华西医院高祥团队：纳米技术在恶性肿瘤诊断和治疗中的研究进展

2024年8月12日，四川大学附属华西医院高祥团队在期刊《Signal Transduction and Targeted Therapy》上发表了题为“Current advance of nanotechnology in diagnosis and treatment for malignant tumors”的研究论文。本文重点总结了所有类型的纳米药物，及其在治疗各种癌症中的诊断和治疗用途。

https://www.nature.com/articles/s41392-024-01889-y

研究介绍

 01 

癌症是全球主要死因之一，每年新诊断病例的发病率约为1,930万，死亡人数约为1,000万。由于其发病率和死亡率的不断增长，它已成为全球延长预期寿命的最大挑战之一。它迫切需要更具突破性的创新和不断改进的策略，以及更好地理解和利用现有的癌症管理策略。

超过一半的癌症患者使用放射疗法，它是最有效的治疗方式之一；但是，减轻短期和长期的毒性，仍然是一个巨大的挑战。传统化疗由于其固有的特性，如不稳定性、不溶性、耐药性和明显的组织损伤，也面临着巨大的挑战。此外，传统的系统给药，使所有体细胞都处于中毒风险中。然而，有一些方法可以减少副作用并避免化疗的缺点，方法是将药物封闭在一个微小的隔室内，将药物吸收到精心设计的孔隙或培养基中，提供相对稳定的微环境，在仿生膜的帮助下实现体内的积极相互作用，并在运输到所需部位后释放药物。这就是纳米技术正在尝试做的事情。

纳米技术与常规肿瘤治疗的结合，不仅可以增强放化疗药物的性能，还可以降低中毒和其他副作用的发生率。监管机构已授权几种治疗性纳米颗粒（NP）平台，例如脂质体、白蛋白和聚合物胶束，用于癌症治疗。这些NPs可以迅速越过人类的生物屏障，即使是有针对性的方式，并持续释放内容物，以保持药物的适当血药浓度。科学界对在NP内制造新制剂的兴趣日益浓厚，它可以避免传统治疗和纳米技术的缺点，并促进临床前和疗效。

同时，除了纳米药物提供的优势外，未来的挑战也值得一提。纳米医学领域主要有两个未解决的问题。增强渗透性和保留EPR是一种被广泛认可的纳米医学常规，尽管EPR已被证实可以降低不良反应的风险，并增强临床前试验和动物模型中的疗效，但其对患者生存结果的改善有限。

本文阐述了各类纳米药物的形态特征、用途和最新进展，纳米医学在恶性肿瘤中的应用，以及在治疗各种肿瘤的优缺点。团队还讨论了纳米技术在恶性肿瘤中的前景和挑战。

研究进展

 02 

纳米医学在消化系统肿瘤中的应用

纳米技术独特而卓越的性能，可实现多材料负载和诊疗一体化。治疗药物和各种造影剂可以同时封装在纳米颗粒中，实现影像诊断和视觉治疗效果。

Jing等人开发了一种基于细胞外囊泡的纳米探针，该囊泡对肿瘤细胞具有高亲和力。该纳米探针与PET、CT和NIRF成像结合使用，可清晰地可视化原位结肠癌模型，用于引导手术。小鼠肿瘤切除术中的肿瘤位置和边缘，可以通过实时NIRF成像清楚地看到。针对程序化PD-L1和PD-1相互作用对胃癌T细胞诱导的T细胞免疫抵抗，Luo等人将叶酸（FA）和二硫化物（SS）-聚乙二醇（PEG）共轭聚乙烯亚胺（PEI）与超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONs）复合物联合，作为PD-L1 siRNA递送系统，可有效靶向胃癌中的PD-L1，并可作为癌症MRI的T2加权造影剂。

