意大利V.Cauda综述:远程激活纳米颗粒治疗癌症

Remotely Activated Nanoparticles for Anticancer Therapy

Luisa Racca, Valentina Cauda*

Nano-Micro Lett.(2021)13:11

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00537-8

本文亮点

1. 综述了远程激活纳米颗粒在抗癌中的重要性。

2. 介绍了每一个物理刺激信号与几种纳米材料可能的主动协同作用

3. 讨论了涉及远程触发纳米颗粒的临床试验

内容简介

癌症已成为当今世界上主要的死亡原因之一,传统的癌症治疗方法有各种局限性。最近,有人提出了一种通过远程激活纳米颗粒的方法触发癌细胞死亡,达到治疗癌症的目的。主要策略是将物理刺激信号和纳米颗粒作为两种不同的调控因素,通过施以无害的不同剂量,使二者结合产生协同作用,对目标细胞或组织进行治疗,同时限制对周围组织产生的副作用。通过调节纳米颗粒的性质和所涉及的触发刺激信号,不仅可以达到治疗效果,同时可获得一个强大的成像平台,实现纳米粒子对癌症的远程诊断和治疗一体化应用。意大利都灵理工大学Valentina Cauda教授等在本综述中重点介绍了纳米颗粒作为治疗或治疗工具的作用,排除了分子药物被激活的情况。本文中列举了许多高细胞毒性的例子,这些细胞毒性仅源自不同的物理刺激信号和纳米颗粒之间的主动相互作用产生。其中特别关注机械波响应纳米颗粒,其中远程激活的纳米颗粒直接成为治疗剂,而无需使用化疗药物或声致敏药物。
图文导读

I 背景介绍

远程激活纳米颗粒(NPs)的抗癌新疗法是基于两种不同成分的结合,即外部物理刺激和NPs,后者可以被刺激远程激活。刺激和NPs本身都是以无害的剂量单独给予的,但是当同时给予时,它们的协同作用会导致癌细胞死亡,也限制了对周围组织的负面影响。目前,物理输入和纳米颗粒之间的协同作用的作用机制并未完全解释清楚。一般来说,添加NPs可以放大物理刺激的效果,从而通过帮助将其效果集中在靶部位或通过吸收刺激并向周围介质释放另一种形式的能量来降低获得细胞死亡所需的剂量。

图1. 远程激活纳米颗粒(NP)的概况。介绍了放射治疗、射频(RF)、微波(MW)、光热疗法(PTT)和光动力疗法(PDT)、超声机械波(US)和冲击波(SW)对NPs的响应,以及对多种同时刺激的NPs响应。

