纳米药物在肝癌诊疗中的研究进展

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普外空间 2022-01-27 15:18

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作者：朱嘉琪,吴寒,王宇光,黄东胜,杨田

文章来源：中华实验外科杂志, 2021, 38(10) 

摘要

纳米材料具有独特的声、光、电、磁等特性，而肝癌仍然是全球第四大癌症相关死亡原因，具有多种危险因素，因此纳米材料可以在肝细胞癌的影像学诊断、血清学诊断、病理检测、系统治疗、热消融、化学栓塞、免疫治疗以及许多其他方面发挥重要作用。与传统的临床方法比较，纳米技术具有个体选择性高，主动靶向能力强以及诊断和治疗一体化的优点。本文整合多种纳米材料在肝癌诊断和治疗中的研究现状与局限进行综述，以期为肝癌纳米药物的开发提供进一步支持。

肝细胞癌(hepatocellular carcinoma，HCC)是我国常见癌症和癌症死亡的主要原因，对于大多数晚期和不可切除的HCC患者，姑息性的全身化疗是唯一的选择，这使得HCC的治愈率不高[1]。目前肝癌的监视和诊断主要依靠影像学检查和血液肿瘤标志物检查。由于大多数HCC处于临床晚期，后期检测方法有限、肿瘤进展迅速以及对晚期疾病的不良治疗反应，目前的诊断和治疗方法无法完全满足临床需求。

在这种情况下，临床实践中迫切需要新的科学技术手段来对HCC进行综合诊断和治疗[2]。将纳米科学与技术的原理与方法应用于医学后，纳米医学应运而生，研究人员发现应用纳米科学技术后出现了更加灵敏和快速的医学诊断技术和更加有效的治疗方法，并且能够去利用纳米技术在更微观的层面上理解生命活动的过程和机制。

目前研究使用的纳米粒子(nanoparticles，NPs)以其物理和化学特性携带药物到达HCC肿瘤部位，然后成为磁共振或超声波药物以抑制肿瘤的生长。纳米药物是一种很有前景的治疗方法，不仅因为它可以改善难溶药物的溶解度，提高药物的靶向性，可以使药物稳定地发挥作用，而且还能够共递送诊断剂和治疗剂制成诊疗两用的纳米粒[3]。但是由于"纳米级"材料的研究尺度具有过渡性，因此很难通过严格的定义来限制材料的范围边界[4,5]。肝脏包含复杂的免疫机制，尽管免疫疗法取得了飞速的进步，但在免疫学和材料科学的跨学科界面上进行研究对于进一步提高免疫治疗效率和减少不良反应非常重要。此外，肝脏由于其生物过滤功能可从全身循环中隔离大部分给药的纳米颗粒，因此特别适合基于纳米材料的免疫疗法的应用。

虽然当前中国在纳米载药论文年度增加的速度超过了国际上论文增加的速度，但是由于材料的安全性弱以及载药效率低，目前市面上的纳米药物数量仍然有限。我们基于现有的研究在本文中将通过HCC相关生物特定识别元素与不同的纳米材料相结合，从纳米材料本身以及分别与诊断和治疗方法结合来进行分类，总结纳米材料增强的HCC诊断以及治疗的方法，这些方法在体外和体内均表现出对HCC相关检测的高灵敏度和选择性，因此在早期诊断中发挥着关键作用。通过将HCC相关生物标志物的特定识别元素与不同的纳米材料相结合，纳米材料增强的HCC生物传感方法得到了快速发展。本综述旨在通过突出一些代表性作品来概述纳米药物增强的HCC诊疗方法领域的最新进展。特别关注不同的HCC相关生物标志物，包括核酸、蛋白质、HCC细胞和细胞衍生的外泌体。

一、用于肝癌的纳米诊断材料

1．无机纳米颗粒：

无机纳米颗粒包括了量子点、氧化铁纳米颗粒、金纳米颗粒、上转换纳米颗粒、碳纳米管和纳米金刚石等，纳米颗粒的高稳定性、比表面特性使它们更适合于药物的吸收和随后的控释利用。目前的研究主要集中在以介孔二氧化硅、金纳米颗粒、聚丙烯酸钠-无机纳米颗粒组装体为药物载体，利用肿瘤微环境为主要刺激响应机制，构建集化疗、靶向、磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)成像一体化的药物释放体系[6]。

