腫瘤微環(huán)境與納米納米藥物研究進(jìn)展

腫瘤微環(huán)境與納米納米藥物研究進(jìn)展

腫瘤不是一個(gè)孤島，由腫瘤細(xì)胞、各種基細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)組成的水體。腫瘤細(xì)胞是核心，周圍細(xì)胞和非細(xì)胞組成的“腫瘤微環(huán)境”。它們與腫瘤細(xì)胞相互作用，對(duì)腫瘤的生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移以及抗癌藥物的效果有重要影響。100多年前，felt提出了腫瘤的“種子和土壤”假設(shè)：腫瘤細(xì)胞作為“種子”，其傳播和轉(zhuǎn)移依賴于周圍的微環(huán)境“土壤”。雖然人們對(duì)腫瘤細(xì)胞的研究和理解比腫瘤微環(huán)境更多，但腫瘤細(xì)胞是異質(zhì)性的，容易突變和表觀遺傳變化，容易耐藥性。微環(huán)境中的細(xì)胞組成穩(wěn)定，具有固定的特定方向，容易受到環(huán)境因素的影響，不易產(chǎn)生抗藥性，因此，腫瘤微環(huán)境的限制可以在一定程度上遏制腫瘤的發(fā)展，提高傳統(tǒng)治療方法的有效性。同時(shí)，納米技術(shù)的快速發(fā)展為早期診斷和腫瘤目標(biāo)、長(zhǎng)期治療和聯(lián)合治療提供了良好的平臺(tái)。腫瘤細(xì)胞及其微環(huán)境下的納米藥物和診斷試劑的開發(fā)開辟了新思路。本文簡(jiǎn)要總結(jié)了腫瘤微環(huán)境的基本特征，考察了腫瘤微環(huán)境下的納米藥物和診斷試劑的發(fā)展，總結(jié)了該領(lǐng)域的發(fā)展前景。1腫瘤微環(huán)境的基本特征腫瘤微環(huán)境主要由細(xì)胞外基質(zhì)、成纖維細(xì)胞、血管/淋巴管和免疫細(xì)胞組成,它們與腫瘤細(xì)胞相互作用,共同促進(jìn)腫瘤的生長(zhǎng)與轉(zhuǎn)移.腫瘤細(xì)胞通過分泌生長(zhǎng)因子和蛋白酶等,作用于微環(huán)境,被“馴化”的微環(huán)境細(xì)胞則回饋腫瘤細(xì)胞,使腫瘤組織代謝具有組織缺氧、酸中毒、組織間高液壓、大量生長(zhǎng)因子和蛋白水解酶的產(chǎn)生及免疫炎性反應(yīng)等特性[4~6].深入了解腫瘤微環(huán)境的基本特征及微環(huán)境與腫瘤細(xì)胞的相互作用,將為抗腫瘤藥物和診斷試劑的研發(fā)提供有力的理論基礎(chǔ).1.1細(xì)胞外基質(zhì)降解細(xì)胞外基質(zhì)(extracellularmatrix,ECM)由蛋白、糖蛋白、蛋白聚糖和多糖等多種組分構(gòu)成,它們?cè)谏掀ず蛢?nèi)皮周圍形成基底膜,并在細(xì)胞間形成間質(zhì),既為各組織提供結(jié)構(gòu)支撐,又作為細(xì)胞間信息的傳遞者.已被廣泛研究的細(xì)胞外基質(zhì)主要包括膠原蛋白、層粘連蛋白、纖連蛋白和硫酸乙酰肝素蛋白聚糖等.在正常組織和發(fā)育過程中,細(xì)胞外基質(zhì)被嚴(yán)格調(diào)控,其中的連接蛋白和黏附蛋白使細(xì)胞間緊密接觸,維持組織和器官穩(wěn)態(tài);而在腫瘤組織中,某些胞外基質(zhì)調(diào)控酶的表達(dá)或功能變化導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)重構(gòu)異常,影響細(xì)胞的遷移和侵襲,并通過釋放細(xì)胞外基質(zhì)中包裹的生長(zhǎng)因子激活其信號(hào)通路,促進(jìn)腫瘤發(fā)生和惡性進(jìn)展.細(xì)胞外基質(zhì)重構(gòu)主要受基質(zhì)降解酶調(diào)控,如基質(zhì)金屬蛋白酶(matrixmetalloproteinase,MMP)、絲氨酸/半胱氨酸蛋白酶等.細(xì)胞外基質(zhì)降解是腫瘤新生血管生成、腫瘤細(xì)胞侵襲和轉(zhuǎn)移的必要條件.MMP在腫瘤進(jìn)展中發(fā)揮關(guān)鍵的調(diào)控作用,幾乎能降解細(xì)胞外基質(zhì)中的各種蛋白.MMP-9和MMP-3被發(fā)現(xiàn)通過降解某些蛋白(如E-cadherin等)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞增殖和上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelialmesenchymaltransition,EMT);MMP-7通過水解某些促凋亡因子(如Fas配體等)抑制腫瘤細(xì)胞凋亡;多種MMP(如MMP-2和MMP-9等)通過降解胞外基質(zhì)為腫瘤細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞遷移開辟路徑,并釋放血管新生相關(guān)生長(zhǎng)因子和抑制因子,打破血管生成平衡,促進(jìn)腫瘤血管新生;MMP-9還能調(diào)控腫瘤組織中骨髓細(xì)胞介導(dǎo)的血管從頭生成過程;多種MMP還可以影響血管通透性和穩(wěn)定性,介導(dǎo)轉(zhuǎn)移灶形成,并參與腫瘤淋巴管生成和淋巴轉(zhuǎn)移過程.