李高明，郭云琦，鞏軍麗，張貴祥，史向陽，沈明武

(1. 東華大學生物與醫(yī)學工程學院，上海 201620) (2. 同濟大學附屬上海市第四人民醫(yī)院 放射影像科，上海 200434)

1 前 言

癌癥目前仍然是世界范圍內的一種主要的公共健康問題，具有較高的致死率。傳統(tǒng)的治療手段包括手術、化療和放療，存在副作用大、易復發(fā)、患者依從性差等缺點。目前免疫治療作為第4種治療手段在腫瘤患者的臨床治療中也受到廣泛關注[1, 2]。此外，近幾十年來納米醫(yī)學的發(fā)展拓寬了生物醫(yī)學的研究范疇，尤其在腫瘤的診斷及治療方面展示出較大的應用前景。納米醫(yī)學結合了材料學、藥學、生物學、醫(yī)學等學科知識，能夠克服傳統(tǒng)腫瘤治療中存在的缺點，在一些新型腫瘤治療手段中表現(xiàn)出越來越重要的作用，如光熱治療(photothermal therapy，PTT)、光動力治療(photodynamic therapy，PDT)、基因治療、聲動力治療、化學動力學治療(chemodynamic therapy, CDT)、免疫治療等。此外，一些納米制劑能夠提供組合治療以適應藥物反應的個體化差異，有利于實現(xiàn)腫瘤的精準化及個性化治療，最終實現(xiàn)徹底治愈腫瘤的目標[3, 4]。到目前為止，越來越多的納米制劑被美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration, FDA)或歐洲藥品管理局(European Medicines Agency，EMA)批準用于各種腫瘤的臨床診療或臨床研究，如Doxil?、Abraxane?、NanoTherm?和Atu027等(圖1)。早期的納米藥物結構簡單，如膠束(如Genexol-PM)和脂質體(如Doxil?和Marqibo?)。隨著該領域的發(fā)展，從NanoTherm?和Abraxane?開始，人們制備了更多先進的納米顆粒(nanoparticles, NPs)，并出現(xiàn)了可以負載多種治療藥物的系統(tǒng)(VyxeosTM)。隨后，多層脂質體(Stimuvax?和Atu027)和多聚合物(Livatag?)納米顆粒被開發(fā)出來。此外，納米顆粒所提供的有效荷載(藥物)已經從小分子抗癌藥物擴展到多肽和小干擾RNA(siRNA)等[5]。

圖1 納米制劑結構在腫瘤定制化(個性化)治療中的演變[5]Fig.1 Evolution of nanoarchitectures towards custom-fit uses in cancer therapy[5]

在目前的實驗室研究中，已被報道的納米材料有脂質體、高分子聚合物、膠束、樹狀大分子、納米水凝膠、鐵氧化物納米粒、金納米顆粒、介孔二氧化硅、金屬有機框架、層狀雙金屬氫氧化物(layered double hydroxides，LDH)等。各種有機或無機納米材料由于自身特殊的物理、化學、生物學特性或獨特的分子結構，除了可以作為載體材料負載藥物或診斷劑外，其自身也可以作為藥物或者診斷劑發(fā)揮作用。通過對納米材料的修飾，可以賦予納米平臺多種功能，在腫瘤的預防、檢測和治療等方面發(fā)揮了越來越多的作用[6-10]。

圖2 LDH晶體結構示意圖[11]Fig.2 Schematic of the crystal structure of LDH [11]

總之，LDH作為一種典型的二維層狀納米材料，由于其具有優(yōu)異的生物相容性、較大的荷載量、表面化學修飾性等特點受到國內外研究者的廣泛關注，尤其是在腫瘤的診療領域取得了較多的進展。基于此，本文總結了近5年來LDH基納米平臺在腫瘤診斷及治療方向的研究進展，最后討論了其臨床轉化方面仍然存在的問題與未來發(fā)展策略。希望本綜述能夠引起研究者對LDH基納米平臺用于腫瘤診療的更廣泛興趣。

2 層狀雙金屬氫氧化物(LDH)基納米平臺的合成及其功能化修飾

2.1 LDH基納米平臺的合成

目前報道的LDH納米平臺的合成方法主要包括：① 共沉淀法、② 水熱法、③ 離子交換法、④ 煅燒-重構法、⑤ 剝離-重組裝法[3, 12]。共沉淀法是制備雜化納米平臺最有效、最便捷的途徑，該方法成本低、操作簡單，不需要任何專業(yè)設備，有利于批量生產。與共沉淀法相比，水熱法最大的優(yōu)點是提高了LDH的結晶度和純度。通過調節(jié)反應溫度和反應壓力，可以得到尺寸和形狀可控的LDH納米顆粒。離子交換法也常用于制備功能化LDH納米平臺，這種方法是共沉淀法的替代方法，特別是當目標陰離子在高pH值環(huán)境下不穩(wěn)定，或客體分子與金屬離子之間存在潛在的相互作用時。在陰離子交換過程中，已形成的LDH被加入到含有目標陰離子的溶液中，然后將混合溶液在室溫或50～70 ℃下攪拌數(shù)小時。在攪拌過程中，原存在于LDH層間的陰離子逐漸被目標陰離子所取代[12]。煅燒-重構法和剝離-重組裝法可以作為一種替代策略用于制備部分功能化LDH納米制劑，但是產物純度有待提高。

