吳賢波，文梅，厲江華，黃健涵，劉又年，陳萬松

中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，長沙 410083

1 引言

癌癥嚴(yán)重威脅著人類的生命健康，也是導(dǎo)致人類死亡的主要原因之一。據(jù)世界衛(wèi)生組織國際癌癥研究機(jī)構(gòu)(IARC)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年全球新發(fā)癌癥病例1929萬例，死亡病例996萬例，我國新發(fā)癌癥病例和死亡病例就達(dá)457萬例和300萬例，均位居世界首位[1]?，F(xiàn)今，放療、化療和手術(shù)切除仍是最主要的癌癥治療策略，但是這幾種治療方法都還存在著強(qiáng)烈的副反應(yīng)。放療主要是利用放射線對腫瘤細(xì)胞進(jìn)行殺傷，但同時它也很容易對正常組織產(chǎn)生危害，會導(dǎo)致乏力、骨髓抑制等全身反應(yīng)，并對正常器官造成損傷。化療是通過化學(xué)藥物對癌細(xì)胞進(jìn)行殺傷，它的危害主要是全身性的危害，會產(chǎn)生骨髓抑制、胃腸道反應(yīng)和心臟毒性，此外由于化療藥物主要是通過肝腎進(jìn)行代謝，因此，它會對肝腎功能造成損傷。而手術(shù)切除很難將殘留在血液和淋巴系統(tǒng)的腫瘤細(xì)胞清除干凈[2]。因此，尋求新的安全高效的腫瘤治療策略變得非常迫切。酶療法能夠在體內(nèi)進(jìn)行催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)腫瘤治療，并且還能夠激活人體免疫能力，增強(qiáng)免疫系統(tǒng)功能，采用酶療法進(jìn)行腫瘤治療吸引了研究者們的關(guān)注[3]。

天然酶存在成本高、穩(wěn)定性差、產(chǎn)量低、保存困難和半衰期短等缺點(diǎn)，使得酶療法的實(shí)際應(yīng)用受到嚴(yán)重限制[4]。納米材料是指在三維空間至少有一維處于納米尺寸(1-100 nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。而納米酶是指一類具有類酶性能與催化活性的納米材料[5,6]。自從2007年，F(xiàn)e3O4納米顆粒被報(bào)道具有模擬天然過氧化物酶的活性，已經(jīng)有數(shù)百種納米材料被發(fā)現(xiàn)具有模擬過氧化物酶(POD)、氧化酶(OXD)、過氧化氫酶(CAT)、葡萄糖氧化酶(GOx)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)、超氧化物歧化酶(SOD)、尿酸酶等酶活性。此外令人驚異的是，許多納米材料還被報(bào)道同時表現(xiàn)出雙或多酶活性。作為新一代人工酶，與天然酶相比，納米酶具有成本低、穩(wěn)定性高、制備簡單、使用壽命長、活性可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)[7]。

大量的納米材料被研究發(fā)現(xiàn)具有納米酶的特性，包括碳基納米材料(富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯和碳納米管)，金屬納米顆粒(Au，Ag，Pt，Pd，Cu，F(xiàn)e和Co等)，金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)(Fe3O4，CeO2，TiO2和V2O5等)，以及一些其他新興材料如金屬有機(jī)框架(MOF)，共價(jià)有機(jī)框架(COF)，金屬硫族化合物和納米雜化物等[8-10]。例如：氮摻雜的碳納米球(N-PCNs)同時具有OXD、POD、CAT和SOD酶活性，可以調(diào)節(jié)體內(nèi)活性氧(ROS)[11]，并通過在表面修飾鐵蛋白來實(shí)現(xiàn)靶向溶酶體，其在溶酶體的酸性環(huán)境中模擬POD和OXD活性消耗O2并產(chǎn)生ROS，殺傷腫瘤細(xì)胞。Au納米顆粒具有POD、CAT、SOD和OXD活性，Pt納米顆粒具有POD、CAT、SOD和尿酸酶活性，我們團(tuán)隊(duì)通過原位生長的方法將Pt納米粒修飾在黑磷納米片上，Pt納米顆粒利用其CAT酶活性將腫瘤部位的過氧化氫(H2O2)催化成O2，在紅外光的照射下，黑磷納米片將產(chǎn)生的O2級聯(lián)催化成1O2，對腫瘤細(xì)胞造成殺傷作用[12]。Pd，Ag和Fe3O4納米粒具有POD和CAT酶活性，V2O5具有POD和GPx酶活性等[13]。這些納米酶不僅具有與天然酶相似的催化性能，同樣還滿足酶反應(yīng)的動力學(xué)原理，如米氏方程等。圖1展示了納米酶的模擬酶類型、來源、性能和抗腫瘤機(jī)理。

