Natl. Sci. Rev.劉莊綜述：腫瘤酸性微環境響應性納米診療平臺的構建新思路

【引言】

由大量無氧糖酵解引起的酸性微環境（TME）是惡性腫瘤的重要特征之一，也是誘導腫瘤發生、轉移以及耐藥性產生的一個重要因素。近年來，隨著對酸性TME的理解越來越深刻，酸性TME被認為是腫瘤診斷與治療的一個新的標靶，這種標靶對于設計pH響應性納米藥物及其納米診斷具有非常重要的意義。

近日，蘇州大學功能納米與軟物質研究院劉莊教授（通訊作者）等人在最新的綜述文章中詳細介紹了具有標靶特殊酸性TME的納米藥物及其多功能納米診療的最新進展，系統地總結了目前納米醫學領域有關腫瘤微酸響應性納米診療平臺的構建新思路，闡述了腫瘤微酸響應性信號放大策略在腫瘤成像造影劑設計中的應用，指出該策略可顯著提高成像的信噪比，并能進一步提高腫瘤早期診斷的精準性，以及微酸響應性表面電荷反轉、粒徑變化等策略可有效提高材料在腫瘤部位的富集、擴散與吞噬等行為，為腫瘤的安全高效治療提供了可能。該綜述文章以“The Acidic Tumor Microenvironment: A Target for Smart Cancer Nano-theranostics”為題，于6月24日發表在《國家科學評論》（National Science Review，NSR）期刊上。

綜述總覽圖

1．前言

癌癥，即惡性腫瘤，是目前威脅人類生命的重要疾病之一。目前的臨床常用的治療方法有手術、化學療法以及放射療法，但是因為腫瘤細胞具有復雜和多樣化的生物學性質，這幾種治療方法的效果不是很理想。近幾十年，納米藥物因為具有強大的穿透性和持續性（EPR）特性，能有效滲透腫瘤血管并在腫瘤細胞中富集，達到增強藥效，降低副作用，所以它一直被認為是診斷和治療癌癥的最有前景的方法。然而，越來越多的證據表明，EPR效果雖然能在動物腫瘤細胞中發揮作用，但可能在人體腫瘤細胞中并不有效，或者在不同人體、不同腫瘤類型以及不同腫瘤階段效果都會有所不同。所以，很多臨床應用納米藥物的效果并不是很好，甚至為了降低藥物的副作用還增加了病人身體的不適。

為了改進納米藥物的治療效果，近幾年，研究人員一直探索腫瘤細胞的活性標靶，例如腫瘤細胞的特殊基團（抗體、肽、小分子），這種基團能識別經過腫瘤細胞（或者腫瘤血管系統）的納米藥物，成為藥物的受體。但是，因為不同患者的受體表達不同，以及納米藥物制備的復雜性，腫瘤活性標靶策略不是很成功。

過去幾年，越來越多的證據表明，由腫瘤細胞、基質細胞、免疫細胞以及細胞外間質組成的腫瘤微環境（TME），與正常的組織相比，在血管生成、有氧呼吸以及代謝狀態等方面，有顯著的不同。與正常細胞通過氧化磷酸化獲取能量的方式不同，腫瘤細胞因為脈管系統分布不均勻（也稱瓦氏效應），供氧量不足，所以只能利用無氧糖酵解產生的能量。因此，腫瘤細胞會產生大量的乳酸、氫離子以及二氧化碳，從而導致細胞外TME酸化，pH值在6.5-6.8之間，使腫瘤轉移的風險增加，治療難度加大。

然而，證據表明，這種酸性TME可以作為腫瘤顯影和治療的有效靶標，與傳統的受體－配體的腫瘤標靶方法相比，因為大多數惡性腫瘤的pH都具有酸性的特點，所以前者優勢非常明顯。目前，隨著納米技術的進步，研究人員已經研究了幾種具有腫瘤酸性響應性的納米藥物，包括有機聚合物以及無機納米材料，這些響應包括物化性質（例如表面電荷、粒徑等）發生改變、共價鍵斷裂以及分解等等。而且，已經證明，這種酸性TEM響應性納米藥物可以在略低于正常生理pH（7.4）的條件下（pH為6.5-6.8），通過放大顯影信號、增強藥物在腫瘤中的累積、增強藥物穿透性等機理，提高腫瘤顯影和治療的準確性和效率。

