李博，劉錦，楊童，周倩

(1.廣東藥科大學中醫(yī)藥研究院，廣州 510006； 2.暨南大學生命科學學院，廣州 510632)

臨床上，手術(shù)、放療、化療等傳統(tǒng)癌癥治療手段通常具有不良反應，且易誘發(fā)腫瘤耐藥、遠端轉(zhuǎn)移及術(shù)后復發(fā)，療效有限。近年發(fā)現(xiàn)，腫瘤微環(huán)境(tumor microenvironment，TME)廣泛參與癌癥的發(fā)生和演變進程[1]。TME往往具有缺氧、弱酸性以及高水平的過氧化氫(hydrogen peroxide，H2O2)及谷胱甘肽等獨有特征，在維持腫瘤增殖、能量代謝、藥物耐受及細胞侵襲中發(fā)揮關(guān)鍵作用[2]。因此，阻礙或破壞TME穩(wěn)態(tài)能夠有效殺滅癌細胞。

研究發(fā)現(xiàn)，一氧化氮(nitric oxide，NO)、氫氣(hydrogen，H2)、一氧化碳(carbon monoxide，CO)、氧氣、硫化氫(hydrogen sulfide，H2S)及二氧化硫(sulfur dioxide，SO2)等氣體分子對癌癥演進具有調(diào)控作用[3]。調(diào)節(jié)TME中相應氣體濃度能夠影響癌細胞沃伯格效應，進而抑制其增殖并加速凋亡進程，而正常細胞的活性及生理功能不受影響[4]。同時，氣體在體內(nèi)無殘留風險，有望成為一種安全有效的癌癥“綠色”療法[5]。

現(xiàn)階段，臨床主要通過吸入式進行氣體治療，易誘發(fā)機體中毒且難以實現(xiàn)病灶區(qū)域的按需氣體釋放，嚴重制約其應用范圍[6]。近年來，納米技術(shù)的飛速發(fā)展為氣體體內(nèi)精準遞送與控釋奠定了基礎，也為未來精準氣體治療提供了新的視角[7-8]。現(xiàn)就納米氣體在癌癥治療中的應用予以綜述，以期為氣體療法的臨床轉(zhuǎn)化應用提供思路。

1 NO納米體系用于腫瘤治療

NO是首個被發(fā)現(xiàn)的具有生化信號功能的氣體分子，也是已知最簡單的生物活性分子，其廣泛參與心血管系統(tǒng)的生理調(diào)控活動[9]。NO在癌癥進展中起雙重作用，低濃度NO可促進腫瘤生長，而高濃度NO具有抗腫瘤作用[10]。NO供體分子存在水溶性差、穩(wěn)定性低、半衰期短及毒副作用大等缺點，故無法實現(xiàn)腫瘤區(qū)域NO的富集及精準控釋。將NO供體分子與多功能納米體系結(jié)合并進行靶向修飾，可借助納米材料彌補NO供體分子的缺陷，提高治療效果。

1.1內(nèi)源響應NO控釋納米體系 利用TME實現(xiàn)NO特異性響應釋放是近年研究熱點之一。Jia等[11]將NO前藥NPQ負載到有機硅殼保護的納米膠束中，構(gòu)建了具有氧化還原/酶雙重響應釋放NO的新型納米材料QM-NPQ@PDHNs，該系統(tǒng)能避免NO在體內(nèi)循環(huán)中提前釋放，促進NO在腫瘤病灶富集，并降低正常組織中NO的濃度；其在腫瘤區(qū)域富集后能夠響應TME中高表達的谷胱甘肽和谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶，從而實現(xiàn)腫瘤病灶NO的富集及特異性釋放，達到高效、精準氣體治療的目的。前期研究發(fā)現(xiàn)，L-精氨酸(L-Arg)能夠被一氧化氮合酶或活性氧類(reactive oxide species，ROS)氧化誘導生成NO[12]?；诖?，F(xiàn)an等[13]將葡萄糖氧化酶和L-Arg共載到介孔氧化硅納米結(jié)構(gòu)上，得到功能納米體系L-Arg-HMON-葡萄糖氧化酶，其不僅能將腫瘤區(qū)域的葡萄糖轉(zhuǎn)化為H2O2，切斷腫瘤能量來源，同時其產(chǎn)物及TME中的H2O2能快速氧化L-Arg產(chǎn)生大量NO，從而增強腫瘤“類饑餓/NO氣體”的協(xié)同療效。Cao等[14]利用富含Arg的聚ε-己內(nèi)酯共載β-拉帕酮和二茂鐵(Fc)形成表面帶負電的pH敏感親水性二嵌段聚合物修飾的P-lapa-Fc納米結(jié)構(gòu)；其在腫瘤區(qū)域富集后可依靠TME弱酸環(huán)境觸發(fā)內(nèi)化進入癌細胞，隨后β-拉帕酮被細胞內(nèi)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸分解產(chǎn)生大量H2O2，F(xiàn)c利用H2O2產(chǎn)生高活性羥基自由基(·OH)殺傷癌細胞；同時，H2O2也能氧化L-Arg產(chǎn)生NO，隨后NO繼續(xù)被H2O2氧化生成毒性更強的過氧亞硝酸根陰離子(ONOO-)，協(xié)同NO和·OH殺滅癌細胞，這為利用TME實現(xiàn)NO精準控釋及增強氣體協(xié)同抗腫瘤療效提供了新思路。