整合素(integrin)是細(xì)胞外基質(zhì)與細(xì)胞間信息的傳遞者,該家族成員是一類由α和β亞基組成的異二聚體,在腫瘤細(xì)胞及血管內(nèi)皮細(xì)胞表面高表達(dá),也影響某些免疫細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的功能.作為黏附分子和多種蛋白的受體,整合素通過介導(dǎo)細(xì)胞間、細(xì)胞與胞外基質(zhì)間的相互作用,以及胞外基質(zhì)分子的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程,影響細(xì)胞遷移、分化和生存.多數(shù)腫瘤組織中的整合素表達(dá)和功能異常,在腫瘤轉(zhuǎn)移的各階段均發(fā)揮重要作用[21~24].整合素αvβ3,αvβ5和α5β1等被發(fā)現(xiàn)特異表達(dá)于新生血管表面,調(diào)控腫瘤血管新生,靶向這些分子的抗體和肽段能明顯降低腫瘤血管密度和腫瘤進(jìn)展,相關(guān)的藥物研發(fā)目前已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段;腫瘤細(xì)胞表面的整合素通過激活下游的黏著斑激酶引起下游多條信號(hào)通路變化,在腫瘤細(xì)胞遷移過程中調(diào)節(jié)細(xì)胞的突出和黏附;整合素還能介導(dǎo)多種基質(zhì)降解酶如MMP和尿激酶型纖溶酶原激活物(uPA)的表達(dá),影響腫瘤細(xì)胞侵襲.1.2/mflacare成纖維細(xì)胞是腫瘤微環(huán)境與腫瘤細(xì)胞間的重要調(diào)控者.正常組織中的成纖維細(xì)胞處于靜息狀態(tài),而在腫瘤組織中,腫瘤細(xì)胞能分泌多種生長(zhǎng)因子如轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(transforminggrowthfactor-β,TGF-β)和血小板源生長(zhǎng)因子(platelet-derivedgrowthfactorPDGF)等,使成纖維細(xì)胞激活并分化為成肌纖維細(xì)胞(myofibroblast),其形態(tài)和功能均發(fā)生改變,通常又被稱為腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞(cancer-associatedfibroblast,CAF)[30~32].CAF呈梭形,大量增殖,并特異高表達(dá)α-平滑肌肌動(dòng)蛋白(α-smoothmuscleactinα-SMA)、成纖維細(xì)胞激活蛋白(fibroblastactivationprotein,FAP)和血小板源生長(zhǎng)因子受體(plateletderivedgrowthfactorreceptor,PDGFR)等[33~35].CAF是腫瘤微環(huán)境中生長(zhǎng)因子、趨化因子、胞外基質(zhì)蛋白和基質(zhì)降解酶的主要來源,它通過分泌多種胞外基質(zhì)組分(如生腱蛋白等)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞遷移,通過表達(dá)絲氨酸蛋白酶、纖維酶原激活物和MMP等水解并重構(gòu)胞外基質(zhì),并產(chǎn)生多種生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子等促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的生存與侵襲.除腫瘤細(xì)胞外CAF還能表達(dá)多種細(xì)胞因子和蛋白酶,如血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascularendothelialgrowthfactor,VEGF)、單核細(xì)胞趨化蛋白-1(monocytechemotacticprotein-1MCP-1)和MMP等,作用于微環(huán)境中的其他細(xì)胞如內(nèi)皮細(xì)胞、免疫細(xì)胞等,促進(jìn)血管新生或炎癥反應(yīng),間接影響腫瘤的生長(zhǎng)與轉(zhuǎn)移.1.3血管生成調(diào)控因子腫瘤微環(huán)境中含有豐富的血管和淋巴管,它們分別為腫瘤組織提供營(yíng)養(yǎng)和排除廢物.當(dāng)腫瘤生長(zhǎng)至直徑大于1~2mm時(shí),單靠組織滲透已不能滿足腫瘤細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)和氧氣的需要,必須誘發(fā)新生血管,為腫瘤生長(zhǎng)提供養(yǎng)料,并為遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移提供路徑.