施剑林等人针对传统纳米载药体系无法识别核孔复合体并有效穿越核孔(20~70 nm)这一缺陷，已经设计构建了具有细胞核靶向功能的超小介孔二氧化硅(25 nm)纳米载药体系[7]。在细胞质中，该载药体系能智能识别核孔复合体，避免核孔复合体对外来异质结构的排外作用，从而穿越核膜，进入细胞核，将药物原位释放在细胞核靶点周围，进而显著提高抗癌药物的DNA损伤效果，大幅增强抗癌效果，为临床实现高效低毒的化疗效果提供了新的给药方式。

2．有机纳米颗粒：

有机纳米颗粒是纳米材料的重要组成部分，最常使用的是金属-有机框架材料，其独特的高孔隙率结构特性，孔径可调以及可官能化等特点，在许多领域都有潜在的应用。活细胞研究表明，包覆了蛋白质的金属-有机框架材料能被细胞快速摄取，其中的蛋白质能从活细胞的内涵体-溶酶体中有效地释放并逃逸到细胞质中，同时保持蛋白的天然活性[8,9,10]。王伟林等[11]设计可以将铁有机框架纳米粒子包裹喜树碱，表面用金纳米颗粒的原位生长，然后用十二烷硫醇和甲氧基聚乙二醇硫醇修饰以提高稳定性。该纳米药物利用癌细胞内高浓度磷酸盐的微环境，从而促进药物的释放并激活级联催化反应。

3．生物纳米颗粒：

市场上的大多数纳米药物都是简单的脂质体，尽管脂质体在临床上被用于递送各种各样的治疗剂，但是要实现纳米递送改善患者预后的真正潜力，还需要实施更复杂的多功能设计。药物递送系统的优化设计可能需要与生物环境相似的复杂程度，以便成功地穿过生物屏障[12]。细胞外囊泡是很有前途的药物载体，通过利用微流体流动元件来实现对纳米颗粒的大小和多分散性的精确控制，对纳米医学应用具有重要意义[13,14]。

作者研究团队开发出了一种独特的纳米颗粒，该纳米颗粒由细胞外囊泡结合自身优势组成，有望成为纳米医学的一个临床突破点[15]。由吴寒设计的纳米颗粒可以将细胞外囊泡传递肿瘤特异性连续纳米催化剂，用于肝细胞癌的MRI纳米催化治疗。通过负载葡萄糖氧化酶催化葡萄糖消耗，过量产生过氧化氢，由细胞外囊泡纳米粒产生类芬顿剧毒羟基自由基催化的反应。这些纳米颗粒的独特之处在于显示了高度的主动靶向能力，在体外和体内实现高效的肿瘤抑制。此外，合成的纳米反应器还可以作为理想的纳米级造影剂用于MRI，在连续的成像过程中表现出理想的纳米催化成像能力。

二、肝癌纳米诊断材料的研制开发

1．基于影像学检查的肝癌纳米诊断技术

在计算机断层扫描(CT)、正电子发射断层扫描(PET)和MRI中开发了许多用于HCC的新兴纳米材料。此外，具有不同衰减系数的化学物质也起作用，作为用于准确HCC诊断的靶向CT成像剂，这可能是实现临床有效和安全HCC治疗诊断学的有前途的试剂。Wang等[16]应用磁-介孔二氧化硅纳米粒子为基础的肝癌诊治系统，揭示了非对称磁-介孔二氧化硅纳米粒子在核磁成像引导、磁靶向增强、磁热治疗联合的自杀基因/前体药物肝癌治疗上的优势。介孔二氧化硅纳米粒子作为HCC靶向CT成像剂用于肿瘤诊断联合化疗和放疗，在HCC细胞中表现出协同抗肿瘤作用，同时显著降低系统毒性。

2．基于肝穿刺活组织检查的肝癌纳米诊断技术：

由于缺乏典型的肝癌影像学特征的可疑占位性病变，可通过肝穿刺细胞学或组织学检查进行诊断。随着精准医学的发展，未来肝穿刺获取的患者肿瘤基因组信息还可作为选用分子靶向药物治疗的重要依据[17]。在更间接的电磁场中，由于更多的超微结构可以节省染色时间并使临床观察更有效。这些结构拓宽了我们在准确诊断肝癌术后病理标本中的应用领域视觉。用油酸钠处理肝细胞囊泡脂肪变性的细胞模型，二甲基亚砜(dimethylsurfoxide，DMSO)诱导分化人类肝细胞。油红O染色观察、细胞荧光体分析、代谢基因qPCR表达分析为今后病理诊断的准确性提供了很好的思路。