1.2外源響應NO控釋納米體系 開發(fā)響應外源刺激的NO納米發(fā)生器也是近年的研究熱點。Diring等[15]采用NO光響應供體分子構(gòu)建了多孔配位聚合物，實現(xiàn)了NO的精準光控釋放，將上述聚合物嵌入生物基質(zhì)后與細胞共孵育，實現(xiàn)細胞微環(huán)境中NO含量的按需調(diào)節(jié)。除直接利用外源光觸發(fā)光響應供體釋放NO外，還可通過納米材料實現(xiàn)光/熱、光/電、光/化學等能量轉(zhuǎn)移，進而激發(fā)不同類型供體釋放NO。Guo等[16]將熱敏性NO供體分子(S-nitrosothiols，SNO)整合入具有光熱轉(zhuǎn)換能力的納米平臺Fe3O4@polydopamine@MSN，在808 nm近紅外光下，上述納米結(jié)構(gòu)通過材料的熱轉(zhuǎn)換激活NO釋放。Wan等[17]將L-Arg負載到癌細胞膜修飾的卟啉金屬框架納米結(jié)構(gòu)中，得到L-Arg@PCN@Mem，該結(jié)構(gòu)在近紅外光輻照下產(chǎn)生ROS，并進一步將L-Arg氧化為NO，從而實現(xiàn)針對癌癥的混合氣體治療。X線是臨床常用的腫瘤診療手段，F(xiàn)an等[18]將響應X線刺激的SNO偶聯(lián)到介孔二氧化硅得到功能納米結(jié)構(gòu)PEG-USMSs-SNO；其富集到腫瘤部位后，SNO的SN鍵被X線破壞而釋放NO；基于X線的穿透性，該體系有望實現(xiàn)針對深層腫瘤的X線放射及NO聯(lián)合治療。Dou等[19]將SNO與光敏劑吲哚菁綠共載入摻雜有銪離子(Eu3+)的NaGdF4納米平臺中，該納米結(jié)構(gòu)在腫瘤富集能顯著提升局部放射劑量，同時X線輻照能激活吲哚菁綠產(chǎn)生ROS，并破壞SNO釋放NO，增強放療和光動力療法(photodynamic therapy，PDT)的療效。腫瘤的聲動力療法因極佳的超聲穿透性及生物安全性而備受關(guān)注[20]。然而，僅依賴聲動力療法往往無法取得預期療效，需要與其他治療方式聯(lián)合應用[21]。An等[22]將GSNO和光敏劑二氫卟吩e6一起封裝入沸石咪唑酯骨架(zeolitic imidazolate framework-8，ZIF-8)納米顆粒，并在其表面包被癌細胞膜得到GCZ@M；靶向富集到腫瘤部位的GCZ@M能在超聲及TME弱酸觸發(fā)下持續(xù)釋放NO，隨后NO被二氫卟吩e6啟動的光動力過程進一步氧化為高毒性的ONOO-，從而增強聲動力療法及PDT的療效。

2 H2納米體系用于腫瘤治療

在早期研究中，H2被認為是一種惰性氣體分子，不參與機體生理功能活動。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，H2可穿透生物膜并進入線粒體、細胞核等細胞器，選擇性地與胞質(zhì)中的·OH和ONOO-相互作用并將其清除，而不影響體內(nèi)其他的ROS途徑[23]。這些特點使H2成為治療多種疾病的潛在有效策略[24]。