腫瘤內(nèi)部的血管主要來源于新生血管,即從已有血管的基礎(chǔ)上出芽生長(zhǎng)出的新血管,也有部分由骨髓來源細(xì)胞或腫瘤干細(xì)胞分化而成,存在于幾乎所有的原發(fā)瘤及轉(zhuǎn)移灶中[43~45].腫瘤血管主要由內(nèi)皮細(xì)胞、周細(xì)胞和基底膜構(gòu)成,內(nèi)皮細(xì)胞構(gòu)成血管管腔的主體,周細(xì)胞為內(nèi)皮細(xì)胞提供生長(zhǎng)信號(hào)和結(jié)構(gòu)支撐.血管新生過程復(fù)雜,由多種細(xì)胞和生長(zhǎng)因子參與:原有血管周圍包被的周細(xì)胞脫離,血管膨脹,基底膜和細(xì)胞外基質(zhì)降解,血管內(nèi)皮細(xì)胞受血管生成調(diào)控因子影響遷移并增殖,松散排列的內(nèi)皮細(xì)胞黏附形成管腔,繼而被重新形成的基底膜和周細(xì)胞包被,小血管之間相互融合構(gòu)成新的血管系統(tǒng).與生理狀態(tài)相比,腫瘤內(nèi)部的血管生成促進(jìn)因子和抑制因子平衡紊亂,啟動(dòng)血管生成“開關(guān)”,新生血管不斷生成,血管形狀、重構(gòu)、成熟及穩(wěn)定性也發(fā)生改變,且血流緩慢.腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生的大量促血管生成因子如VEGF-A、成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(fibroblastgrowthfactor,FGF)、PDGF和血管生成素(angiopoietin)等,能促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞增殖、遷移、生存和分化,增強(qiáng)血管通透性,并通過表達(dá)蛋白酶降解基底膜和細(xì)胞外基質(zhì)[49~52];腫瘤細(xì)胞分泌的PDGF,angiopoietin和TGF等還能作用于周細(xì)胞,影響血管成熟及完整性;而血管內(nèi)皮抑制素(endostatin)、血管抑素(angiostatin)和腫瘤抑素(tumstatin)等抑制因子則阻礙內(nèi)皮細(xì)胞功能[54~56].腫瘤淋巴管由單層淋巴內(nèi)皮細(xì)胞組成,被不連續(xù)的基底膜包裹,其外周無周細(xì)胞或平滑肌細(xì)胞支撐.淋巴管獨(dú)特的結(jié)構(gòu)為腫瘤侵襲提供了有利條件,大量研究表明,淋巴管生成在腫瘤淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移和遠(yuǎn)端轉(zhuǎn)移過程中發(fā)揮重要作用.腫瘤淋巴管生成由腫瘤細(xì)胞及多種基質(zhì)細(xì)胞分泌的生長(zhǎng)因子調(diào)控,以VEGF-C和VEGF-D作用最顯著,它們均識(shí)別淋巴內(nèi)皮細(xì)胞表面的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子受體-3(vascularendothelialgrowthfactorreceptor-3,VEGFR-3).當(dāng)用蛋白或抗體阻礙VEGFR-3信號(hào)通路時(shí),腫瘤淋巴管生成和淋巴轉(zhuǎn)移均被抑制.此外,VEGF-A,angiopoietin和PDGF-BB等也均被報(bào)道能促進(jìn)腫瘤淋巴管生成,而endostatin則可以抑制淋巴管生成和淋巴轉(zhuǎn)移[61~63].1.4細(xì)胞生物學(xué)在腫瘤相關(guān)免疫中的功能腫瘤微環(huán)境中的免疫細(xì)胞組成復(fù)雜,在腫瘤進(jìn)展的各階段發(fā)揮不同的作用.適應(yīng)性免疫細(xì)胞如CD4+和CD8+T細(xì)胞通常有助于腫瘤的預(yù)后.先天免疫細(xì)胞絕大部分來源于骨髓,由腫瘤分泌的趨化性因子如單核細(xì)胞趨化蛋白-1(monocytechemotacticprotein-1,MCP-1)、胎盤生長(zhǎng)因子(placentalgrowthfactor,PlGF)和基質(zhì)衍生因子(stromalcell-derivedfactor,SDF)等招募至腫瘤組織,進(jìn)一步分化為巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞、淋巴細(xì)胞和髓源性抑制細(xì)胞等多種類型,其中以巨噬細(xì)胞在腫瘤組織中數(shù)量最多,對(duì)腫瘤調(diào)控作用最顯著.