2．酸性TME響應性納米療法設計的分子機理

因為無氧糖解速率較高，相比于正常組織的pH（7.4），腫瘤細胞內的pH較低（6.5-6.8）。盡管這種pH差異較小，但是很多有機功能基團和無機材料對此差異仍然有響應，表1中列出了不同的酸性TME響應性納米診療法的分子機理。

表1 不同的酸性TME響應納米診療法分子機理

3．酸性TME顯影的納米探針

對不同腫瘤進行顯影對于癌癥的診斷和治療非常重要，鑒于細胞外pH值于糖解速率有關，測量細胞外pH值對于腫瘤診斷的準確性具有重要的作用。目前，除了插入式微電極顯影外，還有其他一些顯影方式，必入MRS顯影、CEST MR顯影、PET顯影等。近幾年隨著納米技術的發展，納米探針顯影技術逐步被應用，包括熒光顯影納米探針、PA顯影探針、MR顯影探針等等。

3.1 pH響應性熒光顯影納米探針

熒光顯影是最常見的一種顯影方式，它靈明度高，色彩鮮明，而且易操作。但是傳統熒光顯影由于顯影探針對顯影背景的區分度不高，所以顯影效果不理想。最近pH響應性熒光顯影納米探針得到了快速的發展，如下圖所示。

圖1 NIR熒光顯影技術指導腫瘤手術（含有pH響應和ICG技術的納米感應器）

（a）pH為6.9時，PINS響應開關示意圖；pH小于6.9時，PINS分離成質子化高熒光度的單聚體；pH大于6.9時，PINS熄滅；

（b）腫瘤代謝顯影示意圖（PET＋FDG顯影與NIR熒光＋PINS顯影對比）；

（c）有大型HN5腫瘤（200mm³）和小型HN5腫瘤（10mm³）的SCID鼠：顯影表明，相比FDG-PET，PINS在靈敏度和獨特性方面具有優勢；黑箭頭和藍箭頭分別表示PET對棕色脂肪和橫紋肌顯影失效；

3.2 pH響應性光聲顯影納米探針

光聲顯影（PA）又稱作熱聲顯影，與傳統光學顯影相比，PA能對組織結構進行深入的檢測。目前，結合PA技術，很多具有強NIR吸收的腫瘤納米檢測技術得到發展，例如pH響應性光學顯影，如下圖所示。

圖2?光聲顯影探測腫瘤pH

（a）C-HAS-BPOx-IR825的形成過程及其應用示意圖（在比率熒光和熒光顯影的條件下的pH響應）；

（b）pH降低時，BPO_x配體的質子化過程示意圖；

（c）C-HAS-BPOx-IR825 的UV-vis-NIR吸收光譜（600nm下不同pH值的緩沖液）；

（d）C-HAS-BPO_x-IR825的PA顯影（不同pH值的緩沖液）；

（e）實驗鼠注射C-HAS-BPOx-IR825后，不同尺寸腫瘤的PA顯影（680nm和825nm條件）；

（f）根據（e）中的PA顯影數據，腫瘤的I₆₈₀／I₈₂₅信號強度比。

3.3 pH響應性MR顯影納米探針

MR顯影因分辨率高、能全身檢測而被廣泛應用，同時，pH響應性MR顯影也達到了快速發展。目前，利用錳氧化物對pH敏感易分解的特點，含有Mn²⁺納米結構MR顯影納米探針已經被開發了出來，如下圖所示。