2.1內(nèi)源響應H2控釋納米體系 基于TME的特質(zhì)，Yang等[25]構(gòu)建了負載氨硼烷的介孔二氧化硅納米材料氨硼烷@MSN，該結(jié)構(gòu)H2負載率高達130.6 mg/g，TME弱酸環(huán)境觸發(fā)腫瘤區(qū)域富集的氨硼烷@MSN持續(xù)釋放H2(>2 d)，在體內(nèi)外實驗中，氨硼烷@MSN表現(xiàn)出高特異性抗癌活性，這為基于H2抗癌療法的研究提供了新方向。進一步利用超聲輔助化學刻蝕法合成二維鎂硼化物納米片，其對胃酸高度敏感，通過在胃部持續(xù)釋放H2治療胃癌；用聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone，PVP)將鎂硼化物納米片和阿霉素封裝后靜脈注射，能顯著增強化療與H2療法的協(xié)同療效[26]。盡管響應內(nèi)源刺激實現(xiàn)H2體內(nèi)控釋的研究取得了一定成果，但由于內(nèi)源刺激條件不穩(wěn)定，病灶區(qū)域的H2持續(xù)釋放仍面臨一定挑戰(zhàn)，目前開發(fā)響應外源控釋H2的納米體系也是研究的熱點。

2.2外源響應H2控釋納米體系 除了響應TME的控釋體系，外源刺激響應的H2控釋納米體系也同樣引起廣泛關(guān)注。Zhao等[27]率先設計開發(fā)了一種新型氫化鈀納米晶體PdH0.2，利用Pd的近紅外光吸收特質(zhì)及對氫的高束縛能力，實現(xiàn)氫分子在腫瘤部位的有效富集及近紅外光光控釋放。Chen等[28]將Pd修飾到卟啉金屬有機框架后，通過Pd負載氫氣得到多功能納米平臺PCN-224@Pd/H2，其能在660 nm激光輻照下產(chǎn)生PDT效果，并可持續(xù)釋放H2，從而達到H2/PDT協(xié)同抗癌效果。Wang等[29]設計了以NaGdF4:Yb和Tm/g-C3N4/Cu3P復合材料為核，表面包被葉酸改性的ZIF-8外殼的功能納米結(jié)構(gòu)，其能靶向富集到腫瘤區(qū)域，隨后外殼ZIF-8在TME酸性條件下崩塌，其內(nèi)核暴露在980 nm激光輻照實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生ROS，同時將TME中的H2O分解為H2，其自身Cu2+則形成芬頓反應增強對腫瘤的殺傷效果；該納米體系實現(xiàn)了激光輻照下的H2/光熱/PDT/化學動力學聯(lián)合治療，為探索開發(fā)新的癌癥治療模式提供了思路和借鑒。盡管H2展現(xiàn)出明顯的抗腫瘤功效，但其潛在調(diào)控機制尚未闡明，納米載氫體系在體內(nèi)的儲氫及控釋能力仍需進一步研究。

3 CO納米體系用于腫瘤治療

生物體內(nèi)的CO由血紅素加氧酶催化降解血紅素時產(chǎn)生，其在機體正常生理活動中發(fā)揮信號遞質(zhì)的作用，具有抗炎和細胞保護功效。高濃度CO可有效殺死癌細胞，表現(xiàn)出顯著的抗癌功效，被認為是一種有效的氣體治療分子[30]。然而，由于血紅蛋白與CO的親和力較氧氣更高，擴散至血液中的CO與血紅蛋白競爭性結(jié)合，使血紅蛋白攜氧量降低，導致機體缺氧損傷甚至死亡[31]。現(xiàn)階段CO治療主要依賴氣體供體分子實現(xiàn)，但面臨供體分子溶解性差及不可控釋放導致的潛在毒性等問題，迫切需要開發(fā)新的體系，以實現(xiàn)病灶區(qū)域CO的精準遞送與控釋。

3.1內(nèi)源響應CO控釋納米體系 Wang等[32]率先通過“點擊-釋放”策略合成了CO供體分子，其能在生理條件下釋放CO；為進一步實現(xiàn)TME響應的CO控釋，該團隊設計了若干pH響應的CO供體分子(BW-CO-201-205)，其能在胃腸道(pH>5)等環(huán)境下實現(xiàn)CO控釋[33]。錳基材料在TME響應領域具有明顯特質(zhì)，Jin等[34]將疏水性羰基錳(MnCO)負載到中空介孔SiO2納米顆粒中得到MnCO@hMSN，其在腫瘤區(qū)域富集后能被TME中富含的H2O2觸發(fā)釋放CO殺傷癌細胞，但其對正常組織細胞幾乎沒有毒性。Gao等[35]設計合成了水溶性的六羰基二鐵有機金屬復合物TG-FeCORM，并證實該結(jié)構(gòu)能夠被TME中的谷胱甘肽觸發(fā)，進而實現(xiàn)CO的定點釋放。Wang等[36]將葡萄糖氧化酶和CO供體分子Mn2(CO)10共封裝入聚乳酸乙醇酸，并用紅細胞包被其表面得到仿生氣體發(fā)生器MGP@RBC；其富集到腫瘤后，葡萄糖氧化酶能夠持續(xù)消耗內(nèi)源性葡萄糖并將其轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O2，后者將觸發(fā)Mn2(CO)10持續(xù)釋放CO，進而誘發(fā)線粒體功能障礙，殺滅癌細胞；該體系實現(xiàn)了TME響應的饑餓/CO協(xié)同療效，在腫瘤能量代謝及氣體療法中具有廣闊的應用前景。

