胡希，趙青威

(1.浙江大學醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院臨床藥學部，杭州 310003；2.浙江省藥物臨床研究與評價技術(shù)重點實驗室，杭州 310003)

聲動力治療(sonodynamic therapy，SDT)在光動力治療基礎(chǔ)上發(fā)展而來。SDT需要三個基本條件，即超聲波(ultrasound，US)、聲敏劑和氧氣(O2)[1]。US對腫瘤組織具有一定殺傷力，聯(lián)合聲敏劑后對細胞的殺傷效力顯著增強。目前聲敏劑包括有機小分子聲敏劑和無機納米聲敏劑。有機小分子聲敏劑有卟啉和酞菁類(如血卟啉、血卟啉單甲醚、原卟啉、二氫卟吩e6)、氧雜蒽類(如玫瑰紅)和吲哚菁綠等[2]。但大部分有機小分子聲敏劑存在水溶性差、化學穩(wěn)定性低和持久光毒性等問題，限制了SDT效果[3]。無機納米聲敏劑具有優(yōu)越的化學穩(wěn)定性和較低的光毒性，且易于化學改性和表面功能化修飾，具有更廣闊的SDT應(yīng)用前景[4-5]。此外，無機納米聲敏劑憑借獨特的物理化學性質(zhì)，能夠與其他腫瘤治療策略[如化學治療(化療)、光熱治療、化學動力學治療、免疫治療和氣體治療等]聯(lián)用，以協(xié)同提高腫瘤治療效果。筆者在本文擬從化學材料和藥物制劑角度，深入剖析無機納米聲敏劑構(gòu)建及其腫瘤多模式治療策略開發(fā)，以期推動無機納米聲敏劑和SDT領(lǐng)域發(fā)展。

1 SDT治療機制及無機納米聲敏劑種類

1.1SDT治療機制 當US[通常為1.0～2.0 MHz，強度0.5～3.0 W·(cm2)-1]在液體環(huán)境中與聲敏劑相互作用時，會出現(xiàn)超聲空化現(xiàn)象。US引起的壓力變化導致液體中氣泡形成。聲敏劑可以通過聲空化直接活化產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species，ROS)，包括單線態(tài)氧(1O2)、羥基自由基(·OH-)和超氧陰離子(·O2-)，有效損傷細胞內(nèi)DNA和蛋白質(zhì)，并促進細胞脂質(zhì)過氧化，誘導腫瘤細胞凋亡[4](圖1)。

圖1 聲動力治療機制

1.2無機納米聲敏劑種類 相較于有機納米材料，無機納米聲敏劑具有穩(wěn)定性好、物理化學性質(zhì)可控、易于化學改性和表面修飾等優(yōu)勢，在腫瘤診斷和治療中具有出眾潛力[6]。目前，已開發(fā)出二氧化鈦(titanium dioxide，TiO2)、硅、碳、其他金屬納米材料(過渡金屬氧化物和貴金屬納米材料等)和其他非金屬納米材料等無機聲敏劑[4](圖2)。利用化學手段調(diào)控無機納米聲敏劑結(jié)構(gòu)和化學組成等，能夠在US觸發(fā)下促進電子和空穴分離，或憑借豐富空化成核位點降低空化閾值，提高ROS產(chǎn)生效率進而顯著增強SDT效果。

1.2.1TiO2納米材料 在紫外光或US輻照下，TiO2電子從價帶轉(zhuǎn)移到導帶，導致形成電子空穴；高活性空穴和電子與H2O和O2分子反應(yīng)形成多種ROS，誘導細胞死亡[7]。但是其具有帶隙較寬和受激發(fā)后電子-空穴快速復合等缺點，ROS量子產(chǎn)率較低[7]。將貴金屬、金屬氧化物或非金屬納米材料與TiO2結(jié)合，通過捕獲激發(fā)態(tài)電子抑制電子與空穴復合，能夠提高量子產(chǎn)率[8]。GENG等[9]通過將帶部分氧化正電荷Cu2-xO層的Cu2O納米點均勻生長在帶部分還原負電荷TiO2-y表層的TiO2納米薄片，構(gòu)建一種窄帶隙異質(zhì)結(jié)構(gòu)Cu2-xO@TiO2-y納米聲敏劑。通過提高電荷轉(zhuǎn)移，顯著提高US觸發(fā)1O2和·OH的生成速率，并顯著改善US生成的電子-空穴對的空間分離動力學。

圖2 無機納米聲敏劑種類

1.2.2硅和碳納米材料 硅納米材料通過提供空化成核位點、降低空化閾值促進空化氣泡形成，殺傷腫瘤細胞[10-11]。石墨烯和富勒烯等碳納米材料也能夠分離電子和空穴，在US激發(fā)下顯著提升ROS的產(chǎn)生效率[12]。基于此類納米材料，DAI等[13]通過溶劑熱反應(yīng)法基于二維還原石墨烯納米片原位構(gòu)建TiO2和氧化錳(MnOx/TiO2-GR)復合納米聲敏劑，二維石墨烯具有超高的電導率，與TiO2協(xié)同促進電子-空穴分離以提升SDT效率。