腫瘤相關(guān)免疫細(xì)胞是一把“雙刃劍”既能作為“M1型”細(xì)胞,識(shí)別腫瘤抗原,吞噬或殺傷腫瘤細(xì)胞;又可以被腫瘤微環(huán)境“馴化”為“M2型”細(xì)胞,引發(fā)免疫耐受,這些細(xì)胞能產(chǎn)生高濃度的活性氧和氮化物,作用于DNA,導(dǎo)致表皮細(xì)胞及周圍正常細(xì)胞發(fā)生基因突變,并通過產(chǎn)生大量的生長(zhǎng)因子(如VEGF,FGF和TGF)、炎性因子(如腫瘤壞死因子TNF-α和白介素interleukin)和蛋白酶(如MMP和環(huán)氧合酶cyclooxygenase)等,刺激腫瘤細(xì)胞的增殖和遷移能力,降解基底膜,促進(jìn)腫瘤侵襲,并誘發(fā)血管新生.免疫細(xì)胞與炎癥反應(yīng)普遍存在于絕大多數(shù)腫瘤中,其中胰腺癌、肝癌、宮頸癌和結(jié)直腸癌等多種癌癥主要由炎癥進(jìn)展產(chǎn)生.1.5前轉(zhuǎn)移微環(huán)境不同類型的腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移具有一定的器官偏好性,例如黑色素瘤易發(fā)生肺轉(zhuǎn)移,結(jié)直腸癌易轉(zhuǎn)移至肝,乳腺癌在肺、骨骼和腦中均易被檢測(cè)到轉(zhuǎn)移灶這說明不同腫瘤細(xì)胞適應(yīng)的轉(zhuǎn)移微環(huán)境各異,因此鑒定轉(zhuǎn)移微環(huán)境的變化有助于尋找抑制腫瘤轉(zhuǎn)移的新靶點(diǎn).研究表明,在腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移前,一些腫瘤轉(zhuǎn)移偏好組織處的微環(huán)境已經(jīng)產(chǎn)生變化,多種細(xì)胞因子和蛋白酶表達(dá)改變,導(dǎo)致骨髓細(xì)胞招募和血管通透性增強(qiáng),為腫瘤細(xì)胞著陸提供合適的“前轉(zhuǎn)移微環(huán)境”.例如,Hiratsuka等人發(fā)現(xiàn)肺組織中的MMP-9在腫瘤轉(zhuǎn)移前表達(dá)升高;Kaplan等人研究表明,骨髓來源的VEGFR-1陽性細(xì)胞在腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移前,即被招募至腫瘤偏好的遠(yuǎn)端器官處,并創(chuàng)造適宜的前轉(zhuǎn)移微環(huán)境;Huang等人報(bào)道在黑色素瘤轉(zhuǎn)移前,肺中的angiopoietin-2,MMP-3和MMP-10表達(dá)上調(diào),血管通透性增加,導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的浸潤(rùn)和生存能力增強(qiáng).2酪氨酸激酶3flt3抑制劑鑒于腫瘤微環(huán)境在腫瘤生長(zhǎng)與轉(zhuǎn)移過程中的重要作用,越來越多的研究致力于尋找腫瘤微環(huán)境中的新靶點(diǎn),隨之出現(xiàn)的腫瘤微環(huán)境靶向藥物也與日俱增,主要包括蛋白、抗體和小分子化療藥等.抗新生血管生成藥物的研發(fā)是一個(gè)熱點(diǎn),它們與化療聯(lián)用,已在臨床上取得一定進(jìn)展.貝伐單抗(bevacizumab),即抗VEGF-A的單克隆抗體,是美國(guó)第一個(gè)獲批上市的抗腫瘤血管新生藥物,用于治療結(jié)腸癌、肺癌、乳腺癌、神經(jīng)膠質(zhì)瘤和腎癌;舒尼替尼(sunitinib)靶向受體酪氨酸激酶,通過抑制VEGFR、血小板源生長(zhǎng)因子受體(PDGFR)、干細(xì)胞因子受體(KIT)和Fms樣酪氨酸激酶3(FLT3)影響血管新生;索拉非尼(sorafenib)為多激酶抑制劑,通過抑制Raf,VEGFR,PDGFR,FLT-3和KIT能同時(shí)抑制腫瘤細(xì)胞增殖和血管新生,已應(yīng)用于腎癌和肝癌;重組人血管內(nèi)皮抑制素(endostatin)是首個(gè)內(nèi)源性血管抑制劑類藥物,阻礙內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、遷移并誘導(dǎo)凋亡,已被中國(guó)CFDA批準(zhǔn)為晚期非小細(xì)胞肺癌的一線治療藥物.此外,科學(xué)家們也不斷尋找影響和調(diào)控細(xì)胞外基質(zhì)、成纖維細(xì)胞和免疫細(xì)胞等其他微環(huán)境組分的方法.靶向腫瘤細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞表面整合素的西侖吉肽(cilengitide),通過阻斷整合素與細(xì)胞外基質(zhì)的相互作用,抑制腫瘤生長(zhǎng)和新生血管生成,目前正在多種腫瘤模型中進(jìn)行臨床試驗(yàn).與舒尼替尼類似,伊馬替尼(imatinib)也靶向受體酪氨酸激酶,除新生血管外,它們還能抑制高表達(dá)此類激酶的成纖維細(xì)胞和周細(xì)胞等.然而,以上提到的抗腫瘤藥物多為小分子,即使是抗體類藥物,在體內(nèi)循環(huán)過程中也通常會(huì)被某些水解酶降解,致使它們?cè)谏矬w內(nèi)的半衰期較短,甚至到達(dá)腫瘤部位時(shí)其劑量不夠?qū)δ[瘤造成威脅.