3.2外源響應CO控釋納米體系 受自然界CO2捕獲和轉(zhuǎn)換機制的啟發(fā)，Zheng等[37]構(gòu)建了Ag3PO4摻雜的碳納米點修飾C3N4納米(AgCCN)，并用組氨酸對其功能化修飾得到光催化納米體系(HisAgCCN)；該結(jié)構(gòu)在630 nm激光輻照下能夠?qū)?nèi)源性的CO2轉(zhuǎn)變?yōu)镃O，從而顯著增強阿霉素的療效。Wu等[38]將MnCO與介孔聚多巴胺耦連得到功能納米材料(MnCO@MPDA NPs)，該系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率較高，且能響應TME產(chǎn)生CO，展現(xiàn)出高選擇性的CO/光熱聯(lián)合抗癌效果。Zheng等[39]將MnCO負載到中空介孔硫化銅納米結(jié)構(gòu)中得到MnCO@CuS，通過CuS的近紅外光熱轉(zhuǎn)換效果增強TME中H2O2觸發(fā)MnCO釋放CO的反應，從而實現(xiàn)磁共振成像引導下腫瘤的光熱/CO聯(lián)合治療。此外，通過將近紅外光激活的光熱/光電轉(zhuǎn)換材料與CO供體分子耦連，開發(fā)了一系列近紅外光控釋的CO納米氣體系統(tǒng)，這些研究成果為CO的精準遞送和控釋提供了發(fā)展方向[40]。后期開發(fā)的能夠?qū)崿F(xiàn)磁性/X線等控釋的CO體系將有望為深層腫瘤治療提供新的臨床方案[41]。

4 H2S納米體系用于腫瘤治療

與CO類似，H2S也是內(nèi)源性氣體遞質(zhì)，其在生理濃度下主要發(fā)揮抗炎、促生長及免疫調(diào)節(jié)功能，在抗炎、缺血再灌注損傷及腦損傷方面表現(xiàn)出良好療效[42]。高濃度H2S能夠誘導細胞凋亡，表明其具有潛在的抗腫瘤療效[43]。H2S具有刺激性氣味和潛在毒性，因而無法通過直接吸入進行治療?，F(xiàn)階段開發(fā)的H2S供體分子大多溶解性較差，且存在毒性，其在腫瘤病灶的有效富集及控釋仍是臨床亟待解決的難題。借助納米平臺達到H2S供體分子的精準遞送和控釋，是實現(xiàn)H2S氣體治療癌癥的途徑之一。

4.1內(nèi)源響應H2S控釋納米體系 He等[44]利用胎牛血清白蛋白(bovine serum albumin,BSA)為生物模板制備了硫化錳納米材料(MnS@BSA)，其可以在TME的弱酸環(huán)境中降解釋放H2S用于氣體治療。Xie等[45]將BSA與硫化亞鐵(FeS)自組裝為非晶態(tài)的納米團簇(FeS@BSA)；在TME酸性條件下，F(xiàn)eS@BSA的無定型狀態(tài)使其能被迅速降解釋放H2S氣體和Fe2+，后者將進一步誘發(fā)芬頓反應生成毒性更強的ROS殺滅癌細胞。Zheng等[46]合成了載有Fe3+的五倍子酸修飾的MoS2功能納米體系MoS2@五倍子酸-Fe，其在TME環(huán)境中谷胱甘肽和少量·OH的催化下可發(fā)生芬頓反應，產(chǎn)生大量·OH和H2S氣體，從而實現(xiàn)腫瘤的·OH和H2S協(xié)同治療。