诊断性成像也可以与光疗相结合。Zhang等人制备了两亲性JNP NPs，可同时递送亲水性药物（DOX）和疏水性药物（多西他赛）。纳米颗粒具有独立的PH值和近红外灵敏度，有利于控制药物释放。同时，AuNC和Fe（OH）3纳米材料具有CT/MR成像能力，在近红外激光照射下具有化学光热疗法的效果，可产生多重效应，显著抑制肿瘤生长。Zeng等人设计Au@MSNs ICG，是一种基于NIR响应PTT的MSN，并装载了成像诊断剂吲哚菁绿（ICG）。对于肝癌细胞，NPs具有稳定的荧光、生物相容性和NIR/CT信号。NPs在近红外激光照射下能产生精细的温度响应，有利于肿瘤的精准治疗。Qiu等人开发了一种称为三氧化二砷 （ATO）/PFH NPs@Au-cRGD 的药物递送系统。该系统被设计为纳米超声造影剂，通过铁死亡和PTT，实现超声成像和免疫刺激的协同利用。

纳米医学在癌症诊断和治疗中的应用。CT计算机断层扫描、MRI磁共振成像、PET正电子发射断层扫描、SPECT单光子发射断层扫描、超声、FI荧光成像。（由 Figdraw 绘制）

纳米医学在肺癌中的应用

一些研究表明，siRNA和NPs上携带的化疗药物的联合治疗，在肺癌的临床治疗中具有巨大的潜力。对于肺癌，尤其是晚期非小细胞肺癌，基于化疗或其他策略的单一疗法缺乏足够的疗效。

有丝分裂停滞缺陷-2（Mad2）是一种重要的有丝分裂检查点基因，与有丝分裂过程中染色体的适当分离有显著相关性。因此，通过siRNA沉默Mad2是一种有吸引力的基因疗法。将靶向Mad2的siRNA将Nascimento封装到聚乙二醇化壳聚糖NPs中，然后与EGFR靶向的CS混合以构建靶向NP系统。研究结果表明，通过siRNA减少Mad2的表达可以克服耐药性，增强肺癌细胞对顺铂的反应性，同时引起最小的毒性。Kirsten ras肉瘤病毒癌基因同源物（KRAS）突变在NSCLC中也很常见。p53功能的丧失，可以加速KRAS衍生的肿瘤发生。因此，恢复p53和抑制KRAS致癌基因是可行的治疗策略。Gu等人将顺铂嵌入脂质体中，然后用含有siR-KRAS和miR-34a的多个聚电解质层构建它们。siR-KRAS可以敲低KRAS癌基因，miR-34a刺激p53功能通路，这种多功能的逐层NP在肺肿瘤中表现出优先摄取，提高了顺铂的作用。由于NP对药物释放的控制，治疗时间延长了。肿瘤进展涉及VEGF促进血管生成，VEGF在许多恶性肿瘤中大量存在。siR-VEGF和依托泊苷等抗血管生成药物，有助于抑制肿瘤。然而，抗血管生成单药治疗的疗效，不理想且不足；VEGF siRNA会受到酶降解的影响，而依托泊苷的溶解度很差。为了解决这个问题，Li等人设计了一种由阳离子脂质体组成的多功能NP，用于共同递送VEGF siRNA和依托泊苷，靶向原位NSCLC。这些NPs可以避免药物泄漏并确保足够的浓度，而这种联合疗法已被证明在体外实验中，具有显著的抗肿瘤作用。

最具侵袭性的NSCLC类型是EML4-ALK基因表达突变的NSCLC。因此，EML4-ALK的突变，已成为NSCLC的独特靶点。SiRNA主要用于抑制ALK mRNA。然而，仅仅抑制ALK mRNA是不够的；因此，miR-301a也与肺癌的进展有关，被认为是一个新的靶点。Li等人制备了一种携带ALK siRNA和miRNA-301抑制剂的金纳米壳基体系，该体系还通过静电吸附涂有DOX。这种递送系统显著增加了血管通透性，因此促进了药物在肿瘤中的积累，这取决于其光热效应和致密的球形结构。最重要的是，它表明该方法基于金纳米壳，具有作为siRNA、microRNA和药物联合靶向治疗的高效平台的潜力。

