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二氧化硅纳米材料在肝癌治疗中应用进展全文

二氧化硅纳米材料在肝癌治疗中应用进展（全文）

摘要

肝癌的有效治疗一直是全球范围内不断探索的医学领域。

目前，肝癌治疗手段以手术为主，化疗、放疗、介入治疗为辅的联合治疗。

近年来，纳米材料在生物医学领域飞速发展，而基于二氧化硅纳米粒子的治疗平台具有尺寸和形状高度可控、毒性低、生物相容性好、生理条件稳定性和生物安全性好等优点，促进了人们将其由体外研究转向体内应用的研究。

二氧化硅纳米材料作为药物传输系统（DDS）在肝癌的诊断和治疗中的应用研究，可为二氧化硅纳米材料与肝癌诊疗的结合提供新的思路。

目前，肝癌最主要的治疗方式是手术治疗，射频消融、TACE治疗、放射治疗及分子靶向药物治疗等作为补充治疗手段［1］。

但手术治疗的术后5年复发转移发生率为40%～70%［2］，因此，需要探索和研究新的肝癌治疗方法。

近年来，纳米材料在生物医学领域的研究和应用发展迅速，可提高药物治疗肝癌的敏感度及靶向性等。

基于二氧化硅纳米粒子的治疗平台具有尺寸和形状高度可控、毒性低、生物相容性好、生理条件稳定性和生物安全性好等优点，可用于临床应用［3-5］，二氧化硅纳米粒子在肝癌治疗方面展现出了巨大的潜力。

本文就近年来二氧化硅纳米材料作为药物传输系统（drugdeliverysystem，DDS）在肝癌中的应用研究进展做一综述。

1二氧化硅纳米材料作为DDS的应用

二氧化硅纳米材料具有比表面积大、孔隙率大、生物相容性好、表面易功能化等特点，在药物递送系统中应用潜力巨大［6］。

利用二氧化硅纳米材料的特点加以修饰，可用于控制药物释放、靶向输送药物、递送基因等。

1.1基于靶向修饰的二氧化硅纳米材料介孔二氧化硅纳米颗粒（mesoporoussilicananoparticles，MSN）的表面修饰在改变表面反应活性、提高生物相容性、延长体内循环时间等方面起着关键作用。

利用配体靶向剂与癌细胞表面特异性或过度表达的受体之间的特异性结合，从而引起受体介导的细胞内吞，将药物靶向递送到肿瘤细胞或组织，进而提高药物的药效。

为了增强肿瘤细胞对纳米药物的吸收能力和靶向性，并减少抗癌药的副反应，提高药物疗效，更需要靶向递送提高局部药物浓度。

在纳米材料的表面还可修饰肽、小分子、抗体、维生素等［7-8］。

为了逃避单核吞噬细胞系统（MPS），延长循环时间，并提高生物相容性，最常用的方法是用聚乙二醇（polyethyleneglycol，PEG）改性纳米颗粒。

Chen等［9］以二氧化硅为基础，用mPEG-SH在二氧化硅表面进行修饰来制备IDPC@Zr-PEG纳米复合材料，通过分析小鼠肿瘤、肝、肺等器官的HE染色结果可见，IDPC@Zr-PEG纳米复合材料对各器官均无明显损伤，且体外实验中小鼠的体重未明显减轻，说明该材料具有良好的生物相容性，并降低了细胞毒性。

Wu等［10］合成了一种经PEG修饰的负载阿霉素（DOX）的中孔二氧化硅纳米粒子@CuS纳米杂化物，用MTT法验证，该纳米材料对肝癌细胞和正常肝细胞均无明显毒性，并且实现了药物和光热的联合治疗。

近红外（NIR）激光可触发纳米粒子里的DOX释放，还能使纳米粒子具有消融HepG2细胞的能力。

由于绝大多数肝癌细胞表面叶酸（FA）受体均表达过度，因此，FA是目前研究最多的靶向剂。

Chi等［11］构建了大孔二氧化硅加载ATO前药（NiAsOx）的纳米颗粒（（M-LPMSN）-NiAsOx），进行了不同靶向配体的比较。

实验将分别修饰了修饰性聚乙二醇（mPEG）和FA的多功能纳米材料注射到携带H22（小鼠肝癌细胞）的BALB/c小鼠体内，经过0、2、4、8、12和16d的治疗，M-LPMSN-NiAsOx-FA治疗的小鼠相对肿瘤体积略小于用M-LPMSN-NiAsOx-mPEG治疗的小鼠。

