纳米材料的刺激响应策略 治疗研究进展

癌症是导致人类死亡的重要原因之一，化疗仍是治疗癌症的主要方法之一。常规化学药物递送方法具有非特异性生物分布和低选择性的缺点，故体内正常细胞也暴露于化疗药物的毒性作用下，甚至大多情况下，仅有一小部分药物到达肿瘤部位发挥作用[1]。许多化疗药物对心、肺和肾具有长期毒副作用[2]。此外，大多数化疗药物具有水溶性差[3]、稳定性差[4]以及反复接触后产生多药耐药性[5]的特点，进而导致肿瘤的转移和复发。因此，亟待开发新的药物递送系统以克服这些缺点从而提高肿瘤治疗的功效[6]。

鉴于此，纳米技术已被广泛研究并用于癌症的诊断和治疗中，目前已经开发出各种生物相容好、可生物降解的材料，包括嵌段共聚物[7]、脂质体[8]、树枝状大分子[9]、水凝胶[10]、外泌体[11]和蛋白质[12]等，但如何高效靶向肿瘤细胞以及在到达靶向肿瘤部位后控制药物释放是目前存在的一个巨大挑战。

因此，科学家们开发了多种刺激响应性纳米材料，其能够响应肿瘤微环境（TME）或外部触发器中呈现的各种刺激，进而有效靶向并释放运载药物。与传统的聚合物纳米载体相比，刺激响应性纳米材料可以成功降低药物释放剂量频率，将肿瘤细胞部位药物浓度保持更长的时间。本文综述了近年来用于肿瘤治疗的常用刺激响应策略纳米材料以及探讨未来可能的发展方向。

1纳米材料刺激响应性策略

纳米材料的刺激响应性策略是根据设计不同结构、性质的纳米材料，针对不同的条件发生构象变化以释放其包载的药物起到对肿瘤的杀伤作用。主要分为针对体内肿瘤微环境如pH、氧化还原、ROS、酶以及温度等响应和针对外环境条件如光、磁和超声等响应。

1.1内源性刺激响应策略

1.1.1pH响应性策略

肿瘤细胞微环境的pH值（弱酸性，pH6.5~7.2）低于正常组织和血液（pH7.4）且肿瘤细胞内内涵体和溶酶体的pH进一步降低（pH4.0~6.0）[13]。因此，研究人员设计pH响应策略递送药物，在生理pH下稳定，通过感知肿瘤微环境的pH变化发生膨胀、表面电荷反转或化学键断裂等，从而在肿瘤部位特异性释放运载药物，这显著增强了药物治疗效果并降低其不良反应。人们常通过连接pH响应断裂化学键制备纳米聚合物，常用的pH响应键包括2，3-二甲基马来酸酐、苯甲基亚胺键、硫代丙酸酯键、腙键、亚胺键、原酸酯键、缩酮、柠康酸酐、乙缩醛和环乙缩醛等。最近，Liu等[14]设计了一种双pH响应多功能纳米系统，将酸可裂解的腙键与多柔比星（DOX）连接后缀合透明质酸（HA）以合成聚合物前药HA-DOX，随后将PHIS/R848涂覆在纳米芯外部以形成HA-DOX/PHIS/R848纳米颗粒。

在肿瘤微环境pH6.5下，聚乙烯L-组氨酸（poly（L-histidine）,PHIS）电离将其疏水性转变为亲水性，进而触发R848的释放以发挥免疫调节作用，随后在约pH5.5（内切/溶酶体的pH）下HA-DOX中腙键破裂，加速释放DOX以发挥细胞毒性作用。该系统可以在细胞外释放R848并将DOX靶向递送至乳腺癌细胞，从而实现免疫疗法和化学疗法对乳腺癌的协同作用。虽然pH响应性策略可以有效负载药物递送至肿瘤微环境中，但是肿瘤与周围正常组织之间的pH变化不是非常显著，且不同类型的肿瘤可能具有略微不同的pH水平。为了满足靶向肿瘤微环境和细胞内细胞器的各种应用要求，今后还需要设计出更加敏感的多重pH响应聚合物。