因此,科研人員希望借助一種載體將藥物特異帶到腫瘤部位,使藥物在腫瘤部位富集并釋放,從而不損傷正常組織,同時(shí)延長(zhǎng)藥物在體內(nèi)的半衰期.此外,目前臨床上應(yīng)用的腫瘤診斷方法主要針對(duì)腫瘤細(xì)胞及其分泌物,而以腫瘤微環(huán)境為基礎(chǔ)的腫瘤診斷尚缺乏廣泛應(yīng)用.面對(duì)這兩個(gè)關(guān)鍵的難題,納米技術(shù)體現(xiàn)了它的獨(dú)特作用.下面我們將簡(jiǎn)單介紹納米技術(shù)針對(duì)腫瘤微環(huán)境,進(jìn)行診斷和治療的一些代表性工作.3納米探針治療腫瘤的研究腫瘤診斷是腫瘤治療的前提,選擇合適的診斷劑,將腫瘤可視化,精確定位腫瘤及其擴(kuò)散范圍,對(duì)于腫瘤治療具有重要的意義.由于納米可謂是宏觀與微觀的紐帶,在納米尺度上開發(fā)新型診斷劑是一個(gè)極具前景的研究.用于診斷腫瘤的納米材料通常被稱為腫瘤納米探針(nanoprobe),目前用于腫瘤成像的納米探針主要分為兩類,一類是通過靶向腫瘤微環(huán)境的受體實(shí)現(xiàn)診斷,另一類則是通過對(duì)腫瘤微環(huán)境的響應(yīng),被腫瘤微環(huán)境激活,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的診斷.預(yù)計(jì)在未來,納米材料對(duì)腫瘤的診斷將集成更多的功能,以其更特異的靶向性和更敏感的響應(yīng)性實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的精確定位及早期檢測(cè).3.1環(huán)肽irgdspitydepn優(yōu)勢(shì)腫瘤靶向包括“被動(dòng)靶向”和“主動(dòng)靶向”.被動(dòng)靶向通常是利用腫瘤血管的高通透性和高滯留效應(yīng)(enhancedpermeabilityandretention,EPR),使一定尺度的納米粒子可以在腫瘤部位富集;主動(dòng)靶向則是將靶向基團(tuán)(如小分子、肽和抗體)充當(dāng)配體,共價(jià)連接或吸附在納米材料的表面,促進(jìn)納米材料與腫瘤基質(zhì)細(xì)胞高表達(dá)的受體結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的特異性富集.核磁共振成像(magneticresonanceimaging,MRI)是一種臨床常用的成像手段,其與納米技術(shù)結(jié)合,已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展.Harisinghani等人利用修飾了右旋糖酐的超順磁氧化鐵納米粒子(superparamagneticironoxidenanoparticles,SPIONs)在淋巴結(jié)處的累積,實(shí)現(xiàn)了對(duì)前列腺癌的節(jié)點(diǎn)診斷;Sugahara等人則將SPIONs連接環(huán)肽iRGD(CRGDKGPDC)使其能夠與高表達(dá)整合素αvβ3/β5的腫瘤新生血管結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)生物體內(nèi)腫瘤的特異成像;釓(gadolinium),也是一種常用的MRI造影劑,同樣可以被整合到在功能性的納米材料上,Crich等人將釓加載到去鐵鐵蛋白的納米空腔中,以此作為探針在腫瘤新生血管部位產(chǎn)生很好的磁共振信號(hào).X射線斷層掃描(CT)技術(shù)也是生物成像的重要工具,但是其造影劑碘、金或鉍在體內(nèi)的半衰期較短若將這些造影劑制備成納米粒子,將其表面修飾上相應(yīng)的靶向基團(tuán),可以增強(qiáng)它在腫瘤部位的富集,減少用量,提高成像對(duì)比度.具有靶向腫瘤細(xì)胞及腫瘤淋巴管的環(huán)肽LyP-1(CGNKRTRGC)已經(jīng)被用于增加鉍硫化物(Bi2S3)納米粒子在高表達(dá)細(xì)胞表面受體p32的腫瘤組織的富集,它能產(chǎn)生足夠的對(duì)比度以提供定量和高保真CT圖像,注射一個(gè)星期內(nèi)都可以檢測(cè)出較強(qiáng)的信號(hào).此外,正電子發(fā)射斷層掃描(positronemissiontomography,PET)也逐漸與腫瘤診斷相結(jié)合.腫瘤新生血管表面特異高表達(dá)CD105,Hong等人最近報(bào)道,將氧化石墨烯(grapheneoxide,GO)與CD105的抗體結(jié)合,可特異標(biāo)記腫瘤血管,對(duì)腫瘤進(jìn)行靶向定位,再將64Cu螯合劑連接到GO上,便可以通過配位作用螯合64Cu,這種基于GO的納米材料即可在腫瘤部位產(chǎn)生PET信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)腫瘤的診斷.