II NPs辅助放射治疗

放射治疗是基于电离辐射的应用,如伽马射线和X射线,精确地聚焦在肿瘤区域。它能够通过直接诱导DNA损伤和水和氧分子氧化产生活性氧(ROS)来实现癌细胞的死亡。然而,放射治疗也有一些缺点,如肿瘤附近组织的损伤和耐药性的产生。此外,一些实体肿瘤处于低氧微环境,为使癌细胞死亡,必须增加辐射剂量,会导致健康组织的损伤。NPs辅助放射治疗是一种很有前途的抗肿瘤治疗方法。
将辐射暴露与能够增强辐射毒性的NPs联系起来。如具有减少对邻近组织的损伤和增强辐射相关损伤的金属纳米粒子。金、银、钆、铋和铂NPs单独使用,或与化疗药物或放射性核素和其他放射增敏剂联合使用,以改善辐射介导的细胞损伤。另外,几种非金属材料被用来提高放射治疗效果,如硒NPs。另一种选择是靶向癌细胞的辐射抗性,用NPs传递的药物干扰相关通路或使用能够影响这些机制的NPs。
III 射频响应NPs
热疗很少单独应用于临床,但它被认为是其他治疗的辅助手段。与NPs联合应用,有助于肿瘤内加热的集中化和限制副作用。射频(RF)热消融是热疗辅助抗癌的方法之一。几种类型的磁性和非磁性的NPs已被用于协同射频应用,利用它们的性质来提高温度用于抗癌。通常,外部源的应用产生频率范围为10 kHz–900 MHz的射频波。加热的机理取决于射频源和所用的纳米材料,常见的源有两种类型:(1)在螺线管内部产生交变磁场的感应耦合装置和(2)在平行板之间产生交变电场的电容耦合装置。磁性NPs,例如氧化铁NPs,可以受到磁场的刺激,而非磁性NPs,例如金NPs,似乎对电场更敏感。由于这些原因,磁性和非磁性介导的射频热疗有时被认为是两种不同的方法,例如Beik提出的纳米磁性热疗(NMH)和纳米射频消融(NaRFA)。
图2. (a) HepG2细胞与PSi NWs 4小时和(b) 24小时孵育的共聚焦图像。(c) HepG2细胞经不同浓度PSi NWs孵育4 h,再经射频照射后的存活率。(d) HepG2细胞经不同浓度PSi NWs孵育24小时及进一步射频照射后的存活率。结果显示为平均值±标准差****p<0.0001。
IV 微波响应NPs
一种可能的方法是采用与微波(MWs)协同的纳米材料,提高温度吸收能量,并可能促进焦耳热效应。此外,据报道一些纳米工具,例如氧化铁NPs和碳纳米管,能够在MW的输入下产生冲击波,从而引起细胞的机械刺激。磁性NPs具有良好的微波吸收性能,能有效地将微波能量转化为热能;金NPs在MW辐照下可用于提高微波热疗的疗效;碳基纳米材料吸收MW,并促进焦耳加热效应,显示出与MWs的良好协同作用。这些NPs的存在调节了组织的热导率和电导率,提高了热消融效率,但其作用机制尚不清楚。
另一种可能性是采用空心NPs填充能够增强微波热效应的分子。在这种情况下,涂层与NPs的作用主要是保护分子量增强器,并使其递送至目标区域。除了盐水溶液外,离子液体由于具有高极化率的特点而被提出。当NPs被用于运送化疗药物,如长春瑞滨或阿霉素时,也有报道称癌细胞了受到更严重的损伤。此外,NPs可以携带离子液体和化疗药物,以最大限度地发挥MWs的毒性作用。
图3. (a) 人血清白蛋白包被氧化铁纳米粒(HSA-SPIO)的合成过程及其给小鼠的给药的示意图,(b) 热声(TA)成像系统示意图,(c) HSA-SPIO作为与MWs协同作用治疗示意图。
光响应的NPs
5.1 光热治疗
光热疗法(PTT)是将目标区域的光能转化为热能的治疗方法。肿瘤区域达到41℃以上实现细胞死亡。为了最大限度地提高治疗效果和减少对周围健康组织的热损伤,提出了在近红外光刺激下单独使用或与其他染料结合使用能够提高温度的NPs。多种纳米材料显示出高水平的光热转换效率,但金可能是最常用的金纳米球、纳米星、纳米壳、纳米棒和其他几种构型已经在PTT中进行了测试,并且已经评估了几种涂层和/或与靶向配体的结合以实现对肿瘤细胞的精确聚焦作用。另外,其它金属如银、铂、铜、钯、氧化铁、量子点和稀土离子掺杂的光致发光纳米粒子显示高的光热转化效率。