2.2 LDH基納米平臺的功能化修飾

近年來，LDH在腫瘤診療領域取得較多進展，而通過對LDH納米顆粒進行修飾以賦予其特殊性能也備受青睞，因此，越來越多的LDH基納米平臺被報道。對于LDH基納米平臺的功能化修飾，根據其結構及組成主要分為以下4種：① 非共價鍵實現(xiàn)功能化修飾；② 共價鍵修飾實現(xiàn)功能化；③ 金屬離子摻雜或者替代；④ 與其他納米材料復合形成納米復合材料(圖3)。

圖3 LDH基納米平臺的功能化修飾Fig.3 Functionalization of LDH-based nanoplatform

2.2.1 通過非共價鍵功能化修飾制備LDH基納米平臺

根據LDH的性質，很容易在LDH表面或者層間通過氫鍵或靜電相互作用修飾生物活性分子，合成有機-無機雜化納米制劑。在早期的研究中，Choy團隊首先通過非共價鍵作用(主要是靜電相互作用)在LDH層間成功插入氨甲喋呤(MTX)、5-氟尿嘧啶等小分子抗癌藥物，隨后維生素、抗炎藥物、核苷酸等生物活性分子也被成功插入到LDH層間[3, 13]。由于細胞對納米材料的選擇性行為，形成的有機-無機雜化LDH基納米制劑既能夠更好地發(fā)揮其生物活性分子的作用。

隨著納米技術的發(fā)展，一些新的功能化方法被開發(fā)出來，例如利用擠壓法在納米平臺表面包覆一層細胞膜，開發(fā)出來的具有仿生功能的納米制劑既避免被巨噬細胞吞噬，又具有由表面受體配體介導的相互識別作用，賦予納米制劑同源靶向功能，使納米藥物能夠最大限度地聚集到病灶部位[14-16]。Xu團隊報道了一種由小鼠結腸癌細胞膜包覆的負載吲哚菁綠(ICG)和多西紫杉醇的MgAl-LDH納米復合物，體內實驗結果顯示,合成的納米復合物具有較好的同源靶向能力及免疫逃逸能力，能夠顯著增強納米復合物的治療效果[17]。

2.2.2 通過共價鍵功能化修飾制備LDH基納米平臺

LDH主體層板表面含有大量羥基，可以與硅烷偶聯(lián)劑反應，進一步通過共價鍵修飾功能分子，從而提高LDH基納米制劑的靶向性、穩(wěn)定性和生物相容性[18-20]。例如，作者團隊Zhang等報道了在LDH表面首先修飾三乙氧基硅烷，進一步通過1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)-碳二亞胺和N-羥基琥珀酰亞胺偶聯(lián)反應成功將靶向分子透明質酸(hyaluronic acid, HA)共價連接在LDH表面[21]。

2.2.3 通過摻雜/替換金屬離子制備新型LDH基納米平臺

LDH基納米平臺早期僅作為載體，且大多以MgAl-LDH為主。隨著納米技術的發(fā)展，更多金屬物質的物理化學性質被報道，如光效應、熱效應等。腫瘤生物學研究進展也表明，金屬離子廣泛參與腫瘤的生長過程，并且在腫瘤的多種生命活動中起到非常重要的調節(jié)作用?；诖耍絹碓蕉嗟男滦蚅DH基納米平臺被報道，其合成方式主要通過在2種金屬鹽離子中摻雜另外一種或者多種金屬離子，或者使用一種金屬離子完全替代另一種金屬離子。例如近年來CDT在腫瘤治療中得到廣泛關注，而開發(fā)能夠高效催化芬頓或類芬頓反應的納米制劑是提高CDT效果的重要策略。LDH無機納米材料在催化領域已有較多應用，Wei等開發(fā)了CuFe-LDH[22]、CoFe-LDH[23]、CoMn-LDH[24]、CoFeMn-LDH[25]等多種LDH基納米平臺用于腫瘤的CDT，并表現(xiàn)出較好的抗腫瘤效果。

2.2.4 LDH與其他納米材料雜化形成納米復合材料

由LDH與另外一種或者多種納米材料組成的納米復合材料可以結合多種納米材料的優(yōu)點，在腫瘤的診斷及治療中有極大的研究價值。例如，作者團隊Zhang等通過共沉淀法利用LDH穩(wěn)定超小四氧化三鐵(Fe3O4)納米顆粒，隨后修飾透明質酸，體內實驗結果顯示，合成的LDH-Fe3O4-HA的r1弛豫率是單獨Fe3O4的10倍(4.38 mM-1·s-1vs. 0.42 mM-1·s-1)[21]。此外，石墨烯量子點(graphene quantum dots, GQDs)優(yōu)越的光學性能可使其用于腫瘤診斷，但其靶向及載藥能力較差，Wang等利用共沉淀方法合成LDH穩(wěn)定的硫摻雜石墨烯量子點(SGQDs)，并負載化療藥物依托泊苷(VP16)，結果顯示，合成的納米復合材料LDH@SGQD-VP16能夠很好地實現(xiàn)藥物遞送及實時熒光成像[26]。