染料木黄酮天然存在于大豆中，已被证明可以提高某些化疗药物的抗癌作用。MiRNA-29b可以抑制肿瘤细胞的抗凋亡防御或刺激肿瘤细胞凋亡。为了评估染料木黄酮和miRNA-29b联合治疗NSCLC的治疗效果，Sacko等人用MUC 1-适配体构建了染料木黄酮-miRNA-29b负载的功能化杂交NPs（GMLHN）。他们发现，与染料木黄酮或miRNA-29b的单一疗法相比，GMLHN在抑制肿瘤组织增殖方面的作用更好，并且可能的毒性更低。由于染料木黄酮和miRNA通过不同的机制作用于不同的靶点，因此它们基于NPs的组合可以有效下调癌蛋白，如磷酸化蛋白激酶、髓系细胞白血病序列1、磷酸化磷酸肌醇3-激酶等。

使用光敏剂和激光照射产生ROS，使光动力疗法（PDT）成为治疗肿瘤疾病的创新方法。为了获得更好的治疗，有必要将PDT和ROS反应性化疗相结合。Yue等人开发了具有良好生物相容性的NP Ce6-CPT-UCNPs。研究人员已经证实，当暴露于980nm激光辐射时，该纳米颗粒能够产生活性氧（ROS）并释放抗癌药物CPT。Ce6-CPT-UCNPs在原位肺荷瘤小鼠模型和980 nm激光照射后，在原位肺荷瘤小鼠模型和皮下肺癌模型中，均有效积累并抑制了癌症的生长。即使在50天后，肿瘤复发和转移仍未出现。Xia等人设计了基于金纳米团簇的Ce6-DOX-GNCs-MMP2多肽NPs（CDGM NPs）用于成像和联合治疗。他们制备了一种复合物，将光敏剂氯Ce6、化学药物DOX和MMP2多肽的靶向效应，递送至A549细胞中。该颗粒表现出精细的结合效应，可能是肺癌治疗的潜在有效纳米探针。Zhong等人报道了一种新颖且富有创意的NaCeF4：Gd，Tb闪烁体。在该领域，由于光催化活性，铈（Ce）负责ROS的产生，并且还起到敏化剂的作用，帮助Tb离子通过X射线照射释放荧光。此外，Ce离子和Tb离子都可以吸收X射线下二次电子的能量，产生ROS，用于无线电动力学治疗。通过吸收X射线，纳米材料可以帮助CT成像和放射治疗增敏。不仅如此，由于Ce、Gd和Tb离子的重原子，局部辐射剂量沉积在体外也明显增强。在A549小鼠模型中，联合治疗的抗癌效率高于单独放疗。他们的工作主要采用ScNPs来引导多模态成像进入深部肿瘤，这对于进一步的研究和临床应用具有相当大的意义。在肺癌复发转移的情况下，将免疫疗法与光动力疗法相结合，可能是一种相当大的途径。Song等人创造性地设计了PplX-1MT纳米材料，其中可能包括光敏剂PpIX和免疫检查点抑制剂1MT。当受到630nm光的刺激时，纳米材料通过产生ROS诱导癌细胞凋亡，并通过释放1MT来增强免疫系统。它们能够促进CD8 T细胞的活化，显示出更好的治疗效果。

对于早期肺癌，主要的检测方法是螺旋CT。在肺癌的治疗中，近红外荧光（NIRF）成像有助于更好的诊断和治疗，它可以提供高对比度的图像。NIRF分子也可以在手术中用作造影剂，因为它们可以实时明确区分肿瘤区域和正常段。然而，NIRF分子通常会在血液中停留很短的时间。On等人合成了用荧光基团修饰的乙二醇壳聚糖纳米颗粒（CNPs）。这些NPs能够有效地聚集在肿瘤区域。利用纳米材料发出的NIRF信号，在小鼠和兔VX2肺癌模型中准确定位肿瘤。同时，CNPs被用作成像造影剂，用于在图像引导下进行手术。因此，CNPs可用于肿瘤的诊断和治疗。