由于上述纳米材料在临床应用中存在一些局限性,如生物降解性差,因此从碳基纳米材料开始,其他几种纳米材料被认为是PTT增强剂。单壁和多壁碳纳米管以及氧化石墨烯纳米颗粒是一种良好的光响应纳米结构,已经在PTT研究中得到应用。一些聚合物纳米粒子也被成功地用作PTT的抗癌剂。事实上,聚吡咯、聚-(3,4-亚乙基二氧噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸盐)、多巴胺黑色素和聚苯胺等聚合物已被用于构建生物相容性和光响应性NPs,以单独或与其他分子结合靶向癌细胞。
图4. 光热治疗机制。等离子体衰变(电子对光子,电子对电子,电子对声子)产生局部加热。
5.2 光动力治疗
光动力治疗(PDT)利用光敏剂在光照条件下产生不同的活性氧(ROS)来杀死细胞。一些NPs已提出单独或结合光敏剂,以提高光动力疗法的疗效。一些纳米材料如碳、氧化锌和二氧化钛,已经证明在光刺激后能够产生活性氧,它们本身就起到了光敏剂的作用。有时,两种或两种以上的材料耦合形成具有增强光响应的混合NPs。金、铜、铁和其他材料与氧化锌结合用于此目的,因为它们将其吸收从紫外光调节为可见光或近红外,其特征是具有更高的组织渗透性。
纳米粒也可以用来传递光敏剂。一些类型的无机纳米颗粒,例如硅和金纳米颗粒,以及脂质体和聚合物生物降解系统,被用于纳米载体输送光敏剂,并取得了有希望的结果。此外,纳米载体不仅可以包含光敏剂,还可以包含显像剂,成为一种治疗诊断工具。
图5. Jablonski图解说明PDT机制。光敏剂(PS)从基态激发到单激发态(PSE),再到三激发态(PSEt),在这种状态下,它可以以两种方式反应(I型和II型)。
VI 机械波疗法
6.1 超声响应的NPs
超声(US)辐照可以产生热效应和非热效应,被应用于诊断和治疗领域,包括抗癌治疗。高强度超声被用来大幅提高肿瘤区域的温度,通过凝固性坏死获得肿瘤的完全消融。此外,超声可以单独使用或与气泡结合使用,以促进药物或核酸的内化,从而暂时改变质膜的通透性。
近年来,学者提出了声动力疗法(SDT),即将超声输入与光敏剂分子耦合,然后使用NPs,以最大限度地提高治疗效果。在NPs辅助超声治疗过程中,必须考虑单纯超声照射、热照射和非热照射以及超声与NPs联合应用的影响。NPs的加入降低了空化阈值,这是获得声空化所必需的剂量。另外,声致发光衍生的光辐射能够激活光响应性NPs(例如,金或半导体NPs),产生不同的后果(例如,温度升高)、活性氧产生和其他。对于特定的化学不稳定的NPs(如氧化锌和氧化铁),超声刺激也可能引起NPs分解,并随着有毒离子的释放而增强其降解,导致细胞死亡。在压电材料(如钛酸钡)制成的NPs的情况下,超声刺激可能产生损害细胞功能的电荷。由于超声与NPs协同作用可导致细胞死亡的方式多种多样,大量不同的纳米材料被认为是声致敏剂。本文中着重介绍了金纳米颗粒、银纳米颗粒、二氧化钛基纳米颗粒、氧化锌纳米颗粒、氧化铁纳米颗粒、贫氧MnWOX纳米颗粒、硅基纳米颗粒、碳基纳米颗粒的应用。
图6. NP辅助超声治疗引起细胞毒性的可能机制。
6.2 冲击波响应的NPs
体外短波治疗是目前临床上用于治疗多种疾病的特点,不同的来源和影响不同的器官,如肌腱相关的病理,伤口愈合等。冲击波(SW)作为一种机械波,其治疗效果的一部分取决于所谓的机械传导效应。SW也可以单独抑制癌细胞的生长。另外,SW还可以暂时渗透细胞膜,提高药物和化疗药物的吸收,以及核酸的转运。一些研究人员提出可以在SDT治疗中使用SW,使用高能量的SW来激活声致敏剂可以使与我们有关的热效应最小化,并精确观察非热效应及其后果。氧化锌纳米晶体(ZnO NCs)可用作声敏化剂与SW的协同治疗。
图7. 单次和多次SW治疗与ZnO-NCs共孵育癌细胞的比较。样品:未处理细胞(Ctrl)、ZnO-NCs孵育细胞(ZnO-NCs)、SW处理细胞(SW)、ZnO-NCs孵育细胞和SW处理细胞(ZnO-NCs+SW)。结果显示为平均值±扫描电镜。*p<0.05,**p<0.01。