3 LDH基納米平臺在腫瘤診療中的應用

LDH用于腫瘤的診療具有如下優(yōu)勢：① 優(yōu)異的生物相容性，在現(xiàn)有報道中，常見的MgAl-LDH在較高濃度下仍然具有良好的細胞相容性。此外，由于腫瘤組織具有較高的過氧化氫(H2O2)含量，含有Cu，Mn，F(xiàn)e等元素的LDH在腫瘤細胞內發(fā)生芬頓或類芬頓反應，產生活性羥基自由基，從而對腫瘤細胞具有特異性殺傷效果而對正常細胞殺傷性小。LDH在血液循環(huán)及腫瘤部位的滲透情況及腫瘤細胞的吞噬與其粒徑大小是相關的，LDH料徑大小對其生物相容性的影響仍需進一步研究[27-29]。此外，由于腫瘤微環(huán)境呈弱酸性，LDH基納米平臺在發(fā)揮成像或者治療作用之后，可被降解成低毒性離子排出體外，減少納米材料在體內長期積累所造成的危害。② 表面多功能化學修飾性，可表面修飾功能分子，賦予LDH不同的功能。③ 較大的荷載量，可以通過離子交換、共沉淀等多種方法負載大量功能分子或與其他納米體系復合等[30, 31]。所有這些性質使LDH基納米平臺在腫瘤診療中具有較大的應用前景(圖4)。

圖4 Mn-LDH的合成過程(a)，Mn-LDH 納米粒子的結構相關多功能特性的示意圖(b)[38]；CM-PEG/MnLDH納米粒子的合成、細胞相互作用和磁共振(MR)成像應用示意圖(c)[39]Fig.4 Schematic illustration of synthetic procedure(a) and structure related to multifunctional properties of Mn-LDH nanoparticles(b)[38]; (c) schematic illustration of synthesis, cell interaction, and MR imaging application of CM-PEG/MnLDH nanoparticles[39]

3.1 LDH基納米平臺用于腫瘤的診斷

多種癌癥早期癥狀不明顯，確診時大多已處于晚期，嚴重影響治療效果。因此，腫瘤的早發(fā)現(xiàn)早治療是治愈的關鍵。具有高分辨率和高靈敏度的成像技術有助于疾病的檢測和對其生理現(xiàn)象的理解，以及治療后的監(jiān)測等。目前，LDH與多種成像方式如光學成像、磁共振(magnetic resonance, MR)成像、計算機斷層掃描(computed tomography, CT)成像，正電子發(fā)射斷層掃描(positron emission tomography, PET)成像、單光子發(fā)射計算機斷層掃描(single-photon emission computed tomography, SPECT)成像以及多模態(tài)成像等結合已被研究報道。結果顯示，LDH基造影劑能夠克服傳統(tǒng)成像方式存在的一些缺點，如成像時間短、分辨率低、小分子造影劑血液循環(huán)時間短、特異性差等[32-35]。

3.1.1 LDH納米平臺用于腫瘤的熒光成像

熒光成像是一種分子成像工具，雖然存在一些限制，如光散射、空間分辨率低、穿透深度低等，但由于其高靈敏度和實時成像特征，在體外和體內系統(tǒng)中被廣泛探索[32]。目前已有較多熒光分子如羅丹明B、鹽酸阿霉素(DOX)、異硫氰酸熒光素(FITC)、熒光量子點等通過靜電相互作用或共價鍵負載到LDH納米平臺用于體外或體內熒光成像[12, 27, 36]。前面提到的Wang等報道的納米復合材料LDH@SGQD-VP16能夠很好地實現(xiàn)體外、體內實時熒光成像[26]。此外，Liu等通過檸檬酸與尿素的層間縮合反應，在LDH的層間區(qū)域內合成了超薄氮化碳(CN)。得到的CN/LDH熒光粉在紫外光照射下發(fā)出強的青色光，絕對固態(tài)量子產率為95.9%，它受溫度、環(huán)境pH值和光腐蝕影響較小，具有較強的發(fā)光穩(wěn)定性。實驗研究和理論計算都表明，剛性LDH基體和層間氮化碳之間的主-客體相互作用對其較高的絕對固態(tài)量子產率和穩(wěn)定性做出了主要貢獻。此外，該材料在腫瘤細胞上轉換熒光成像方面也有良好的應用前景[37]。

3.1.2 LDH基納米平臺用于腫瘤的磁共振(MR)成像

在各種分子影像技術中，MR成像是一種不可缺少的醫(yī)學診斷方法，可用于獲得人體組織的實時3D圖像，具有良好的空間和時間分辨率以及良好的軟組織對比度。臨床上使用的造影劑多為基于Gd螯合物的小分子造影劑，存在生物安全性差、血液循環(huán)時間短、無法靶向癌細胞等問題。Xu等通過同構取代法用Mn2+金屬離子取代Mg3Al-LDH中的部分Mg2+，開發(fā)了一種新型MnMg-LDH納米平臺，可用于腫瘤的T1-MR造影[38]。實驗結果顯示，合成的MnMg-LDH納米平臺在pH值為6.5～7.0的弱酸性環(huán)境(即腫瘤微環(huán)境范圍)顯示出較高的pH敏感T1弛豫性。在pH值為5.0～7.0時表現(xiàn)出極佳的r1弛豫率(pH=5.0時為9.48 mM-1·s-1，pH=7.0時為6.82 mM-1·s-1，pH=7.4時為1.16 mM-1·s-1)(圖4a和4b)。體內實驗顯示，靜脈注射BSA/Mn-LDH納米顆粒1 h后，腫瘤區(qū)域明顯可見T1增強信號，并持續(xù)增強24 h，這可能與納米材料增強的滲透和滯留效應(enhanced permeability and retention, EPR)有關。更有趣的是，MR信號能夠在腫瘤組織中保持長達72 h，比基于Gd的造影劑成像時間(小于2 h)長30多倍。BSA/Mn-LDH 的這種延長的MR成像時間表明，基于LDH的造影劑在跟蹤體內疾病治療中具有廣闊的應用前景。