体内研究显示，用FA修饰的纳米颗粒比用mPEG能更好地提高纳米材料的抗肿瘤效果，其原因是肿瘤内注射纳米颗粒后，纳米颗粒上的FA可提高其靶向能力并改善内吞作用，增加了肿瘤细胞对纳米颗粒的吸收，进而增强了抗肿瘤功效。

Wang等［12］合成了结合铂前药的靶向活性的介孔二氧化硅纳米颗粒，利用乳糖酸（lactobionicacid，LA）靶向肝脏，使纳米颗粒不仅可治疗肝癌，还可靶向肝脏肿瘤部位，延长体内循环时间。

实验将荧光FITC偶联到聚乙二醇化MSN（MSN-P）和加载LA的MSN-P（MSN-P/LA）颗粒上，用激光扫描共聚焦显微镜（confocallaserscanningmicroscope，CLSM）追踪其在HepG2细胞中的摄取。

在0.5h，两个纳米颗粒在细胞中发出的荧光强度基本相同，但在2h和6h时，发现用MSN-P/LA-FITC处理的细胞比未用LA靶向修饰处理的细胞荧光强度更高，证明MSN-P/LA对HepG2细胞有良好的靶向能力。

Xie等［13］制备了负载DOX的介孔二氧化硅颗粒使其与COOH羧基官能化，并将Cy5-酰肼荧光染料连接到MSN/COOH的羧基上，使纳米颗粒不但可依赖pH值释放药物，还可实现NIR荧光生物成像。

在透射电子显微镜下，MSN/COOH的分散性良好，而且羧基官能化使MSN表面负电荷增加［从-（5.9±3.6）mV增加到-（20.6±1.1）mV］，进而MSN/COOH的稳定性也会比MSN更好。

Ye等［14］合成了低密度脂蛋白修饰的二氧化硅纳米材料（LDL-SLN），可靶向肝细胞癌；SLN同时加载了索拉非尼（Sor）和DOX两种药物，研究显示，HepG2细胞与LDL-SLN/Sor/Dox共同孵育6h后，细胞内的DOX荧光强度是未经过LDL修饰的SLN/Sor/Dox组的1.83倍，说明经过LDL修饰的纳米粒子更易被HepG2细胞摄取，而且LDL修饰还可帮助纳米颗粒在肿瘤部位蓄积。

在体外实验中，共同递送Sor和DOX双药物的LDL-SLN/Sor/Dox的抗肿瘤作用也要比单一使用任何一种药物的疗效都要好。

1.2基于刺激响应控释的二氧化硅纳米材料刺激响应的二氧化硅纳米材料，可通过内刺激或者外界刺激实现纳米材料及药物的定点释放，提高其药效、生物利用度及稳定性等，同时可降低对正常组织细胞的副反应。

肿瘤微环境与肿瘤的形成和转移有着紧密联系，具有pH值偏低、乏氧、谷胱甘肽（GSH）浓度高、过表达过氧化氢等特点［15］。

依据肿瘤微环境的特点，形成的内刺激有pH值、氧化还原、酶［16］等；外刺激有温度（热）［17］、光、磁性［18］、超声波等。

在正常的血液和组织液中，pH值约为7.4。

而肿瘤组织的细胞间质由于肿瘤细胞代谢旺盛，pH值在6.5~7.2，在溶酶体内则更低，可达到5.0~5.5。

pH值响应型主要利用肿瘤组织与正常组织之间pH值的差异，将纳米材料及药物等输送到肿瘤组织，实现可控释放。

Chi等［11］合成了加载NiAsOx的磁性大孔介孔二氧化硅纳米颗粒［（M-LPMSN）-NiAsOx）］，当pH值5.4时纳米颗粒可释放出80%的砷离子，但pH值7.4的时候仅释放出13%。

正是由于亚砷酸镍聚合物在生理条件下（pH值7.4）结构稳定，当在酸性环境下结构改变，释放出Ni和As离子，实现了pH值响应控释，提高了药物传递的效率。

Ye等［14］合成的LDL-SLN，在生理条件下（pH值7.4），LDL-SLN/Sor/Dox释放药物的速度较缓慢，说明该纳米粒子可避免药物未到达肿瘤细胞前释放；当在酸性环境下（pH值5.0），LDL-SLN/Sor/Dox在72h内的释放量为生理条件下的3倍。

氧化还原型主要利用肿瘤细胞内还原性谷胱甘肽远高于正常组织细胞的生理学特性，可设计氧化还原敏感响应型的二氧化硅纳米材料。

Zhao等［19］合成了一种基于介孔二氧化硅纳米粒子的氧化还原响应性和酶响应性的双重刺激响应传递系统（MSN-SS-HA），靶向配体透明质酸（HA）通过二硫键（SS）与MSN连接。