1.2.3其他金屬納米材料 除了一系列TiO2納米聲敏劑，最近幾年陸續(xù)開發(fā)出其他一些新型金屬納米聲敏劑。JIAO等[14]在熔融鎂中于高純度氬氣(argon,Ar)和氫氣(hydrogen,H2)環(huán)境進行鎂熱還原反應(yīng)，制備富含氧缺陷的氧化鋯(ZrO2-x@PEG)納米聲敏劑。它可以增強US觸發(fā)的電子-空穴分離，從而在SDT過程實現(xiàn)較高ROS量子產(chǎn)量。LIANG等[15]利用溶劑熱反應(yīng)法制備出窄帶隙四硫化釩(vanadium tetrasulfide,VS4)納米聲敏劑，進一步將Pt納米粒原位嵌入VS4表面以利于電子捕獲，進而在US觸發(fā)下高效產(chǎn)生ROS。此外，WU等[16]使用溶劑熱反應(yīng)法合成壓電四方BaTiO3聲敏劑，并通過化學還原沉積負載Au，得到方形Au@BaTiO3納米聲敏劑。US輻照會引起B(yǎng)aTiO3的機械變形和壓電效應(yīng)，觸發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對。表面Au納米粒誘導BaTiO3能帶彎曲，促進電子-空穴分離和遷移，進一步與周圍分子(如H2O和O2)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生毒性·OH和1O2。

1.2.4其他非金屬納米材料 LIU等[17]聚焦黑磷(black phosphorus，BP)納米材料，合成3種不同的共價功能化少層數(shù)BP納米片(BPNSs)，分別為表面富勒烯功能化的BPNSs(C60-s-BP)、表面苯甲酸功能化的BPNSs(BA-s-BP)和C60邊緣功能化的BPNSs(C60-e-BP)。研究發(fā)現(xiàn)，C60-s-BP和BA-s-BP的SDT功效均優(yōu)于原始BPNSs，且BA-s-BP通過產(chǎn)生最多·OH而展現(xiàn)出最強的SDT功效。

2 無機SDT納米體系用于腫瘤聯(lián)合治療

無機SDT納米材料具有獨特的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)，利于實現(xiàn)腫瘤光熱治療、光動力治療和化學動力學治療等[18]。此外，其憑借良好的藥物負載能力、生物相容性、化學修飾性和物理化學穩(wěn)定性，被廣泛開發(fā)為藥物遞送載體[19]。利用化學和藥物制劑技術(shù)，設(shè)計和優(yōu)化無機SDT納米體系能夠?qū)崿F(xiàn)SDT與其他治療策略(如化療、光熱治療、化學動力學治療、免疫治療和氣體治療等)聯(lián)合，以提高多模式腫瘤治療效果。

2.1無機SDT納米體系聯(lián)合化療 無機介孔材料(如介孔TiO2[20]、介孔硅[21]和介孔碳[22])憑借材料的高比表面積和比孔容均已用于藥物負載和疾病治療。例如，LIANG等[23]合成中空介孔Pt-TiO2納米聲敏劑，并利用TiO2的中空結(jié)構(gòu)負載多柔比星(DOX)，通過化療協(xié)同SDT顯著提高腫瘤治療效果。

2.2無機SDT納米體系聯(lián)合光熱治療 一些無機納米材料具備特殊的光學性質(zhì)，將吸收的外部光源能量轉(zhuǎn)化為熱能，導致局部高溫以實現(xiàn)光熱治療[24-25]。HAN等[26]合成黑色TiO2@TiO2-x納米聲敏劑，表面具有無定形氧缺陷的TiO2-x層，使其在NIR-II生物窗口(1064 nm)具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率(39.8%)。體內(nèi)外研究結(jié)果表明，TiO2@TiO2-x介導SDT聯(lián)合光熱治療能夠有效消除腫瘤，無明顯復發(fā)。GONG等[27]通過液相剝離法合成氫化鈦TiH1.924納米點聲敏劑，其在1064 nm近紅外光下具有較強的吸收。它憑借溫和的光熱效應(yīng)增強腫瘤內(nèi)的血流和改善腫瘤的氧含量，能夠?qū)崿F(xiàn)SDT聯(lián)合光熱協(xié)同治療。