為了增加納米粒子在生物靶點上的積累，從而進一步增強成像信號，Gu等開發(fā)了一種腫瘤細胞衍生膜包覆二維層狀雙氫氧化物納米顆粒(CM-PEG/MnLDH)(圖4c)。結果顯示，包覆4T1乳腺癌細胞膜的仿生CM-PEG/MnLDH表現(xiàn)出良好的細胞特異性靶向能力，在同源癌細胞中的吞噬量明顯高于非同源癌細胞。在三維腫瘤細胞球實驗中，CM-PEG/MnLDH表現(xiàn)出高度選擇性和深層組織滲透能力。體內成像顯示，在4T1小鼠模型中，靜脈注射CM-PEG/MnLDH可提供清晰的腫瘤組織MR圖像。由于仿生納米顆粒的同源靶向和組織穿透能力，CM-PEG/MnLDH在腫瘤中心區(qū)域表現(xiàn)出增強的成像性能。體內生物安全性評價表明，CM-PEG/MnLDH具有較好的生物相容性，適合進一步拓展其臨床應用。這種具有細胞特異性靶向能力和深層組織穿透能力的仿生CM-PEG/MnLDH納米顆粒是一種非常有前景的MR造影劑，可用于癌癥的精確診斷[39]。

3.1.3 LDH納米平臺用于腫瘤的核醫(yī)學成像

近些年發(fā)展的SPECT、PET技術具有很高的靈敏度、極好的組織穿透能力、精確的定量化檢測能力。放射性核素(如7Co、64Cu、67Ga、68Ga、44Sc和89Zr)可用于核醫(yī)學成像。單獨的放射性核素缺乏靶向特異性，為了穩(wěn)定地標記放射性核素，通常需要某些螯合劑的配合。然而，由于每個放射性的核素獨特性，根據特定的配位化學選擇最佳的螯合劑和最佳的標記條件成為一道難題。相反，無需螯合劑穩(wěn)定，利用無機納米顆粒自身成分改變替代放射性核素與螯合劑配位的策略，被認為是用于PET成像的理想標記方法[40-42]。Shi等[43]發(fā)現(xiàn)可以用64Cu2+和44Sc3+標記LDH納米顆粒，并且該納米體系具有良好的核素標記效率和穩(wěn)定性，而四價陽離子89Zr4+由于不符合LDH晶體結構，不能標記LDH納米顆粒。隨后該研究團隊首次利用64Cu-LDH-BSA進行了體內PET成像，以研究核素標記的LDH納米顆粒在體內的生物分布。成像結果顯示，在乳腺癌皮下瘤模型中僅通過被動靶向作用，腫瘤組織就對64Cu-LDH-BSA納米復合物具有快速和持續(xù)的攝取效果(7.7%±0.1%，注射16 h后)。因此，LDH為多用途的放射性核素標記提供了一個新的方法，可以作為PET成像和藥物傳遞的通用平臺。雖然LDH用于核醫(yī)學成像有較多優(yōu)勢，然而這一方向的研究報道仍然較少，需要更進一步探索。

3.1.4 LDH納米平臺用于腫瘤的多模態(tài)成像

多模態(tài)成像能夠協(xié)同多種成像模式的優(yōu)點，以彌補單一成像模式的缺點。為了獲得高精度的圖像用于腫瘤的早期診斷和有效治療，開發(fā)具有多模態(tài)成像能力的納米造影劑引起了人們的極大興趣[44-46]。Wang等將MR造影劑Gd摻雜MgAl-LDH與計算機斷層掃描(CT)造影劑金納米顆粒相結合，形成納米復合材料Au-Gd-LDH，可同時作為CT和MR的雙重造影劑。研究發(fā)現(xiàn)，該納米復合材料的體外CT和T1加權MR成像能力優(yōu)于商用MR和CT造影劑，并具有良好的體內CT和T1加權MR成像性能。經肝素修飾后，經過尾靜脈向荷瘤鼠體內注射該納米復合物，結果顯示，其在腫瘤部位具有良好的CT和MR成像效果。此外，注射高劑量納米復合材料后，小鼠無明顯的組織、器官損傷[47]。

3.2 LDH基納米平臺用于腫瘤治療

納米技術的發(fā)展為腫瘤的治療提供了許多變革性手段，一方面，納米制劑能夠克服傳統(tǒng)治療手段的一些缺點，提高治療效果；另一方面，由于納米材料的獨特性質，納米顆粒已經從早期的單純作為載體，轉變成作為多種功能的成分，在傳統(tǒng)治療及一些新的治療方式中展現(xiàn)出巨大的應用前景[48]。下面簡單介紹LDH基納米平臺在腫瘤治療中的最新進展。

3.2.1 LDH用于腫瘤化療

化療作為一種全身性的治療方式，仍然是腫瘤治療的重要手段，然而傳統(tǒng)的化療方式存在藥物副作用大、水溶性差、特異性差等缺點。近年來，研究者采用LDH作為載體負載化療藥物，開發(fā)出了許多同時具有靶向性和響應性的納米平臺，在提高化療效果、減小副作用、減小患者對化療藥物的抗性等方面具有重要應用前景[49-51]。作者團隊Li等為探索增強化療藥物效果的策略，開發(fā)了一種透明質酸酶修飾的LDH納米平臺。結果顯示，在負載藥物后，該納米制劑DOX/LDH-HAase在皮下瘤模型中能夠降解腫瘤微環(huán)境中的透明質酸，從而促進藥物的滲透，增強藥物的化療效果[36]。