VII 联合刺激强化治疗
一般来说,NPs是由一个单一的远程刺激触发的,但是在文献中有一些NPs被同时给予两个或更多的物理输入激活的例子,使癌细胞死亡最大化。另外,可以使用由具有不同性质的材料组成的混合NPs。
第一种可能性是使用具有吸引人的特性的纳米材料来提高放射治疗效果,并且还能够产生与第二刺激相关的热疗。磁场(MF)响应的NPs(氧化铁NPs、混合NPs)可用于此目的,而且它们可以磁性地传送到目标区域并用于成像。另外,放射治疗与PTT的结合也得到了广泛的探索(如多种形态的金NPs、铋NPs、铂NPs,杂化纳米颗粒,如硫化铜或由金和氧化铁组成,已被广泛应用于联合PTT放射治疗方法)。除了放射治疗,还有一些纳米材料(如化铁纳米颗粒、由氧化铁和靶形成的杂化纳米颗粒)被MF和物理刺激(如活性氧)远程激活。
PDT也被提出与磁刺激相结合,在这种情况下,MF输入的目的也可以是成像和NPs的磁引导;磁热疗也可以与US联合使用;US与MW联合应用,以提高肿瘤的消融率;光动力治疗与光热治疗联合应用;此外,对于光-US双激活NPs可以应用于SDT–PTT的联合治疗;PTT-SDT的联合治疗以及PDT-SDT的联合治疗等。
图8. NPs与光和US的联合作用。(a) 协同效应图示,(b) 与纳米系统(B-TiO₂−x-PEG)共孵育后的细胞存活率,(c) 不同处理后的细胞存活率。***p<0.001,(d) 流式细胞术检测不同处理后细胞凋亡,Annexin-FITC和PI染色,(e) 激光共聚焦扫描显微镜观察不同处理后的图像,PI(红色荧光)、calcein-AM(绿色荧光)。比例尺为40μm,(f) 共聚焦激光扫描显微镜观察细胞经2′-7′二氯荧光素二乙酸酯染色后不同处理后的图像,比例尺20μm,(g) 流式细胞仪测定ROS生成量。
VIII 远程激活NPs的临床试验
使用NPs作为抗癌剂确实具有不同的优点,例如,利用EPR效应实现被动靶向的可能性,可能的修饰的多样性以提高其特异性,它们对外部刺激的反应可用于治疗、诊断或两种目的,以及其他一些目的。目前,有限数量的纳米颗粒正在进行临床试验或获得批准。要获得批准确实要面对一些挑战,以及各种生物、技术和研究设计、合成问题。
图9. 远程触发NPs治疗癌细胞死亡的临床试验。
作者简介

Valentina Cauda

本文通讯作者

意大利都灵理工大学

主要研究领域

治疗用纳米材料,包括人工和天然来源的脂双层覆盖的金属氧化物纳米材料的湿法合成,化学功能化和物理化学表征,旨在药物输送,肿瘤细胞靶向,生物成像。研究了金属氧化物纳米材料,例如氧化锌,中孔二氧化硅,二氧化钛和金属(金,银)纳米结构,以及脂质体和细胞衍生的细胞外囊泡。

个人简介

Valentina Cauda,意大利都灵理工大学副教授,TrojaNanoHorse (TNHLab)实验室主任。2010年获得慕尼黑大学化学系青年研究人员奖,2013年获得Giovedì Scienza奖,2015年获得Zonta化学奖,2017年获得USERN生物科学奖。发表文章90多篇,H因子40,4项国际专利。

Email: valentina.cauda@polito.it

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撰稿:《纳微快报》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知网、万方、维普等数据库收录。2020 JCR影响因子:12.264。在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore:12.9,材料学科领域排名第4 (4/120)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。
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