李 帅 徐文涵 李晓东 刘 冲 何金瞳 何泽宇 李天琪 张燕燕 邵海波

纳米材料一般指结构单元的尺寸在1～100nm间的物质。因其特殊的尺寸，纳米材料具有不同于一般材料的热学、生物学、电磁学性能，例如表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等。近年来，纳米材料在生命科学中的应用逐渐成为研究的热点[1～3]。研究者发现许多纳米材料(如金属以及金属氧化物纳米颗粒等)具有独特的抗肿瘤特性，这一特性使得纳米材料在肿瘤治疗领域具有广泛的应用前景。并且，基于纳米材料本身的理化特性，也使得其在肿瘤治疗领域具有极高的应用潜力。例如，最近邵海波等成功地运用负载多柔比星(doxorubicin,DOX)的中空片层二硫化钼纳米材料治疗小鼠肝癌模型，在取得良好疗效的同时，有效抑制了肿瘤的复发，具有重大的临床意义[1]。另外，在许多动物实验中均观察到纳米材料的确在肿瘤的热消融治疗中起到增敏作用[4～6]。纳米材料作用于肿瘤的机制复杂多样，许多研究人员都在这一问题上进行积极的研究探索，本文通过复习相关文献，将从纳米材料自身抗肿瘤的机制与基于纳米材料理化特性用于肿瘤治疗的研究两方面综述纳米材料用于肿瘤治疗的研究进展，现报道如下。

一、纳米材料自身抗肿瘤的机制

1.诱导肿瘤细胞凋亡：某些纳米材料，如纳米氧化铜颗粒，通过吖啶橙与碘化丙啶双染色实验证实其确实可以诱导人类红白血病细胞凋亡。并且在接受纳米氧化铜处理之后的肝癌细胞，Bax/Bcl-2比率增加，因此表明线粒体介导的细胞凋亡途径参与其中[7～11]。还有一些纳米材料，例如纳米氧化锌颗粒、纳米氧化镍颗粒等可以通过增加细胞内活性氧(ROS)水平，产生氧化应激，由于肿瘤细胞缺少正常细胞所具有的抗氧化酶类，因此导致细胞凋亡[8，9，12，13]。三氧化二砷是具有显著抗肿瘤特性的药物，特别是对于血液系统恶性肿瘤。研究发现，三氧化二砷纳米颗粒通过使赖氨酸14残基上的组蛋白H3乙酰化以及丝氨酸10残基上的H3磷酸化，从而激活P21基因，并因此导致细胞凋亡[10]。

2.诱导肿瘤细胞自噬：自噬是目前生命科学研究最为关注的热点领域之一。自噬与肿瘤的发生发展亦有着密切而复杂的联系。一方面，自噬可以增强肿瘤细胞对不良环境的耐受(组织缺氧、酸中毒等)；另一方面，自噬可以消除损坏的蛋白和细胞器，因此避免了基因组损伤，从而抑制肿瘤的发生。目前认为，在肿瘤发生的过程中，自噬还是主要起到抑制肿瘤细胞的发生和恶化的作用。许多纳米材料均已被证实具有诱导肿瘤细胞自噬的功能[14]。透射电镜观察自噬泡的形成是检测自噬的金标准。中国科学技术大学的研究人员在经过纳米氧化锰颗粒处理18h的HeLa细胞中发现了自噬泡[15]。LC3-Ⅱ蛋白水平是检测自噬的常用手段。张力等发现，经过纳米氧化锰颗粒处理过的HeLa细胞LC3-Ⅱ明显增多，并且研究人员将纳米氧化锰材料作用于经过同源重组敲除内源性p53表达的HCT116细胞，仍然可以观察到LC3-Ⅱ的积累，由此可以看到，纳米氧化锰材料引起的细胞自噬是非依赖p53转录激活途径的。以上研究足以表明，纳米氧化锰颗粒能够引起肿瘤细胞自噬[15]。还有研究人员报道，经过纳米银颗粒处理的B16细胞，在电镜下亦观察到自噬泡。并且，研究者发现，通过运用PtdIns3K通路抑制剂wortmannnin可以抑制纳米银引起的LC3-Ⅱ转换，由此证明了纳米银是通过PtdIns3K通路来促进自噬的发生[16]。