3.2.2 LDH用于腫瘤化學動力學治療

CDT是一種對腫瘤特異性和選擇性高、毒副作用小的新型腫瘤治療方式，但其治療效果嚴重依賴內源性H2O2水平。較低的H2O2水平導致腫瘤部位的芬頓或類芬頓反應效率較低[29, 52]。由于LDH的獨特金屬組成，各種新型LDH基納米平臺被開發(fā)出來，在CDT中具有極大優(yōu)勢。例如，Guo等通過構建二維片狀納米催化劑來介導催化級聯(lián)反應，開發(fā)了一種自備H2O2增強CDT策略。他們將光敏劑(photosensitizers, PSs)吲哚菁綠(ICG)和芬頓反應催化劑Fe2+離子集成到二維超薄LDH納米顆粒中。在近紅外(near infrared，NIR)光照射下，ICG不僅產生單線態(tài)氧(1O2)損傷腫瘤細胞，還產生超氧自由基(·O2)，進而與細胞內超氧化物歧化酶(SOD)反應轉化為H2O2。納米催化劑釋放的Fe2+催化大量的原位自供H2O2與內源性H2O2，從而產生大量具有細胞毒性的·OH，引發(fā)腫瘤細胞凋亡和死亡。體外和體內評估結果顯示，級聯(lián)納米催化劑介導的CDT具有較高的腫瘤治療效果[53]。

3.2.3 LDH用于腫瘤光熱治療(PTT)

PTT是利用光熱劑將NIR光轉化為局部熱量，實現(xiàn)熱驅動腫瘤消融。由于其低侵入性、高區(qū)域選擇性和低毒性，在過去的10年來受到了較多關注。以往對PTT的研究主要采用NIR一區(qū)(NIR-I：700～1000 nm)的激光器作為照射源。與NIR-I型PTT相比，NIR-II型窗口(1000～1350 nm)具有更深的穿透效果和更高的最大允許照射量。Wang等報道了一種協(xié)同CDT和NIR-II PTT以消融腫瘤的高效納米劑。使用超薄CuFe-LDH納米材料經簡單水熱硫化法制備了超薄二維CuFe2S3納米材料，經聚乙二醇(PEG)改性后的CuFe2S3-PEG在1064 nm波長激光照射下表現(xiàn)出較好的NIR-II吸收和優(yōu)良的光熱轉換效率(～55.86%)。體外和體內實驗結果表明，CuFe2S3-PEG具有顯著的協(xié)同CDT/PTT抗腫瘤活性(圖5a)[54]。此外，Wu等通過對CoCuFe-LDH納米薄片(nano sheets，NSs)進行拓撲轉化，然后用聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone，PVP)和L-精氨酸(L-Arg)進行表面改性，制備了一種超薄的負載銅的硒化物CoCuFe-selenide(CCFS)(圖5b)。通過進一步表面修飾所合成的納米復合物CCFS-PVP-L-Arg(CPA)顯示出良好的PTT和氣體治療(gas therapy，GT)協(xié)同治療效果。結果表明，CPA納米復合材料具有出色的光熱轉換效率，分別為72.0%(pH=7.4)和81.0%(pH=5.4)，是目前報道的二維硫系納米材料中光熱轉換效率最高的。體內研究顯示，CPA納米復合材料在NIR照射下可完全消除腫瘤[55]。

3.2.4 LDH用于腫瘤基因治療

基因治療是對基因相關疾病(如癌癥、神經退行性疾病和某些傳染病)的一種有前景的治療方法，是指使用帶有治療功能的帶負電的核酸分子實現(xiàn)治療效果，功能性核酸分子包括DNA、siRNA、短發(fā)夾RNA (shRNA)和microRNA(miRNA)[12]。早期Choy團隊利用MgAl-LDH雜交體通過離子交換負載DNA，開始了將LDH作為生物相容性載體進行有效基因傳遞的研究[11]。DNA分子穩(wěn)定在LDH層間能夠保持其化學和生物完整性，減少DNA在生理環(huán)境中的降解。隨后部分LDH基納米平臺負載siRNA用于腫瘤治療的工作被報道。Li等利用LDH通過離子交換法將5氟尿嘧啶(5-FU)插入LDH層間，然后利用靜電相互作用在表面負載siRNA，合成siRNA-5-FU/LDH納米復合物，用于腫瘤的化療/基因聯(lián)合治療。實驗結果顯示，與利用LDH單獨負載siRNA或5-FU相比，siRNA-5-FU/LDH納米復合物可以顯著提高對人乳腺癌、骨肉瘤和人結腸癌3種細胞系的細胞毒性[56]。另外，Yang等開發(fā)了負載microRNA-155(miR155)的MgAl-LDH納米復合物LDH@155，結果顯示，納米復合物LDH@155能夠將致瘤M2亞型巨噬細胞復極化為抗腫瘤M1亞型，克服免疫抑制的腫瘤微環(huán)境，提高T細胞浸潤和活化，從而提高程序性細胞死亡-1(α-PD-1)抗體免疫治療的治療效率(圖5c)[57]。