由于肿瘤细胞胞质中谷胱甘肽的浓度比正常细胞高数倍，所以可利用二硫键在肿瘤细胞的高浓度GSH的环境下断裂还原为硫基而使DOX迅速释放［20］。

研究表明，加载了DOX的MSN-SS-HA，在pH值7.4的条件下与pH值5.0相比，药物释放速率较低，24h内＜8%，因为在pH值温和条件下DOX与二氧化硅之间的静电相互作用更强。

但在GSH和HAase同时存在的情况下，DOX的累积释放比例提高至约30%。

体外实验表明，MSN-SS-HA对HCT-116细胞的毒性比NIH-3T3（CD44受体阴性）细胞强。

这种同时调节药物释放和靶向递送的二氧化硅材料，为临床提供了新的思路。

Gao等［21］用聚（2-乙烯基吡啶）-聚乙二醇-叶酸（PPF）修饰介孔二氧化硅纳米粒子合成了CdTe@MSN@PPF（CTMP），并提出了还原性应激应用于癌症的概念。

体外实验中，CTMP-AA组在0时的细胞内荧光强度就出现增强，说明细胞凋亡增加，随着时间变化，在8hCTMP-AA对HepG2细胞的杀伤能力达到最大。

体内实验中，接受过HepG2细胞接种的小鼠注射了CTMP后，用NAD（P）H探针DCI-MQ显示出比对照组更高的荧光强度，说明肿瘤内部的NAD（P）H含量更高，进而证明抗坏血酸（AA）可通过CTMP进入肿瘤病变区域，在低氧酸性环境中，积累还原性物质破坏了HepG2细胞中的氧化还原平衡，增强了还原性应激，从而显著抑制肿瘤的生长。

外界刺激响应与肿瘤微环境响应相比，可更好地实现精准控制和按需释放。

光刺激和磁对外部和内部环境高度敏感，且副反应更少、更易获得。

Shao等［22］设计了一种多功能Janus纳米复合材料，将具有磁性Fe3O4的头部和含DOX的介孔SiO2主体结合成“纳米子弹”（M-MSNs-DOX）。

实验用普鲁士蓝对Fe3O4进行染色来定量细胞摄取能力，FITC标记的M-MSNs-PEG暴露3h和24h后，经过磁场处理比非磁场处理在人类肝细胞癌细胞系（HepG2）和人类肝胚细胞系（HL-7702）中检测到更高的荧光强度。

验证了磁场可促进M-MSNs-PEG在细胞中的摄取。

实验显示，将DOX和M-MSNs-DOX通过尾静脉注射，经过16d的治疗，DOX或M-MSNs-DOX可有效抑制原位肝肿瘤的生长，但是M-MSNs-DOX在外磁场下显示出比其他组明显的肿瘤体积减小和重量减轻，而且外加磁场M-MSNs-DOX组生存率为62.5%，比M-MSNs-DOX组的50%和单纯注射DOX组的37.5%都要高。