圖3?非插入式MR腫瘤顯影的PEGMnCaP納米粒子（具有信號放大和pH響應）

（a）PEGMnCaP納米粒子復合結構示意圖；

（b）不同pH生理條件下，PEGMnCaP納米粒子釋放曲線圖；

（c）不同pH以及有／無氫離子（例如HSA）的生理條件下，PEGMnCaP納米粒子的弛豫效能r₁示意圖（PEGMnCaP釋放的Mn^2＋與HAS作用使增大r₁）；

（d）用1T MRI檢測有C26腫瘤實驗鼠的MR顯影圖（左圖表示注射PEGMnCaP前后的顯影圖，中圖表示注射Gd-DTPA前后的顯影圖，右圖表示注射PEGMn₂O₃前后的顯影圖）；

（e）實施PEGMnCaP、Gd-DTPA和PEGMn₂O₃后，T/N對比率；

（f）用7T MRI檢測C26腫瘤的3DMR顯影圖（注射PEGMnCaP之前）；

（g）用7T MRI檢測C26腫瘤的3DMR顯影圖（注射PEGMnCaP 1h之后）；

4．酸性TME響應性納米療法

過去幾年，基于酸性TME（pH為6.5-6.8）甚至酸性更強的細胞內溶酶體（pH為5-6），大量酸性響應的納米藥物輸送系統（NDDSs）被開發了出來，已經有了有很多關于細胞內酸性微觀環境響應性NDDSs的綜述。因此，本部分主要介紹酸性TME響應性納米粒子療法的最新進展。

4.1 pH響應性電荷可反轉的納米粒子

在納米藥物領域，酸性TME被認為是開發智能NDDSs腫瘤療法的良好標靶，研究表明NDDSs的化物特性（例如NDDSs表面的電荷特性等等）在血液循環、藥物穿透、藥物富集等方面具有重要作用。因此，研究人員對pH響應性NDDSs表面電荷反轉的特性展開了研究，如下圖所示。

圖4?基于DMMA的酸性TME響應性腫瘤納米療法示意圖

（a）納米PAMA-DMMA的制備，該納米材料對腫瘤細胞外部pH響應性且電荷可反轉；

（b）pH響應性電荷可反轉的電荷可逆上反轉納米粒子（UCNPs）的制備過程，該UCNPs具有酸性TME響應PEG層消失的特點。

圖5?基于CDM的酸性TME響應性腫瘤納米療法示意圖

（a）在水溶液中，PEG-Dlink_m-R9-PCL的自組裝示意圖，D_m-NP_siRNA的形成及其輸送至腫瘤細胞的示意圖；

（b）腫瘤酸性微環境響應性分散納米粒子的制備，該粒子具有穿透性強、效率高的特點。

4.2 pH響應性PEG層可消除納米粒子

聚乙二醇化（PEGylated）的納米粒子周圍的PEG層，使納米粒子表面非常的敏感。高度PEGylated的NDDSs，通常不利于腫瘤細胞對抗腫瘤藥物的吸收，因此可以設計智能NDDSs，使其具有對TME的pH敏感的PEG層。其示意圖如圖4（b）所示。

4.3 pH響應性粒徑可變化的納米粒子

納米粒子的粒徑大小對其在腫瘤組織中的穿透、富集有重要的影響，因此也影響著NDDSs的納米診療的效果，其示意圖如圖圖5（b）所示。

5．結論和展望

文章介紹了具有標靶特殊酸性TME的納米藥物及其多功能納米診療的最新進展，系統地總結了目前納米醫學領域有關腫瘤微酸響應性納米診療平臺的構建新思路。因此，利用標靶酸性TME的納米藥物及其多功能納米診療的方法，克服傳統腫瘤療法的不足，提高腫瘤診斷的效率、納米藥物的穿透性和富集能力，為腫瘤的診療提供便利。

文獻鏈接：The Acidic Tumor Microenvironment: A Target for Smart Cancer Nano-theranostics（Natl. Sci. Rev., 2017. DOI:10.1093/nsr/nwx062）

本文由材料人編輯部高分子小組熊文杰提供，材料牛編輯整理。

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