1.1.2氧化还原响应性策略

GSH是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽，是生化过程中的主要还原配体[15]。GSH在肿瘤细胞质中最丰富（2~10mmol/L），远高于其细胞外浓度（2~20μmol/L），且肿瘤组织GSH浓度比正常组织高至少4倍[16]。二硫键是氧化还原响应策略最常用的化学键，在体内稳定，进入肿瘤细胞质后被高浓度GSH还原为硫基，使纳米载体构象改变，释放包载的药物[17]。

Ma等[18]将二硫键与亲水性抗癌药物多柔比星（DOX）和疏水性药物紫杉醇（PTX）化学结合。由于其两亲性表征，前药可在微流体纳米沉淀下自组装成纳米颗粒，这种新型前药纳米粒子具有89%的超高药物负载度并在氧化还原条件下释放DOX和PTX。通过评估MDA-MB-231、MDA-MB-231/ADR和MEF细胞系中的细胞活力，观察到前药纳米颗粒能有效杀死癌细胞，并选择性地杀伤MDA-MB-231/ADR。MEF细胞由于缺乏氧化还原条件而幸免。

这证实了前药纳米粒子在血液或健康细胞中没有治疗作用，但可以选择性地杀伤具有氧化还原条件的癌细胞。除二硫键以外、二硒键也是氧化还原响应性化学键且键能更小，敏感度更强。Behroozi等[19]报道了一种基于两亲性三嵌段共聚物的新型可脱壳胶束，其中使用二硒化物作为氧化还原敏感键。二硒键位于亲水-疏水铰链处，通过氧化还原反应使胶束完全塌陷，从而在肿瘤环境中有效释放药物。

该系统能够在小鼠腹膜内注射后延迟肿瘤生长并降低乳腺癌肿瘤模型中的毒性。总之，以上结果表明基于胶束的刺激响应策略非常适合药物递送。尽管人们在氧化还原刺激响应性聚合物纳米载体领域已取得显著成就，但由于复杂的生物环境和肿瘤细胞的异质性，难以实现基于氧化还原分子机制的可控性。

1.1.3ROS响应性策略

ROS是指由人体产生的一类氧衍生化学物质，包括过氧化氢（H2O2），单线态氧（1O2），超氧化物（O2-）和羟基自由基（HO）。ROS可以通过一系列反应从一种形态转变为另一种形态[20]。过量的ROS会增加细胞DNA突变的风险，这与多种癌细胞的进展密切相关[21]。

肿瘤细胞常处于氧化应激状态，释放过多ROS，使其耐药性增加[22]。

ROS响应性策略是使纳米给药系统与肿瘤细胞中的ROS反应，一方面实现肿瘤靶向性，另一方面可降低微环境中ROS水平，达到更好的治疗效果。Li等[23]开发了一种ROS响应性硼酸载体，其具有装载全身血管内皮生长因子（VEGF）siRNA递送的脂质包膜，从而介导siRNA到肿瘤部位下调VEGF，产生显著抗血管生成作用和抑制体内肿瘤生长作用。

Shim等[24]合成了ROS响应性聚氨基硫缩酮（PATK）以实现前列腺癌细胞内高效、安全的基因传递，其在暴露于前列腺癌细胞中的高水平ROS时，DNA/PATK复合物被有效地分解，使细胞中DNA的细胞内释放增强。该研究表明，用癌症靶向肽功能化的ROS响应性PATK是癌症靶向基因递送安全，有效以及有前途的基因载体。

此外，Xu等[25]已成功开发出一种新的ROS响应性和肿瘤穿透性多前体药物纳米平台，用于靶向癌症治疗。包括：(1)可以响应ROS以触发释放完整治疗分子的多前药内核；(2)聚乙二醇（PEG）外壳以延长血液循环；(3)表面编码的内化RGD（iRGD）以增强肿瘤靶向和组织穿透。这些ROS响应性NPs在体外和体内均显示出对肿瘤细胞生长的显著抑制。虽然人们在ROS响应策略领域已经取得了重大进展，但仍有一些关键问题需要解决。首先，材料应该是“无活性的”，因为ROS在健康细胞中是动态平衡的且若ROS水平急剧下降会对身体造成风险[26]。其次，ROS响应性材料的降解速率和动态ROS浓度需要维持一种较好的平衡，这对于及时检测信号分子，按需释放负载药物起着至关重要的作用。