3.影响肿瘤微环境：肿瘤微环境主要是指肿瘤在其发生、发展过程中所处的内环境，由肿瘤细胞、微血管、间质细胞、组织液以及浸润细胞等共同组成。肿瘤微环境与肿瘤的生长、侵袭、转移、耐药等过程均有密切联系。由于肿瘤自身特殊的生物学特性，造成了其微环境具有缺氧、酸中毒、免疫炎性反应等特征[17]。例如，肿瘤局部组织缺氧不仅促进了肿瘤的侵袭性，还增加了肿瘤的抗药性，并且在这些乏氧区域会富集大量的肿瘤相关巨噬细胞。Song等合成了透明质酸二氧化锰纳米颗粒，这种纳米颗粒所携带的透明质酸可以使肿瘤相关巨噬细胞表型发生转化，即使肿瘤相关巨噬细胞M2型转化为M1型，在此过程中会释放出大量的双氧水，双氧水本身会对肿瘤具有杀伤作用，并且会与二氧化锰反应，释放出氧，缓解了肿瘤局部的缺氧状态，改善肿瘤局部酸中毒，在一定程度上抑制了肿瘤的侵袭性，并因此显著提高了肿瘤化疗的有效性[18]。肿瘤相关成纤维细胞(TAFs)是与肿瘤微环境密切相关的细胞之一，TAFs不仅可以促进肿瘤的生长与转移，还会通过分泌生长诱导因子和生长因子来介导肿瘤细胞的耐药性。研究发现，顺铂纳米微粒可以导致TAFs的迅速死亡，阻断基质因子的分泌，扰乱成纤维细胞与肿瘤细胞间的联系，从而抑制肿瘤生长[19]。

4.肿瘤特异性细胞毒性：纳米材料的肿瘤特异性细胞毒性是其具有广阔研究空间的特性之一。超顺磁性氧化铁纳米颗粒(SPIONs)就是具有肿瘤特异性细胞毒性的纳米材料。最近有研究发现，分别用SPIONs处理过的HepG2细胞与正常组织细胞，癌细胞的ATP生成水平明显下降，而正常组织细胞ATP生成水平并未受到影响。并且，经过SPIONs处理的癌细胞线粒体膜电位降低，而经过SPIONs处理的正常组织细胞线粒体膜电位并未发现明显改变。这表明，SPIONs可以引起肿瘤细胞线粒体功能障碍，而不会影响正常的组织细胞。进一步研究显示，由于肿瘤细胞较正常组织细胞缺少相应的抗氧化能力，因而更容易受到纳米材料的“攻击”。通过DNA微阵列和基因本体分析表明，SPIONs可以降低肿瘤细胞中线粒体电子传递链基因的表达，因此抑制了肿瘤细胞中线粒体电子传递链的功能，进而影响ATP的生成、线粒体的膜电位与钙离子的微观分布，最终杀伤肿瘤细胞[20]。

5.影响肿瘤血管生成：肿瘤的血管生成属于病理性血管生成，并且该过程与肿瘤的生长、转移紧密相关。Baharara等[21]在鸡胚尿囊绒膜试验中发现，纳米银颗粒具有明显的抗血管生成作用。血管内皮生长因子(VEGF)被普遍认为是最重要的促血管生成因子，尤其是血管内皮生长因子165在血管生成中起着至关重要的作用。Pan等[22]研究发现，纳米金颗粒可以显著地减少VEGF165所诱导的Akt磷酸化。纳米金颗粒在与VEGF165的肝素结合区域高亲和力结合之后，阻止了VEGF165与血管内皮生长因子受体2的相互作用，进而抑制Akt信号转导通路来抑制VEGF165所诱导的人脐静脉血管内皮细胞迁移以及血管形成。因此，纳米金颗粒对VEGF165起到了灭活作用。此外，Kalishwaralal等[23]研究表明，VEGF所诱导的血管生成中，Src家族酪氨酸激酶起到重要作用，并且，在人的乳腺癌、结肠癌和胰腺癌中，Src蛋白水平、Src激酶活性都显著提高。纳米金颗粒可以显著地抑制VEGF所诱导的Src磷酸化，因此抑制了下游的信号转导通路，起到抑制血管生成的作用。