圖5 用于高效CDT/PTT的CuFe2S3-PEG納米片的制備示意圖(a)[54]，用于光聲(photoacoustic, PA)成像引導協(xié)同PTT/GT的CPA納米復合材料的制備示意圖(b)[55]，LDH@miR155合成示意圖(c)[57]Fig.5 Schematic illustration of the preparation of CuFe2S3-PEG NSs for efficient CDT/PTT (a)[54], a schematic illustration of the preparation of the CPA nanocomposite for PA image-guided synergistic PTT/GT (b)[55], a schematic representation of LDH@miR155 preparation (c)[57]

3.2.5 LDH用于腫瘤光動力治療

光動力治療(PDT)因其時空精度高、副作用小和微創(chuàng)性而被證明是有前景的癌癥治療方法之一。PDT一般是通過PSs吸收光線，激發(fā)產生有毒的活性氧(ROS)，包括·OH、·O2和1O2。已報道的有機PSs大多不溶于水、易聚集，限制了活性氧的生成。與其它納米載體負載有機小分子化療藥物類似，在納米載體上通過物理作用或共價鍵修飾等方式負載PSs可以增加其水溶性并提高其穩(wěn)定性，從而提高其生物利用度，提高治療效果[58-60]。Jo等報道了不經化學修飾的簡單增溶疏水光敏劑二氫卟吩(chlorin e6, Ce6)的方法，即通過單層LDH(MLH)與疏水光敏劑之間的靜電相互作用來增加其水溶性，用于PDT，顯示出巨大的治療優(yōu)勢。結果顯示，在荷瘤小鼠中，可溶性MLH/Ce6的PDT治療腫瘤的效果約為單獨注射Ce6的3.4倍[58]。另外，Gao等在ZnAl-LDH納米片層間插入疏水光敏劑間苯二甲酸(isophthalic acid, IPA)以增加其水溶性。相比于單獨的光敏劑間苯二甲酸，合成的納米復合物IPA/LDH表現(xiàn)出較高的1O2產率，在體內表現(xiàn)出極強的消融腫瘤的能力，而且毒性極低[61]。除了通過物理相互作用將光敏劑負載在LDH上增加其水溶性，Yan等報道了利用硅烷偶聯(lián)劑在LDH表面共價修飾Ce6以增加其水溶性及光穩(wěn)定性，然后負載Ag納米顆粒，用于光動力-化療聯(lián)合治療的研究。結果顯示，合成的納米復合物能夠有效地殺死革蘭氏陰性菌及革蘭氏陽性菌，值得注意的是，該工作尚未用于腫瘤光動力治療[62]。

除此之外，相對于已被廣泛研究的有機PSs，無機納米材料作為NIR PSs，具有優(yōu)良的光學穩(wěn)定性、易在腫瘤部位堆積等優(yōu)勢，因此備受關注。例如Au納米籠、石墨烯量子點、銅/錳硅酸鹽納米球包覆鑭系摻雜納米顆粒、BiAgOS納米顆粒等，已被報道作為高效NIR-I PSs[63, 64]。此外，包括Cu2(OH)PO4量子點、金納米粒子和銀摻雜Au/CdSexSy在內的幾種無機納米材料也被開發(fā)為NIR-II PSs。然而，這些已報道的適用于NIR-II的PSs產生ROS的效率較低，極大地限制了其在腫瘤治療方面的進一步應用。值得指出的是，NIR-III窗口(1350～1870 nm)比NIR-I和NIR-II窗口的光具有更大的最大允許曝光和更好的穿透深度，更有望作為PDT光源[65]。Tan等報道了簡單酸處理的超薄二維CoMo-LDH和NiMo-LDH納米片作為NIR-III光動力癌癥治療的高活性無機PSs(圖6a)。具體來說，通過水熱法合成超薄二維CoMo-LDH和NiMo-LDH納米片，然后通過簡單酸處理蝕刻得到缺陷豐富、電子結構也會發(fā)生變化的CoMo-LDH和NiMo-LDH納米片。值得注意的是，作為PSs使用時，富含缺陷的CoMo-LDH(簡稱DR-CoMo-LDH)納米片在NIR-III 1567 nm激光照射下能夠產生大量活性氧(包括·O2和1O2)，其活性是原始CoMo-LDH納米片的97倍。體外和體內實驗表明，經過PEG修飾后，DR-CoMo-LDH納米片在1567 nm激光照射下能夠高效殺滅癌細胞，消除腫瘤。該納米制劑成分簡單，僅利用富含缺陷的CoMo-LDH納米片自身作為PSs即可獲得較好的抗腫瘤效果，具有較大的臨床轉化潛力[65]。

3.2.6 LDH用于腫瘤免疫治療

近年來，通過激活患者自身的免疫系統(tǒng)，增強患者自身的抗腫瘤免疫能力從而殺死腫瘤細胞的免疫療法在臨床治療中展示出巨大潛力，并且越來越多的免疫治療藥物已被批準用于臨床治療。LDH納米顆粒不僅被認為是一種很好的疫苗載體，更是一種良好的免疫佐劑，表現(xiàn)出較大的應用潛力[30, 66]。