圖1 納米酶的模擬酶類型、來源、性能和抗腫瘤機(jī)理

2 腫瘤催化治療

腫瘤微環(huán)境即腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生和生存的環(huán)境，它與正常的人體內(nèi)環(huán)境有很多不同的地方，其中最大的差異就是存在高的H2O2量、缺氧和低pH的特點(diǎn)。也正是由于這些特點(diǎn)，使得腫瘤微環(huán)境中存在大量的細(xì)胞生長因子、趨化因子和水解酶，發(fā)生炎癥反應(yīng)，促使腫瘤細(xì)胞快速增殖，并讓腫瘤組織抵抗放療和化療。早在1955年就發(fā)現(xiàn)惡性腫瘤組織中具有缺氧的特點(diǎn)，在缺氧的區(qū)域，發(fā)生組織壞死，并且腫瘤細(xì)胞更易擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移[14]。腫瘤細(xì)胞生長速度快，代謝迅速，對氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的需求大，會造成腫瘤組織缺氧。而腫瘤微環(huán)境的酸性環(huán)境被認(rèn)為主要是由于腫瘤細(xì)胞進(jìn)行無氧代謝造成的，在缺氧環(huán)境中大量的葡萄糖被分解，糖酵解產(chǎn)生大量乳酸而造成pH的下降。缺氧和酸性環(huán)境都不適合正常細(xì)胞的生存，但這種異常的環(huán)境卻意外地增強(qiáng)了腫瘤細(xì)胞的突變，進(jìn)而加劇腫瘤細(xì)胞的增殖。腫瘤細(xì)胞通過生長和增殖，更加加劇了腫瘤微環(huán)境的缺氧和酸性[15]。

2.1 納米酶用于緩解腫瘤乏氧

腫瘤微環(huán)境缺氧不僅會增加腫瘤轉(zhuǎn)移的機(jī)會，還限制了光動力治療、聲動力治療和放療等多種方法在腫瘤治療中的應(yīng)用。因此可以通過納米酶的CAT活性，將H2O2催化為O2，緩解腫瘤組織乏氧，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡，并且可以提高其他需氧治療方法的效率[17,18]。缺氧在實(shí)體腫瘤中很常見，因?yàn)槟[瘤細(xì)胞不受控制的增殖導(dǎo)致了O2的減少，此外，在進(jìn)行動力治療的過程中，如光動力、聲動力媒介的耗氧和血管閉合作用都會進(jìn)一步加重腫瘤環(huán)境的缺氧。通過納米酶的CAT酶活性，可以消耗腫瘤環(huán)境中的H2O2，緩解腫瘤乏氧，還可以協(xié)同其他光、聲和化動力治療進(jìn)行腫瘤治療。

我們團(tuán)隊(duì)將Pt納米顆粒修飾在黑磷(BP)納米片上，Pt納米粒本質(zhì)的過氧化氫酶活性可以有效分解腫瘤中積累的H2O2產(chǎn)生O2，緩解腫瘤缺氧，生成的O2可以提高BP納米片的光動力抗腫瘤活性，生成1O2能夠?qū)е履[瘤細(xì)胞凋亡[12]。此外，Pt@BP納米材料通過調(diào)節(jié)缺氧環(huán)境，下調(diào)腫瘤壞死因子(HIF-1α)蛋白的表達(dá)，降低了治療腫瘤的風(fēng)險(xiǎn)(圖2)。結(jié)果表明，該材料能夠有效縮小腫瘤體積，用于抗腫瘤治療。中國科學(xué)院谷戰(zhàn)軍研究員和國家納米中心趙宇亮院士團(tuán)隊(duì)合成了一種過氧化氫酶活性的氧缺陷BiO2-x納米酶[19]。氧缺陷的構(gòu)筑賦予了納米酶過氧化氫酶活性，能夠?qū)⒛[瘤部位高表達(dá)的H2O2分解為O2，緩解腫瘤缺氧，并且下調(diào)HIF-1α的表達(dá)，增強(qiáng)放療的治療效果。近來，一種新型二維石墨炔(GDY)穩(wěn)定錨定CeO2納米粒形成的GDY-CeO2納米酶被合成[20]，該納米酶表現(xiàn)出優(yōu)越的過氧化物酶活性，同樣能夠?qū)2O2分解為O2，顯著緩解腫瘤乏氧，并且可以誘導(dǎo)DNA損傷，實(shí)現(xiàn)腫瘤治療。上海交通大學(xué)程英升教授等人[21]合成設(shè)計(jì)的BSA-MnO2納米酶被發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異的過氧化氫酶活性，可以通過消耗內(nèi)源的H2O2生成O2，克服腫瘤乏氧并且增強(qiáng)了光動力治療，實(shí)現(xiàn)食管癌治療。