3．基于分子标志物的肝癌纳米诊断技术：

分子标志物(抗原、抗体、酶、激素等)能够通过电化学生物传感器来识别，也可以应用于荧光免疫分析技术，通过将目标分子与其反应的信号转化为电信号，实现对生物大分子的定性或定量的检测。同时，两条具有特异性核酸适配体(Aptamer)和碱基互补序列的DNA链作为探针，同时识别一个目标蛋白引发核酸探针的"邻近结合"和DNA的链置换反应，释放的单链DNA被纳米通道识别并输出信号，实现目标物蛋白的定量分析。有研究采用夹心型双重电信号放大法和特异性识别的分子印迹法来构建癌胚抗原和甲胎蛋白电化学生物传感器[18]。但用于监测和早期HCC诊断的有用生物标志物的鉴定仍然存在缺陷，尽管截止点不同，可用的血清生物标志物显示出低敏感性和异质性，相比之下，用于预后或预测目的的HCC生物标志物可能在不久的将来具有更大的临床作用[19]。

三、肝癌纳米治疗材料的研制和开发

现用于肝癌的纳米治疗主要从以下三个方面进行结合：结合化学疗法的纳米治疗、结合放射疗法的纳米治疗、结合靶向疗法的纳米治疗以及结合其他类型的纳米治疗。

1．结合化学疗法的肝癌纳米治疗技术：

采用化学疗法既能够作用于手术治疗、放疗等治疗癌症方法所无法触及的区域，又能够高效杀死癌细胞的转移灶，防止癌症的复发和转移。目前可以选择性地将治疗药物输送到肿瘤部位的靶向药物输送系统(DDS)在癌症治疗中显示出巨大的潜力，可用于解决传统化疗的局限性。许多结合了纳米材料的DDS的临床前研究已经发表，但针对HCC的靶向DDS尚未用于实际临床应用[20]。将化疗药物封装在各种纳米颗粒中是成为克服HCC常规化疗局限性的更好方法，可以改善血药浓度不稳定的持续时间和全身不良反应。除了将化疗药物包裹在纳米材料，精准医学也引导纳米技术在HCC部位准确释放药物。通过肿瘤特异性P-选择素依赖性积累和佐剂下微环境刺激响应释放，同时因为这些外部能量场倾向于集中在肿瘤部位，化疗药物可以更好地直接作用于HCC实体瘤本身。

2．结合放射疗法的肝癌纳米治疗技术：

肝癌对放疗并不是非常敏感，因此放疗不用作肝癌的常规一线治疗手段，而常用于晚期肝癌的姑息性治疗，以改善患者的生活质量，尤其是对有骨转移的晚期肝癌患者。但近年发展起来的纳米材料与放疗相结合实现了靶向性高、生存预后好[21,22,23,24,25,26,27,28]。新型放疗增敏剂及放化疗联合的新策略已成为研究热点，这些纳米材料在应用前经过毒性检测，实现安全准确的毒性评估，为后续临床运用打下基础。幸运的是，近年来纳米科技的飞速发展，为解决放疗的瓶颈问题带来了更多的机遇。比如，含铂表面配体可以用于增强X射线诱导的光动力疗法：X射线诱导的光动力疗法(X-PDT)，结合了放疗X射线较高的组织穿透能力和光动力疗法高效产生羟基自由基的优点，然而X-PDT中X射线转化为闪烁荧光的效率较低，依然限制了疗效。

3．结合靶向疗法的肝癌纳米治疗技术：

靶向疗法可以从3个方面来进行分类，分为被动靶向、主动靶向以及物理化学靶向。被动靶向制剂是利用制剂可以被单核巨噬细胞系统的巨噬细胞噬取，通过正常的生理过程将药物传递至靶部位，从而实现靶向性，选择肝脏作为纳米药物的研究对象是因为肝脏的内皮细胞间隙比较大，而且在纳米粒进入人体后的第一个系统就是肝脏的吞噬系统的内皮网状系统，有一个被动肝靶向的效果。在肝肿瘤的微环境里，因为存在高渗透长滞留效应，让纳米粒能够渗透到肝脏的部位[29,30,31,32]。