同時(shí)科學(xué)家們致力于設(shè)計(jì)具有雙重造影功能的納米材料,即集兩種成像技術(shù)于一體,為腫瘤診斷提供更準(zhǔn)確和完整的信息,降低誤診概率.近紅外熒光(near-infraredfluorescence,NIRF)成像和PET成像通常是一對(duì)默契的組合.Chen課題組將去鐵鐵蛋白的外表面連接了腫瘤靶向的多肽RGD4C和近紅外的熒光染料Cy5.5,再將64Cu加載到去鐵鐵蛋白的內(nèi)腔,以此利用RGD4C將材料靶向到腫瘤部位,并分別利用NIRF成像和PET成像技術(shù)對(duì)腫瘤進(jìn)行定位.盡管成像效果還需進(jìn)一步提高,但此設(shè)計(jì)可以為腫瘤的診斷方法提供新的思路.3.2納米探針檢測(cè)腫瘤中的作用機(jī)理基于納米技術(shù)的腫瘤診斷,除了靶向成像外,另一種策略是設(shè)計(jì)“可激活”的納米探針,這類探針在生物體的全身循環(huán)中處于靜息狀態(tài),一旦到達(dá)腫瘤部位,它們就會(huì)被腫瘤特異的微環(huán)境特征激活,從而產(chǎn)生信號(hào).腫瘤微環(huán)境通常體現(xiàn)為乳酸水平增加,細(xì)胞外基質(zhì)的pH較低.Crayton等人將乙二醇?xì)ぞ厶沁B接到SPIONs的表面作為MRI的造影劑診斷腫瘤,此納米粒子具有pH響應(yīng)的外表面,在正常體內(nèi)循環(huán)中,納米粒子不帶電荷,一旦接觸到腫瘤組織的微酸性環(huán)境,其表面將帶正電荷,帶正電的納米粒子會(huì)在腫瘤部位與腫瘤細(xì)胞發(fā)生作用,使粒子在腫瘤部位更多積累,從而加強(qiáng)了MRI的信號(hào).某些蛋白酶的過度表達(dá)也是腫瘤的一個(gè)特征,同樣可以用來設(shè)計(jì)響應(yīng)型材料用于診斷腫瘤的發(fā)生.基質(zhì)金屬蛋白酶(MMPs)就是目前被應(yīng)用較為廣泛的腫瘤標(biāo)志物,有很多納米探針也圍繞MMPs而設(shè)計(jì)[89~93].Chen課題組利用拆卸/重組去鐵鐵蛋白,設(shè)計(jì)合成了一種同時(shí)連有熒光基團(tuán)(Cy5.5)和淬滅劑(BHO-3)的雜合去鐵鐵蛋白,其中熒光基團(tuán)是通過一段MMP酶的底物肽段連接到蛋白表面的,以此作為納米探針檢測(cè)腫瘤.由于能量共振轉(zhuǎn)移效應(yīng),在正常狀態(tài)下,連接在蛋白表面的Cy5.5處于被淬滅的狀態(tài),當(dāng)探針到達(dá)MMP酶豐富的腫瘤部位(MMP-2-9,-13,-14和-16)時(shí),連接熒光基團(tuán)的多肽被MMP酶切斷,導(dǎo)致Cy5.5從蛋白表面脫離,恢復(fù)熒光,從而產(chǎn)生信號(hào),這個(gè)探針的實(shí)用性在頭頸鱗狀細(xì)胞癌異種移植瘤模型中得到了驗(yàn)證.4納米粒子作為藥物系統(tǒng)的應(yīng)用基于納米材料靶向腫瘤的治療涉及多種途徑從傳統(tǒng)的小分子藥物(阿霉素、紫杉醇等)到生物分子(治療性抗體或核酸等),以至利用納米顆粒本身的光熱效應(yīng)殺傷腫瘤,都已有相關(guān)工作報(bào)道.將藥物加載到納米粒子內(nèi)部或修飾到表面,以納米粒子為載體進(jìn)入生物體內(nèi),比起單純的將藥物分子直接用于生物體具有很多優(yōu)勢(shì),例如可以增加靶向性,加強(qiáng)感應(yīng)性,延長(zhǎng)半衰期等.納米材料還可以提供更復(fù)雜的運(yùn)載系統(tǒng),可同時(shí)運(yùn)載多種藥物[96~100],這在此前的工作中已經(jīng)驗(yàn)證,Wang等人利用mPEG-PLGA納米粒子同時(shí)運(yùn)載抗腫瘤的親水性藥物阿霉素和輸水性藥物紫杉醇,納米體系可較好地進(jìn)入腫瘤細(xì)胞,達(dá)到遠(yuǎn)好于單種藥物治療的效果(圖1).利用納米材料載帶藥物不僅是一種新的治療腫瘤的策略,也是一個(gè)重要的革新,可以大大增加抗腫瘤藥物的療效.同時(shí),不將腫瘤細(xì)胞孤立,調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境來抑制腫瘤,是納米技術(shù)在腫瘤治療領(lǐng)域的新方向.4.1納米載體治療腫瘤的機(jī)制腫瘤治療的關(guān)鍵是精確引導(dǎo)納米材料到達(dá)腫瘤微環(huán)境中的特定細(xì)胞或非細(xì)胞組分,這通常需要對(duì)納米材料進(jìn)行特異的化學(xué)或生物修飾.腫瘤基質(zhì)細(xì)胞通常過量或特異表達(dá)某些細(xì)胞表面分子和分泌因子,這為納米材料的設(shè)計(jì)提供了廣闊的思路.靶向這些分子可以增加基質(zhì)細(xì)胞對(duì)納米材料的攝入,并減少對(duì)正常細(xì)胞的副作用,這方面的研究已被廣泛報(bào)道.