細胞對納米顆粒的攝取與納米顆粒的大小、形狀、表面電荷、靶向配體等密切相關[67]。Williams等通過合成不同特點的LDH，在體外實驗中得出人類樹突細胞對LDH的反應與LDH以下3種特性的線性組合高度相關：M2+金屬離子半徑、層間間距和表面電勢[68]。Chen等提出了一種貯藏效應來解釋LDH引起的長期免疫反應(圖6b)。由于LDH的緩慢降解，將形成松散的聚集體，并能長期穩(wěn)定存在。緩慢的降解可使抗原持續(xù)釋放。此外，松散聚集體中的空缺允許免疫細胞進入并吸收釋放的抗原。因此，免疫細胞(如樹突細胞)不斷被招募到儲存?zhèn)}庫并被激活，隨后維持高水平的特異性免疫反應。由于生物降解和細胞攝取緩慢，這種松散的聚集物能夠維持2個月左右，與商業(yè)佐劑明礬相比，其免疫反應的時間更長，炎癥反應更弱[66]。進一步的研究顯示，LDH可以上調某些細胞因子水平以促進免疫應答[69]。并且，在血液循環(huán)和脾臟中，活化的樹突細胞傾向于在注射部位與鄰近的未成熟樹突細胞交換內化的LDH納米顆粒。這種LDH的細胞內轉運現(xiàn)象會加速樹突細胞(抗原表位/MHC II類呈遞)和抗原表位/MHC I類復合體(交叉呈遞)的成熟，從而增強免疫反應[70]。以上這些研究表明，LDH納米顆粒在腫瘤免疫治療尤其是疫苗遞送領域具有廣闊的應用前景。

圖6 富含結構缺陷的CoMo-LDH納米片表面修飾聚乙二醇(PEG)及其在NIR-III PDT中的應用示意圖(a)[65]，粘土納米佐劑與抗原復合物可在注射部位形成結構疏松的聚集體(b)[66]，LDH-EGCG-HA納米平臺的合成及協(xié)同化療-CDT示意圖(c)[76]Fig.6 Schematic illustration of the defect engineering ofCoMo-LDH nanosheets, surface modification with PEG and its application in NIR-III PDT (a)[65], clay nanoadjuvants complexed with antigen are able to form nodules with loose structure at the site of injection (b)[66], schematic illustration of the synthesis of LDH-EGCG-HA nanoplatforms and the process of the cooperative chemo-chemodynamic therapy (c)[76]

3.2.7 LDH用于腫瘤聯(lián)合治療

不同于單獨的某一種治療手段，LDH基納米平臺在藥物與藥物、基因與藥物、藥物與動力學治療、藥物與PTT等聯(lián)合治療策略中被廣泛研究[71-75]。相比于單獨的治療方式，聯(lián)合治療能夠充分結合腫瘤的生理特點及納米材料的特點，從而提高治療效果且減小副作用。例如，作者團隊Zhang等針對單獨的CDT效果有限這一問題，合成了鐵鋁層狀雙金屬氫氧化物納米顆粒(FeAl-LDH)，在其上負載抗癌藥物沒食子兒茶素-3-o-沒食子酸酯(EGCG)，然后與硼酸修飾的透明質酸結合，進行化療與CDT協(xié)同治療(圖6c)。形成的LDH-EGCG-HA納米平臺可以特異性靶向過表達CD44受體的腫瘤細胞，在腫瘤微環(huán)境中快速釋放鐵離子和EGCG，并通過EGCG加速Fe3+/Fe2+循環(huán)，增加芬頓反應中生成的羥基自由基的量，進一步引起脂質過氧化物增加，增強腫瘤鐵死亡，實現(xiàn)化療和CDT協(xié)同治療的效果。體內實驗進一步驗證了設計的LDH-EGCG-HA納米平臺對正常器官無明顯毒副作用[76]。

另外，Xu等報告了一種三功能LDH納米系統(tǒng)，可在極低的治療劑量下聯(lián)合PTT/化療治療皮膚癌。該納米體系(ICG/Cu-LDH@BSA -DOX)由酸響應性牛血清白蛋白-阿霉素前藥(BSA-DOX)和吲哚菁綠(ICG)插層銅摻雜LDH納米顆粒組成。ICG/Cu-LDH@BSA-DOX能以酸敏感的方式釋放DOX，在808 nm激光照射下能夠高效發(fā)熱同時產生ROS，協(xié)同誘導癌細胞凋亡。體內治療評估表明，在808 nm激光照射(0.3 W·cm-2持續(xù)2 min)下，使用極低劑量的治療劑(0.175 mg·kg-1DOX、0.5 mg·kg-1Cu和0.25 mg·kg-1ICG)進行治療，幾乎可以根除腫瘤組織。該研究為納米制劑的臨床應用提供了一種新型策略[77]。