主动靶向是基于配体的靶向，由于肝肿瘤或是活化的星形胶质瘤细胞，它们的细胞表面通常都会过表达一些受体，如聚糖蛋白-3(GPC-3)、生长抑素受体(SSTRs)、整合素相关蛋白(CD47)、αVβ3整合蛋白等，靶向这些受体就是把相应的配体修饰在纳米粒上，可以起到一个主动靶向的效果。若修饰两个配体，形成双靶，则靶向性会进一步提高[1,31,33,34]。

物理化学靶向则是应用某些物理化学方法使药物在特定部位发挥药效的靶向给药系统，如磁性、温度、pH值等，包括光靶向[35,36,37]、热敏靶向[38,39,40]、磁靶向[40]、pH敏感靶向[32]、栓塞靶向[41]等。如常用的磁靶向是由磁吸物质加上药物以及荧光制剂这三部分构成的，药物用于杀伤癌细胞，磁铁矿(Fe3O4)纳米颗粒用于靶向定位，荧光制剂如罗丹明B用于荧光示踪实时显示[42,43]。

Bao等[44]制成了聚乙二醇修饰、铂掺杂的碳纳米颗粒(PEG-Pt CNPs)来研究该纳米颗粒对癌细胞存活和迁移的影响。在没有激光的情况下，带正电荷的PEG-Pt CNPs通过内吞作用容易进入细胞，在温和激光照射下，细胞骨架结构破碎，细胞核蛋白过度表达，从而可以抑制癌细胞的转移。

4．其他类型的肝癌纳米治疗技术：

纳米气体制剂是利用肿瘤微环境作为内源性刺激源进行原位响应性气体释放的新策略，选择使用抗肿瘤的气体治疗，这对肿瘤血管异常的治疗和进展有重要影响。一氧化氮(NO)能够调节血管生成和维持血管稳态，然而目前缺乏具有延长的半衰期和持续释放机制的NO传递系统。鉴于此，有学者报道了一种纳米级载体NanoNO，能够使NO持续释放，从而将NO有效地传递至肝细胞癌[45]。

该发现证明了纳米级NO传递能够有效地重编程肿瘤脉管系统和免疫微环境，以克服对癌症治疗的抵抗力，从而产生治疗效益[46,47,48]。基因编辑纳米药物包括了一些DNA以及RNA，它们能够通过调节线粒体介导的凋亡通路、细胞周期检查点和RTK存活通路来调节细胞的凋亡、增殖和存活。

基于此，可以结合CRISPR-Cas9基因编辑技术。向导RNA与Cas9酶相连接，当识别了目标DNA序列后，Cas9酶就会对DNA进行剪切，有研究人员将该技术开发了新系统CRISPR-SONIC系统，可以在肝癌小鼠中进行基因敲除致癌基因KRAS[49]。RNA干扰治疗已成为癌症治疗的一种有吸引力的方法，然而由于肿瘤环境的异质性，受控的小干扰RNA释放的特异性和效率仍然具有挑战性[50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60]。

四、结论与展望

纳米材料在生物医学中的应用，已成为生物检测和材料科学的一个新的边缘学科。与传统的靶向剂或化学载体不同，纳米技术的最新进展一直集中在将其独特性质与药物结合用于影像学和治疗HCC的应用上。通过对不同的纳米技术有更深入的了解，旨在促进有益于肝癌治疗的巨大而有前途的应用[61,62,63]。未来，在许多科学家的努力下，纳米药物可以协助诊断和治疗，以进行个性化管理[64,65]。

而目前仍有三大问题有待解决：(1)肝癌纳米药物的难题大部分集中在载药合成过程，如何实现在早期开发中纳米制剂与药物之间的可逆结合是十分重要的。抗肿瘤药物本身也处于不断发展之中，不同药物起效机制、药代动力学特征、针对肿瘤存在较大的差异，对纳米载药体系提出了新的要求，进一步加大地载药体系研发的难度。(2)分离封装和未封装的纳米药物组分的测量对于确定通用纳米药物的生物等效性也很重要。然而，目前测量血浆中药物释放的方法是有限的，并且都具有基本的缺点，包括非平衡条件和过程引起的假象[65]。(3)对其的载药效率、载药毒性检测等载药评价还需进行进一步的优化。