临床试验中的抗肿瘤纳米药物

研究结论

 03 

前景

纳米医学是一个发展迅速的新兴领域，被认为是解决癌症诊断和治疗问题的一种有前途的策略。癌细胞，尤其是实体瘤的癌细胞，往往高度表达一些受体或配体，用于细胞间物质的运输和识别。科学家可以在了解肿瘤的内在生物学特性的基础上，设计出相应的靶向策略。专为靶向肿瘤细胞而设计的纳米粒子，可以精确检测体内的恶性肿瘤，从而促进癌症的早期诊断和准确定位。这为医疗保健从业者提供了更准确的数据，有助于制定定制的治疗计划，并允许实施综合诊断和治疗策略。纳米技术的卓越性能，使多种材料的负载以及诊断和治疗的集成成为可能。治疗药物和造影剂都可以同时封装在纳米颗粒中，以达到成像、诊断和视觉治疗的效果。

随着材料科学和计算技术的发展，用于装载靶向药物的纳米载体也层出不穷，以满足小分子化疗药物、基因和抗体等的输送需求。纳米复合物可以达到长循环，并以积极或被动的方式到达肿瘤部位。通过将药物载体与纳米颗粒整合，可以实现药物准确输送到肿瘤部位，提高药物的局部浓度，并最大限度地减少对健康组织的不利影响。癌症通常具有特定的肿瘤微环境，这些微环境会在生物标志物上产生明显的变异，这可以作为促进纳米载体到达肿瘤病灶时，药物释放的触发因素。精密的设计，通常可以实现受控的药物释放动力学，以支持在目标时间和位置进行精确肿瘤治疗的需求。纳米技术还可以用于光热疗法和免疫疗法，通过使用纳米材料对肿瘤细胞进行热处理或刺激免疫系统，以消除恶性细胞。

在临床治疗过程中，应始终考虑肿瘤的异质性。同时，也应重视纳米材料在体内进行药代动力学和毒理学分析的必要性，进一步优化药代动力学效应，强化治疗效果。然而，临床方法通常在结合治疗和诊断时表现出滞后效应，这可能导致药物过量和意想不到的不必要影响。药物在体内的实时分布，在静脉给药时也很难监测。在某种程度上，基于纳米技术的载体正在成为以时空节奏方式，提供治疗信息的有前途的策略。

挑战

人们普遍认为，肿瘤微环境（TME）是纳米医学治疗令人失望的结果的原因。包括恶性细胞、肿瘤相关成纤维细胞（CAFs或TAFs）、某些种类的免疫细胞和基质（血管和血管外基质），在癌症的耐药性中起着不可或缺的作用。

尽管纳米药物的主动靶向，在癌症中显示出巨大的潜力，但纳米药物的临床应用仍然不紧不慢。首先，由于临床前和临床研究中的安全性问题，新兴纳米药物的批准率不足10%，生物安全性问题越来越受到关注。

其次，难以找到真正代表人类状况的合适的临床前研究模型，以及缺乏经过验证的纳米颗粒表征分析方法，也是阻碍纳米药物发展的重要因素。

纳米医学的临床转化应始终被视为最终目标。这要求科学家们认真调整原材料、尺寸、表面性能、设计中的电荷、药物负载/封装效率、药物分布以及应用过程中载体的代谢和排泄。在临床转化阶段，纳米药物面临着各种挑战，特别是与药代动力学模型的建立、纳米药物的配方，以及其生物学特性的评估有关的挑战。合理设计纳米药物的理化性质，对于纳米药物免疫逃避、肿瘤外渗和扩散、细胞靶向和内化，以及治疗药物的控释至关重要。生物相容性，目前被认为是临床转化的瓶颈之一。大多数基于纳米技术的药物递送系统，可以在细胞和动物模型中取得良好的结果；然而，由于人体与动物模型有很大差异，临床II-IV试验仍然面临更多挑战。

参考资料：

1.Siegel, R. L., Miller, K. D., Wagle, N. S. & Jemal, A. Cancer statistics, 2023. CA-Cancer J. Clin. 73, 17–48 (2023).

2.Sung, H. et al. Global cancer statistics 2020: GLOBOCAN estimates of incidence and mortality worldwide for 36 cancers in 185 countries. CA-Cancer J. Clin. 71, 209–249 (2021).