4.2外源響應H2S控釋納米體系 與氣體外源響應控釋方法類似，H2S的外源控釋現(xiàn)階段主要通過特定波長激光輻照實現(xiàn)。Chen等[47]將紫外響應的H2S供體分子負載到上轉(zhuǎn)換納米顆粒(UCNPs)，該結(jié)構(gòu)能在近紅外二區(qū)980 nm輻照下通過光轉(zhuǎn)換產(chǎn)生紫外線，后者將H2S供體分子光解為雙硫醇，其進一步轉(zhuǎn)變?yōu)镠2S氣體，該體系使用更為安全的紅外光源，避免了紫外線穿透力不足的缺陷。Fang等[48]設計了ZnS包被的ZIF-8金屬框架納米結(jié)構(gòu)(ZnS@ZIF，ZSZ)，并用其負載吲哚菁綠及替拉扎明得到多功能納米體系ZSZIT，其在TME酸性條件下分解，ZnS可原位反應產(chǎn)生H2S，同時ZIF-8分解釋放吲哚菁綠和替拉扎明，吲哚菁綠在808 nm激光消耗內(nèi)源性氧氣產(chǎn)生ROS，而H2S則通過抑制過氧化氫酶活性增強替拉扎明的療效，該體系實現(xiàn)了H2S增敏的PDT/化療協(xié)同抗腫瘤療效，具有廣闊的應用前景。Yang等[49]通過簡單的“一步水熱法”合成了PVP改性的多功能硫化鐵納米結(jié)構(gòu)(Fe1-xS-PVP-NPs)，其光熱轉(zhuǎn)換效率達24%；在808 nm激光輻照下，F(xiàn)e1-xS-PVP-NPs升溫促進芬頓反應生成大量·OH；同時，F(xiàn)e1-xS-PVP-NPs也能在TME酸性條件下原位產(chǎn)生H2S，增強光熱介導的化學動力學療效。

5 SO2納米體系用于腫瘤治療

SO2是公認的大氣污染物，長期暴露在高濃度SO2環(huán)境中會誘發(fā)氧化應激反應，破壞生物大分子，進而導致呼吸及心血管系統(tǒng)損傷[50]。一定濃度的SO2在增強血管舒張、抗結(jié)核分枝桿菌及協(xié)同克服癌癥化療耐藥性等方面發(fā)揮重要作用[51]。但受限于SO2的刺激性氣味，SO2治療無法用于臨床吸入式全身給藥，且現(xiàn)階段SO2供體分子均存在較大毒性、過早釋放等問題，因此急需開發(fā)SO2精準納米控釋系統(tǒng)。Shen等[52]設計了一種兩親性SO2聚合物前藥DNs，其能在水溶液中自組裝為納米膠束，并高效負載阿霉素得到多功能納米體系NPs(阿霉素)；該結(jié)構(gòu)能夠被TME中富含的谷胱甘肽觸發(fā)釋放SO2和阿霉素，從而實現(xiàn)協(xié)同克服腫瘤耐藥性的作用療效。與上述氣體外源控釋相似，SO2的外源控釋也主要通過激光輻照實現(xiàn)。Li等[53]將SO2供體分子負載于核殼結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換多孔二氧化硅顆粒上，得到RUCSNs-DM納米功能平臺，該體系可在近紅外光下將光子轉(zhuǎn)換激發(fā)SO2供體分子，釋放SO2并激活氧化應激，從而殺滅癌細胞。Xu等[54]將SO2前藥BTS負載于Au-Ag空心三角納米結(jié)構(gòu)體中得到Au-Ag-BTS HTN；在近紅外光輻照下，Au-Ag HTN能夠通過光熱轉(zhuǎn)換殺傷癌細胞；同時BTS被TME酸性環(huán)境觸發(fā)釋放SO2，進一步增強了光熱治療效果。Lu等[55]合成了摻雜苯并噻唑及其衍生物(一種水溶性SO2前藥)的金納米棒@聚多巴胺納米體系，其具有良好的生物相容性和較高的光熱轉(zhuǎn)換效率，能夠在TME酸性環(huán)境和近紅外光輻照雙重刺激下釋放SO2，后者可進一步擴散至腫瘤內(nèi)部產(chǎn)生大量ROS，進而增強腫瘤光熱療效。

6 小 結(jié)

作為一種抗癌新策略，納米氣體療法在腫瘤病灶的氣體靶向富集及可控釋放方面的療效明顯優(yōu)于常規(guī)氣體療法，并將對未來癌癥的精準氣體治療產(chǎn)生深遠影響[56-57]。但其進入臨床應用前仍有許多問題有待進一步探究，如載體系統(tǒng)的生物安全性及其在體內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)中氣體的泄漏量等；同時，尚缺乏病灶原位長效氣體供給的研究，這是實現(xiàn)長效抑癌的關(guān)鍵，有待未來進行深入的研究。