥細(xì)胞因子水平，有效抑制異種移植瘤生長[14]。

2.5無機(jī)SDT納米體系聯(lián)合氣體治療 目前用于腫瘤氣體治療的氣體有一氧化碳(carbon monoxide,CO)、O2、H2和二氧化碳(carbon dioxide,CO2)等[32]。Au-黑磷量子點介孔硅(Au-BMSNs)納米聲敏劑能夠負(fù)載CO釋放分子CORM-401，經(jīng)巨噬細(xì)胞細(xì)胞膜修飾后，得到體內(nèi)長循環(huán)的仿生納米系統(tǒng)(N@CAu-BMSNs)[33]。它通過US輻照產(chǎn)生CO和1O2，誘導(dǎo)線粒體功能障礙和細(xì)胞凋亡，并激活機(jī)體免疫系統(tǒng)，實現(xiàn)SDT聯(lián)合氣體協(xié)同抗腫瘤治療。

大多腫瘤在生長過程中會導(dǎo)致不同程度的乏氧，而乏氧是導(dǎo)致腫瘤轉(zhuǎn)移和耐受的重要原因之一[34]。此外，乏氧還會影響SDT、化療和光動力療法等需氧治療的效果。納米材料在緩解乏氧微環(huán)境方面主要有兩種策略：①基于紅細(xì)胞或全氟化碳將氧氣直接輸送到腫瘤中[35]；②通過化學(xué)催化等方法在腫瘤微環(huán)境中原位產(chǎn)氧[36]。目前貴金屬和金屬化合物納米材料，如Au、Pt、MnO2、鈰基(CeO2)和Fe等納米體系具有過氧化氫酶類酶性質(zhì)，將H2O2底物催化為O2和H2O分子[37-38]。例如，GSH-Pt-VS4納米聲敏劑通過Pt納米粒催化腫瘤微環(huán)境中H2O2產(chǎn)生大量O2，緩解腫瘤乏氧環(huán)境，為SDT介導(dǎo)的1O2產(chǎn)生提供足夠的氧源[15]。

3 結(jié)論與展望

納米材料和藥物制劑學(xué)科的蓬勃進(jìn)步大力推動了SDT領(lǐng)域的發(fā)展。然而，從實驗研究轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用之路仍然漫長且充滿挑戰(zhàn)。科研學(xué)者仍需繼續(xù)致力于提高無機(jī)納米聲敏劑和小分子有機(jī)聲敏劑的光敏性能和生物安全性。雖然許多研究已經(jīng)闡明納米材料的短期生物相容性及體內(nèi)生物分布，但系統(tǒng)的長期慢性毒性研究對于早日步入臨床試驗仍十分必要。另外，考慮到無機(jī)納米聲敏劑的體內(nèi)滯留問題，開發(fā)體內(nèi)響應(yīng)性降解或排泄的無機(jī)納米聲敏劑是未來SDT領(lǐng)域發(fā)展的方向之一。另外，無機(jī)納米聲敏劑介導(dǎo)的SDT及多模式聯(lián)合治療在臨床診斷及治療中具有廣闊而深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。相信納米材料、化學(xué)材料和生物醫(yī)學(xué)等多學(xué)科交叉融合將進(jìn)一步賦予納米材料及SDT腫瘤治療更多的創(chuàng)新推動力。