(ⅰ)靶向腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞.血管內(nèi)皮細(xì)胞是腫瘤微環(huán)境的重要組分,一些主動(dòng)靶向腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞的納米材料被廣泛地設(shè)計(jì)及研究.利用連有配體的納米材料靶向并抑制腫瘤新生血管可間接遏制腫瘤的生長(zhǎng)與轉(zhuǎn)移,該項(xiàng)策略具有多種優(yōu)點(diǎn):(1)無須納米材料克服生物屏障到達(dá)腫瘤核心區(qū)域;(2)內(nèi)皮細(xì)胞的遺傳穩(wěn)定性可以降低腫瘤產(chǎn)生耐藥性的風(fēng)險(xiǎn);(3)某些血管內(nèi)皮細(xì)胞的標(biāo)志物也在腫瘤細(xì)胞中表達(dá),靶向腫瘤血管也會(huì)是一種雙管齊下的療法.最近的一些報(bào)道證實(shí),靶向整合素治療的納米材料可載帶化療藥物、核酸及一些復(fù)雜的生物分子來抑制腫瘤的脈管結(jié)構(gòu).早在2002年,Hood等人研究發(fā)現(xiàn),利用靶向整合素αvβ3的納米粒子運(yùn)載一個(gè)突變的Raf基因到腫瘤脈管,可導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞凋亡及腫瘤退化.后來多項(xiàng)研究表明,將載帶化療藥物(阿霉素或紫杉醇)、siRNA、治療性抗體的納米粒子修飾上線型或環(huán)狀RGD的寡肽充當(dāng)配體,對(duì)抑制整合素αvβ3陽性表達(dá)的腫瘤血管及腫瘤細(xì)胞都起到了較好的作用,同時(shí)降低了藥物對(duì)正常組織的毒性,也減少了藥物在體內(nèi)循環(huán)的損失[103~106].同時(shí),一些納米粒子能夠抑制腫瘤轉(zhuǎn)移,說明靶向整合素的治療手段也是納米技術(shù)在抑制腫瘤轉(zhuǎn)移方面非常有前景的設(shè)計(jì)思路.一些納米材料將VEGF/VEGFR作為靶標(biāo)來調(diào)節(jié)腫瘤血管生成,通過靶向VEGFR來抑制VEGF與內(nèi)皮細(xì)胞的結(jié)合,或通過靶向VEGF從而降低VEGF與其受體的結(jié)合,這兩種方法均有較好的效果.血管細(xì)胞黏附分子-1(vascularcelladhesionmolecule-1,VCAM-1)也是重要的血管生成調(diào)控因子它分布于血管內(nèi)皮細(xì)胞表面,在多種腫瘤中(如白血病、肺癌、乳腺癌、黑色素瘤、腎細(xì)胞癌、胃癌和腎胚細(xì)胞瘤)都有高表達(dá),誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞的黏附Gosk等人報(bào)道了連接有VCAM-1抗體的脂質(zhì)體可作用于腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞,使內(nèi)皮細(xì)胞的形態(tài)和功能發(fā)生改變,從而達(dá)到治療的效果.(ⅱ)靶向腫瘤微環(huán)境及腫瘤細(xì)胞的協(xié)同療法腫瘤組織中的一些靶點(diǎn),如整合素αvβ3和膜型基質(zhì)金屬蛋白酶-1(MT1-MMP),不僅在腫瘤細(xì)胞中高表達(dá),也在腫瘤基質(zhì)細(xì)胞中大量表達(dá),盡管該特點(diǎn)曾經(jīng)讓科學(xué)工作者為不能鎖定特定細(xì)胞而困擾,但是越來越多的證據(jù)表明,腫瘤組織的這一特點(diǎn)為共同抑制腫瘤微環(huán)境與腫瘤細(xì)胞提供了機(jī)會(huì).修飾了相應(yīng)配體的納米材料,可以載帶抗腫瘤藥物對(duì)腫瘤微環(huán)境的間質(zhì)細(xì)胞與腫瘤細(xì)胞共同殺傷.修飾兩種或多種配體的納米材料可以同時(shí)對(duì)腫瘤細(xì)胞及間質(zhì)細(xì)胞起到抑制作用,這是協(xié)同治療的另一種思路.Pastorino等人將兩種配體連接到脂質(zhì)體上,一種是可以結(jié)合腫瘤新生血管標(biāo)志物CD13的NGR多肽,另一種則是靶向腫瘤細(xì)胞GD2受體的抗體,同時(shí)在脂質(zhì)體中加載阿霉素實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤血管及腫瘤細(xì)胞的聯(lián)合治療,此法大大延長(zhǎng)了荷瘤小鼠的存活時(shí)間.該研究組還報(bào)道了更簡(jiǎn)單的方法,就是將脂質(zhì)體只修飾NGR肽段,載帶阿霉素對(duì)腫瘤進(jìn)行治療,此法間接地通過摧毀腫瘤內(nèi)皮細(xì)胞而抑制腫瘤,同時(shí)利用存在于微環(huán)境中的化療藥物對(duì)腫瘤細(xì)胞直接殺傷.這種協(xié)同療法可以在很大程度上克服傳統(tǒng)化療藥物的局限.