圖2 Pt納米酶負(fù)載BP納米片用于腫瘤光動力治療

2.2 納米酶用于產(chǎn)ROS腫瘤催化治療

除了利用具有CAT酶活性的納米酶將H2O2轉(zhuǎn)化為O2，增強(qiáng)光動力治療、聲動力治療和放療在腫瘤治療中的療效外，納米酶還可以通過POD和OXD活性直接將H2O2和O2催化產(chǎn)生ROS，從而誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞死亡。

圖3 Au@HCN納米酶協(xié)同光熱治療用于抗腫瘤治療

2.3 納米酶用于腫瘤免疫治療

腫瘤易轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)仍是腫瘤治療最為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，通過催化免疫調(diào)節(jié)能夠激活人體自身免疫系統(tǒng)，是有效抑制腫瘤轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)的一種方法。但是腫瘤微環(huán)境是處于一個免疫抑制的狀態(tài)，在缺氧環(huán)境下，腫瘤相關(guān)的巨噬細(xì)胞表達(dá)免疫抑制的M2型巨噬細(xì)胞，而對腫瘤細(xì)胞具有殺傷性的M2型細(xì)胞表達(dá)較少。因此，通過納米酶改善腫瘤免疫抑制微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)納米酶腫瘤催化治療和免疫治療的協(xié)同，將能夠大大地提高腫瘤治療效率。

圖4 Cu2–xTe納米酶用于催化炎癥反應(yīng)及激活抗腫瘤免疫

3 挑戰(zhàn)與展望

納米酶作為一種新型的納米藥物，能夠模擬天然酶活性，應(yīng)用于抗腫瘤治療。相對于天然酶，納米酶表現(xiàn)出以下優(yōu)勢：(1)高穩(wěn)定性，能夠在生理或體內(nèi)條件下完成催化反應(yīng)，天然酶在生理?xiàng)l件下，在到達(dá)腫瘤部位前會被迅速降解和代謝，而納米酶能夠抵抗蛋白酶的降解，主要是由于它們具有穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)；(2)多催化活性，同一種納米酶可以同時具有多種模擬酶活性；(3)可修飾性，納米酶可以通過表面修飾增加其靶向性，而天然酶不能夠修飾；(4)制備簡單，易于保存，相對于天然酶成本更低等。因此，納米酶可以更加全面有效地應(yīng)用于抗腫瘤治療。但是，在納米酶臨床應(yīng)用前還有一些問題待解決。

(1)催化活性和底物選擇性，雖然已報(bào)道有一些納米酶的催化活性跟天然酶相當(dāng)甚至更高，但是大多數(shù)納米酶的催化活性較低。因此，提高和優(yōu)化納米酶的活性變得至關(guān)重要。此外，納米酶除了催化活性低外，對底物的選擇性較差也是一個有待解決的問題。因此，有必要設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有高底物選擇性和催化效率的納米酶。

(2)生物安全性，雖然納米酶在多種疾病的動物模型上表現(xiàn)出了良好的治療效果，但納米酶在臨床應(yīng)用中的生物相容性和生物安全性還有待保證。盡管納米酶表現(xiàn)出生物性質(zhì)的酶活性，但大多數(shù)納米酶是無機(jī)納米材料。納米酶進(jìn)入細(xì)胞后，進(jìn)入溶酶體，可能與細(xì)胞相互作用，從而造成一定的損害。

(3)靶向性，如何控制具有多種酶活性的納米酶在pH和氧化應(yīng)激等體內(nèi)條件下發(fā)揮特定的活性仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。因此，需要有效的策略來提高納米酶的靶向性，驗(yàn)證納米酶的分布和定位。

(4)治療機(jī)理，納米酶作為抗腫瘤藥物在治療中的藥代動力學(xué)、免疫原性、環(huán)境效應(yīng)和特異性治療機(jī)制等因素對納米酶在臨床治療中的成功應(yīng)用具有重要意義。

隨著納米酶研究的不斷深入，其獨(dú)特的模擬酶活性將得到越來越多的研究者關(guān)注。相信在不久的將來，納米酶將會從實(shí)驗(yàn)室走向臨床，做成抗腫瘤藥物產(chǎn)物，真正應(yīng)用于人類腫瘤治療。