3.3 LDH基納米平臺用于腫瘤的診療一體化

近年來，具有診療功能的納米材料能夠將成像和治療結合在一起，因而受到廣泛關注。雖然非侵入性可視化監(jiān)測的診斷和同步給藥具有很高的挑戰(zhàn)性，但對于癌癥等嚴重疾病具有重要的臨床轉化意義。LDH具有高載藥量、能夠保護荷載以及高響應性等特性，被廣泛用于診療一體化納米平臺的構建[78-80]。Peng等[81]采用“自下而上”的方法合成Gd摻雜的LDH納米片(Gd-LDH)作為藥物載體，以超高的裝載效率裝載DOX和ICG，合成了DOX&ICG/MLDH納米復合物，實現(xiàn)了集化療、PTT和PDT于一體的三模式聯(lián)合治療策略(圖7a)。結果顯示，制備的DOX&ICG/MLDH納米復合物能夠實現(xiàn)pH和NIR光響應性藥物釋放，并產生大量ROS，在響應性藥物釋放方面具有良好的應用前景。體內NIR熒光和MR雙模態(tài)成像能夠無創(chuàng)地顯示DOX&ICG/MLDH在腫瘤部位的分布概況(圖7b)。體外細胞實驗和體內治療實驗表明，DOX&ICG/MLDH納米復合物的協(xié)同治療效果優(yōu)于單一治療模式，顯示出較強的腫瘤消除能力，具有良好的三模式協(xié)同抗癌活性和良好的生物相容性(圖7c)。此外，作者團隊Zhang等開發(fā)了一種靶向性納米平臺LDH-Fe3O4-HA/DOX，用于增強T1加權MR成像和腫瘤化療。結果顯示，合成的LDH-Fe3O4-HA具有良好的膠體穩(wěn)定性和生物相容性，與單獨Fe3O4NPs相比，r1弛豫性提高了10倍(4.38 mM-1·s-1vs. 0.42 mM-1·s-1)，對過表達CD44受體的癌細胞具有特異性靶向作用。LDH- Fe3O4-HA/DOX表現(xiàn)出pH響應性釋放DOX的性能。體內實驗結果顯示，利用透明質酸酶對腫瘤組織進行預處理，降解細胞外基質中過表達的透明質酸后，LDH- Fe3O4-HA/DOX具有更好的腫瘤穿透性，可顯著增強MR成像效果，降低腫瘤化療的副作用[21]。

圖7 具有三模式聯(lián)合治療功能的LDH基納米平臺[81]：(a)基于MLDH的納米藥物遞送系統(tǒng)示意圖，(b)HepG2人肝癌荷瘤鼠靜脈注射不同材料(生理鹽水、DOX&ICG/MLDH和DOX&ICG)后在不同時間點的體內熒光成像及生物分布圖，(c)經過不同處理后相對腫瘤體積增長曲線Fig.7 LDH-based nanoplatform with tri-mode combination therapy functions[81]:(a) schematic illustration for MLDH-based drug delivery system toward efficient loading and precisely controlled delivery of theranostic agents, (b) in-vivo fluorescence imaging and biodistribution of nude mice bearing HepG2 tumors at different time points post intravenous injection of saline, DOX&ICG/MLDH, and DOX&ICG (the blank arrows point out the tumor location in mice), (c) HepG2 tumor growth curves with various treatments

4 結 語

本文介紹了層狀雙金屬氫氧化物(layered double hydroxides, LDH)基納米平臺的合成策略，討論了LDH基納米平臺在癌癥診斷及治療領域的最新進展。基于LDH良好的生物相容性、化學可修飾性、較大的荷載量、pH響應性等特點，LDH基納米平臺被應用于腫瘤診療的各個方面。在腫瘤診斷中，越來越多結構精巧、功能先進的LDH基納米平臺被設計出來，用于腫瘤的光學成像、磁共振成像、核醫(yī)學成像、多模態(tài)成像等；在腫瘤治療方面，目前已開發(fā)出了更多效果顯著，副作用小、利用率高的LDH基納米平臺，用于腫瘤化療、化學動力學治療、光學治療、免疫治療及聯(lián)合治療等；在診療一體化方面，也逐漸開發(fā)出了具有診斷及治療雙功能的LDH基納米平臺。

雖然LDH基納米平臺用于腫瘤診療已經取得了較多進展，但仍然面臨較多挑戰(zhàn)：① 目前報道的LDH基無機納米平臺仍然存在可重復性差這一問題，LDH的合成存在一定的限制。例如在相同的溶液和相同的合成環(huán)境下，合成的LDH納米顆?？赡軙哂胁煌男蚊埠统叽?；② LDH基納米平臺在核醫(yī)學領域已有部分報道，但相關研究仍處于起步階段，亟需開發(fā)更多的LDH基納米平臺用于核醫(yī)學成像并對其機制進行探究；③ 越來越多新的腫瘤治療方式被報道，將LDH基納米平臺用于新方式的腫瘤治療有待更多探究；④ 近年來，腫瘤免疫治療和疫苗開發(fā)受到廣泛關注，而LDH基納米平臺在這一領域的研究僅有少量報道，需要更進一步的探索；⑤ 越來越多的靶向技術被開發(fā)出來，例如磁靶向、新型靶向分子、包覆腫瘤細胞膜以實現(xiàn)同源靶向等技術，LDH基納米平臺應該結合更多靶向技術，以實現(xiàn)特異性治療；⑥ 目前LDH基納米平臺的進展仍然局限于實驗室研究，距離臨床應用仍有很大的一步需要邁出，因此，LDH基納米平臺在體內的生物分布、代謝機制、生物毒性等問題仍需要深入探究；⑦ 隨著細胞生物學及腫瘤學的進展，越來越多的金屬離子被發(fā)現(xiàn)參與普通細胞和腫瘤細胞的代謝活動并發(fā)揮著重要作用，結合LDH的結構特點及酸響應性，合成一些含有特殊金屬離子的精巧LDH基納米平臺將會在腫瘤診療中發(fā)揮極大優(yōu)勢。最后，隨著納米醫(yī)學的更深入研究，LDH基納米平臺有望在腫瘤的精準醫(yī)療及個性化醫(yī)療方面發(fā)揮更大作用。