2.3無機SDT納米體系聯(lián)合化學動力學治療 納米材料(如Fe、Mn和Cu等)通過催化腫瘤微環(huán)境的過氧化氫(H2O2)發(fā)生芬頓或類芬頓反應(yīng)產(chǎn)生ROS，殺死腫瘤細胞[28]。例如，Cu2-xO@TiO2-y納米聲敏劑中，Cu+-Cu2+不僅通過類芬頓反應(yīng)催化腫瘤內(nèi)源性H2O2生成·OH，而且消耗內(nèi)源性GSH，協(xié)同放大ROS誘導的氧化應(yīng)激并有效消除腫瘤組織[9]。此外，F(xiàn)e-VS2片狀聲敏劑通過在腫瘤微環(huán)境中催化H2O2產(chǎn)生ROS，并且憑借多價Fe和V元素消耗GSH[29]。光聲/磁共振雙模態(tài)成像顯示Fe-VS2NSs在腫瘤中大量富集，利于實現(xiàn)SDT聯(lián)合化學動力學介導的腫瘤高效治療。

2.4無機SDT納米體系聯(lián)合免疫治療 SDT通過釋放損傷相關(guān)分子模式誘導免疫原性細胞死亡(immunogenic cell death，ICD)，釋放腫瘤相關(guān)抗原，從而激發(fā)抗腫瘤免疫反應(yīng)[30]。TAN等[31]以TiO2為內(nèi)核包覆磷化鈣(calcium phosphide,CaP)殼層，構(gòu)建具有酸響應(yīng)性的TiO2@CaP納米聲敏劑。在腫瘤酸性微環(huán)境和腫瘤細胞溶酶體中，CaP殼層響應(yīng)性降解并暴露TiO2納米粒；同時CaP殼層降解導致釋放大量Ca2+并造成Ca2+過載，協(xié)同促進產(chǎn)生ROS，進而誘發(fā)ICD，提高免疫細胞浸潤和殺傷性T細胞水平。通過聯(lián)合PD-1檢查點阻斷療法，有效抑制近端、遠端腫瘤的生長，同時顯著抑制肺轉(zhuǎn)移的發(fā)生。另外，ZrO2-x@PEG/cRGD聲敏劑在近紅外二區(qū)和US輻照下產(chǎn)生局部高熱和毒性ROS，激活I(lǐng)CD并上調(diào)促炎炎癥細胞因子水平，有效抑制異種移植瘤生長[14]。

2.5無機SDT納米體系聯(lián)合氣體治療 目前用于腫瘤氣體治療的氣體有一氧化碳(carbon monoxide,CO)、O2、H2和二氧化碳(carbon dioxide,CO2)等[32]。Au-黑磷量子點介孔硅(Au-BMSNs)納米聲敏劑能夠負載CO釋放分子CORM-401，經(jīng)巨噬細胞細胞膜修飾后，得到體內(nèi)長循環(huán)的仿生納米系統(tǒng)(N@CAu-BMSNs)[33]。它通過US輻照產(chǎn)生CO和1O2，誘導線粒體功能障礙和細胞凋亡，并激活機體免疫系統(tǒng)，實現(xiàn)SDT聯(lián)合氣體協(xié)同抗腫瘤治療。

大多腫瘤在生長過程中會導致不同程度的乏氧，而乏氧是導致腫瘤轉(zhuǎn)移和耐受的重要原因之一[34]。此外，乏氧還會影響SDT、化療和光動力療法等需氧治療的效果。納米材料在緩解乏氧微環(huán)境方面主要有兩種策略：①基于紅細胞或全氟化碳將氧氣直接輸送到腫瘤中[35]；②通過化學催化等方法在腫瘤微環(huán)境中原位產(chǎn)氧[36]。目前貴金屬和金屬化合物納米材料，如Au、Pt、MnO2、鈰基(CeO2)和Fe等納米體系具有過氧化氫酶類酶性質(zhì)，將H2O2底物催化為O2和H2O分子[37-38]。例如，GSH-Pt-VS4納米聲敏劑通過Pt納米粒催化腫瘤微環(huán)境中H2O2產(chǎn)生大量O2，緩解腫瘤乏氧環(huán)境，為SDT介導的1O2產(chǎn)生提供足夠的氧源[15]。

3 結(jié)論與展望

納米材料和藥物制劑學科的蓬勃進步大力推動了SDT領(lǐng)域的發(fā)展。然而，從實驗研究轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用之路仍然漫長且充滿挑戰(zhàn)?？蒲袑W者仍需繼續(xù)致力于提高無機納米聲敏劑和小分子有機聲敏劑的光敏性能和生物安全性。雖然許多研究已經(jīng)闡明納米材料的短期生物相容性及體內(nèi)生物分布，但系統(tǒng)的長期慢性毒性研究對于早日步入臨床試驗仍十分必要。另外，考慮到無機納米聲敏劑的體內(nèi)滯留問題，開發(fā)體內(nèi)響應(yīng)性降解或排泄的無機納米聲敏劑是未來SDT領(lǐng)域發(fā)展的方向之一。另外，無機納米聲敏劑介導的SDT及多模式聯(lián)合治療在臨床診斷及治療中具有廣闊而深遠的應(yīng)用前景。相信納米材料、化學材料和生物醫(yī)學等多學科交叉融合將進一步賦予納米材料及SDT腫瘤治療更多的創(chuàng)新推動力。