二、基于纳米材料理化特性用于肿瘤治疗的研究

1.对肿瘤的被动靶向作用：癌症组织的血管组织学特性有别于正常组织，癌症组织血管结构紊乱，内皮细胞间距较大，基膜不连续甚至缺损，目前认为这种现象可能是由于癌症组织血管内皮生长因子和血管抑制因子失衡，使得癌症组织血管不停地生长、重塑而导致其畸形。血液中的纳米材料可以通过这些宽松的内皮细胞间隙滞留在肿瘤组织中，即被动靶向作用，这一作用为肿瘤的精确化靶向治疗提供了新的思路[24]。通过赋予纳米材料不同功能，使其在肿瘤组织中聚集后，可以实现局部化疗、光热治疗、微波热疗增敏等功能。

2.用于肿瘤的局部化疗：纳米材料具有丰富的立体结构，如中空结构、片层结构、海绵结构等。这些立体机构赋予了纳米材料具有极大的负载化疗药物的能力。比如纳米二氧化锆，其表面同时具有酸性和碱性，也同时拥有氧化性和还原性，它属于p型半导体，易于产生氧空穴，这使得纳米二氧化锆可以有效地搭载化疗药物。Long等[25]利用修饰角蛋白的壳层二氧化锆纳米材料负载阿霉素，当该纳米材料到达肿瘤部位后，肿瘤组织的酸性环境以及谷胱甘肽会作用于二氧化钛外部的角蛋白，从而使阿霉素得以释放，实现了化疗药物的可控释放。二硫化钼纳米材料的片层状折叠结构使其具有很大的表面积，利用其内在的裂隙结构，也可以实现大容量载药的目的。刘庄等利用二硫化钼纳米片层负载阿霉素用于小鼠肿瘤的光热治疗与靶向化疗，得到了很好的疗效。

3.用于肿瘤的光热消融：光热消融主要是指利用具有较高光热转换效率的材料，使其在肿瘤部位聚集后，经外部光源照射，产生热量从而对肿瘤进行热消融。光热消融是继射频消融、微波消融等之后又一备受关注的研究领域。很多纳米材料，比如纳米金，具有高效光热转换的性能，即在特定波长的近红外激光的激发下，通过表面等离子体共振，产生足以使肿瘤细胞坏死的热量来杀伤肿瘤细胞[4]。谭龙飞等利用中空片层二硫化钼纳米材料用于兔子肝脏肿瘤的光热治疗，取得了良好的效果。肿瘤热消融治疗所面临的最主要问题就是肿瘤的局部复发。这主要由于传统的热消融手段不可避免地具有热传导的非专属性与不均一性及瘤内异质性。笔者将负载多柔比星的300nm中空片层二硫化钼纳米材料用于小鼠肝癌模型的光热消融与靶向化疗。由于光热消融是通过散布在肿瘤组织的光热材料产热而达到消融目的，因此，光热消融能够显著提高热消融的专属性与均一性。此外，由于肿瘤组织三羧酸循环障碍，使得肿瘤组织主要依赖无氧呼吸，并由此造成大量乳酸堆积，使得肿瘤组织呈酸性环境。在肿瘤组织的酸性环境下，多柔比星分子的氨基发生质子化，使其亲水性增加，从而更易从纳米材料中释放，达到靶向化疗的目的。通过热消融与靶向化疗的协同治疗，成功打破了瘤内异质性这一治疗壁垒，有效地抑制了肿瘤的局部复发，具有极大的临床意义[1]。

4.用于肿瘤的微波动力学治疗：肿瘤的微波动力学治疗是我国学者率先发现并提出的。众所周知，光动力治疗是基态光敏剂在一定波长光的辐照下，成为三重激发态光敏剂，其经过一型反应生成活性氧物质，经过二型反应生成单线态氧，两者均可杀伤肿瘤细胞。孟宪伟等率先发现锰锆金属有机框架纳米材料(Mn-doped zirconium metal-organic framework nanocubes)在微波的辐照下，能够产生活性氧物质(羟基自由基)，这一发现开辟了肿瘤微波动力治疗学的全新领域，具有里程碑式的意义，并且通过体内外实验证明，微波动力学用于肿瘤治疗具有理想的疗效。

随着研究的不断探索，纳米材料与纳米技术在肿瘤治疗领域已显示出巨大的发展空间和良好的应用前景。相信在精准医学到来的时代，纳米医学一定会在肿瘤治疗领域书写全新的篇章。