近期Agemy等人設(shè)計(jì)了一種多功能的診療納米粒子,其包含3個(gè)要素:用于MRI診斷的氧化鐵納米粒子(IONPs),可使IONPs進(jìn)入血管內(nèi)皮細(xì)胞線粒體的腫瘤歸巢肽(CGKRK),再將通過作用于線粒體的凋亡肽(D[KLAKLAK]2)連接到CGKRK.這種納米粒子延緩了膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的生長(zhǎng),甚至殺滅了大部分的腫瘤細(xì)胞.此外,該納米粒子與腫瘤穿透肽iRGD共同注射的治療效果得到了進(jìn)一步提高,這可能是因?yàn)閕RGD可以使納米粒子到達(dá)腫瘤細(xì)胞本身,而不僅是腫瘤血管.提高打靶效率,是納米載體在腫瘤治療方面面臨的最大挑戰(zhàn)之一.最近,Li等人報(bào)道了一種利用硅納米粒子載帶阿霉素靶向骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymalstemcell,MSC)的藥物載體,其通過特異的單克隆抗體有效地將納米粒子錨定到MSCs的膜蛋白CD73和CD90,MSCs便可攜帶納米粒子有效地追蹤到神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞,并將載帶的阿霉素作用于腫瘤細(xì)胞,此法提高了靶向效率并延長(zhǎng)了藥物在腫瘤微環(huán)境中的半衰期,從而進(jìn)一步促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞的凋亡.這種利用MSCs的tumor-tropic治療策略將是一種非常有前景的腫瘤協(xié)同療法.4.2半胱氨酸蛋白酶和微量元素指導(dǎo)納米粒子克服生物屏障,到達(dá)腫瘤微環(huán)境進(jìn)而發(fā)揮作用是一個(gè)極大的挑戰(zhàn),前面提到的工作已經(jīng)解決了一定的問題,但這些納米材料都是包載或修飾了某些藥物而發(fā)揮作用的,我們還能通過其他方式使納米粒子到達(dá)腫瘤或是發(fā)揮療效嗎?納米材料本身是否也可以作為腫瘤治療的制劑呢?答案是肯定的.科研人員利用一些納米材料在光、電、磁方面的性質(zhì),將其研發(fā)為腫瘤抑制劑,如在有磁場(chǎng)存在的情況下,IONPs在腫瘤部位富集的情況比不加磁場(chǎng)高9.6倍,Maltzahn等人的策略則是利用納米材料的“智能通信系統(tǒng)”進(jìn)行“信號(hào)應(yīng)答”,這個(gè)系統(tǒng)由“信令”納米材料和“接收”納米材料組成,“信令”納米材料靶向到腫瘤部位,對(duì)“接收”納米材料進(jìn)行召集,這種“通信系統(tǒng)”既可以作為腫瘤定位的手段,也可以利用這種應(yīng)答進(jìn)行腫瘤的治療,由于信號(hào)產(chǎn)生的特異應(yīng)答,治療的效率比無應(yīng)答的系統(tǒng)要高40倍.對(duì)腫瘤微環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié),除利用納米材料自身性質(zhì)外,改善腫瘤微環(huán)境中的間質(zhì)細(xì)胞及非細(xì)胞成分也是一種有效的治療腫瘤的方法.半胱氨酸蛋白酶有助于腫瘤的發(fā)展,可作為腫瘤治療的一個(gè)有效靶點(diǎn),而半胱氨酸蛋白酶多來源于腫瘤微環(huán)境中的間質(zhì)細(xì)胞.Mikhaylov等人近期利用裝載了磁性納米簇的脂質(zhì)體(Ferri-liposome),同時(shí)載帶半胱氨酸蛋白酶的抑制劑,在外加磁場(chǎng)的作用下,將脂質(zhì)體注射到乳腺癌荷瘤小鼠體內(nèi),既使腫瘤體積明顯減小,又抑制了腫瘤侵襲.另一種增加抗腫瘤納米材料功效的策略則是調(diào)節(jié)微環(huán)境中的ECM,這一策略最突出的優(yōu)點(diǎn)是ECM沒有質(zhì)膜包被,因此,納米粒子可以不受限制地到達(dá)這些部位.由于腫瘤的形成和發(fā)展在很大程度上受到ECM結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能改變的影響,而研究表明腫瘤的增殖和分化也可以被胚胎ECM所抑制,因此利用納米材料加載可以調(diào)節(jié)腫瘤ECM物理性能的藥物,很有可能會(huì)抑制腫瘤生長(zhǎng)Kanapathipillai等人最近研究表明,利用PLGA-bPEG納米顆粒連接一種抑制ECM-修飾酶賴氨酰氧化酶(Lysyloxidase,LOX)的抗體,可以使納米顆粒結(jié)合到ECM,對(duì)ECM進(jìn)行調(diào)節(jié),體內(nèi)外試驗(yàn)均顯示乳腺癌細(xì)胞的生長(zhǎng)和侵襲被顯著抑制.此外,這些靶向腫瘤ECM的納米顆粒也可以與造影劑結(jié)合使腫瘤微環(huán)境可視化,這也將為腫瘤治療開辟新的途徑.與此同時(shí),免疫療法在腫瘤治療中也開始顯現(xiàn).近年來,免疫治療作為一種安全有效的腫瘤治療方式被人們廣泛接受.現(xiàn)階段腫瘤