说明M-MSNs-DOX有效抑制了H22细胞的原位生长，磁场增强了肿瘤抑制的功效和选择性。

1.3基于基因递送的二氧化硅纳米材料基因治疗主要是将质粒DNA、siRNA和反义寡核苷酸传送到细胞中进行表达［23］。

二氧化硅纳米材料不仅可载药，还可加载基因，用于肝癌治疗，帮助siRNA进入细胞，防止被核酸酶分解［24］。

这种非病毒载体，避免了重组病毒载体副反应大、易突变和毒性免疫反应等［25］。

Tsai等［26］用经过聚乙烯亚胺（PEI）修饰的介孔二氧化硅纳米颗粒（PMSN）加载顺铂，并且递送编码HNF4α的基因。

PEI不但可改变纳米粒子表面电荷帮助基因成功加载，还可增强细胞对MSN的吸收。

研究表明，载有HNF4α基因的PMSN可导致Huh7细胞中CD133表达水平下降，并且表达CD133的细胞比例下降。

化疗药物顺铂和HNF4α编码质粒的双重递送，更加有效抑制肿瘤生长，比单独递送化疗药物更加理想。

Xue等［27］根据Chakravarty等［28］的方法进行改进合成了中空介孔二氧化硅纳米粒子，负载DOX后用脂质包覆使其通过静电黏附携带miR-375基因。

研究发现，LHD/miR-375在HepG2、Huh7、Hep3B和HepG2/ADR细胞中的细胞毒性比单独用LHD或DOX更大。

将miR-375与LHD结合，可降低肿瘤活性，实现化疗药物与基因治疗的联合治疗协同增效。

1.4基于诊疗一体化的二氧化硅纳米材料诊疗一体化是使用纳米材料作为载体将诊断成像和治疗结合成有机整体［29］。

成像技术包括光学成像、放射性核素成像、CT、MRI和超声成像等［30］。

纳米材料与光学成像结合，可在术中成像引导肿瘤的切除。

Zeng等［31］合成了精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸共轭高负载吲哚菁绿（ICG）MSNs（ICG/MSNs-RGD）作为荧光探针，其可在术中用NIR荧光分子成像（FMI）指导术中肿瘤切除和术中鉴定［32］。

探针在病变及其周围正常组织之间有足够的光学对比度（通常用肿瘤与背景之比（TBR）进行量化），才能区分肿瘤微灶（直径＜2mm）。

实验显示，ICG/MSNs-RGD组TBR峰（4.92±0.2）在48h达到最高，比同期ICG/MSNs组TBR峰（2.9±0.2）高约1.7倍。

证明了ICG/MSNs-RGD的肿瘤特异性，并表明应该在探针注射后48h进行手术，以达到最佳的NIR-FMI指导。

除此之外，还建立了小鼠肝癌模型，将术中NIR-FMI与ICG/MSNs-RGD结合来模拟临床情况，通过实验表明，该探针有助于检测直径＜1mm的肝癌残留物。

Andreou等［33］合成了二氧化硅包裹的表面增强拉曼散射（SERS）纳米粒子（NPs），并模拟了术中情况下SERS更精确的可视化肿瘤边缘及其他微观病变。

该研究还将此纳米粒子与ICG作为造影剂的荧光成像做比较，发现SERSNPs优于ICG作为肝肿瘤细胞的造影剂。

Feng等［34］合成了Fe3O4@SiO2@AgNPs纳米粒子，即一种SERS磁性免疫传感器，可测定人羧酸酯酶1来进行肝癌的早期筛查和诊断。

正是这种SERS信号的增强，克服了传统荧光和发光方法灵敏度低的缺陷。

Hu等［35］合成的UCNPs@mSiO2-Ce6-GPC3纳米粒子具有良好的生物相容性、低毒性，在HepG2癌细胞中具有优异的细胞成像性能，且在体内外均具有很高的抗肿瘤作用。

经过光敏剂二氢卟酚e6（Ce6）和抗GPC3的修饰，不仅实现了光动力疗法（PDT）治疗，也可靶向治疗。

研究表明，在NIR光谱区域中，808nm处激发克服了常见Yb3+掺杂上转换材料在980nm处过热问题，并且解决PDT只能作用于浅表癌组织的问题，使光能更深地穿透组织，产生活性氧杀伤肿瘤细胞。

Chen等［9］利用ZrO2和CuO使二氧化硅纳米材料具有更加优异的CT成像性能。

通过尾静脉将IDPC@Zr-PEG纳米材料注射到H22荷瘤小鼠体内进行CT扫描，CT值从开始的24HU，经过24h增加到53HU，说明IDPC@Zr-PEG纳米材料可行CT成像监测肿瘤。

实验表明，IDPC@Zr-PEG组在MW辐射下H22细胞生存率为35.36%，比IL-DOX-PCM@ZrO2-PEG组、DOX组、控制组明显降低，是由于纳米材料中的CuO可通过微波（MW）产氧，改善肿瘤乏氧，从而提高微波热疗（MWTT）和化学治疗的效果。

这种将微波热疗、化学治疗与CT成像集于一身的二氧化硅纳米材料，可用于对肝癌的诊断和治疗。

相比于光学成像，MRI是目前最先进的非损伤性成像技术。

利用MRI成像原理和纳米材料的抗肿瘤作用相结合，Menard等［36］设计了可用于MRI和药物释放的混合蛋白涂层磁性核-中孔二氧化硅壳纳米复合材料（IO@MSNP）。

经过氨基丙基三乙氧基硅烷（APTS）表面改性和负载DOX后，再用丁酰胺（IBAM）粘合剂将人血清白蛋白（HSA）沉积在二氧化硅表面，最终形成IO@MS-DOX-HSA。

由于磁铁矿核的超顺磁性，IO@MS-DOX-HSA可用作T2造影剂，表现出明显的高T2对比度，横向弛豫率r2为70Mms-1。

实验用多细胞肿瘤球体（MCTS）的3D模型进行研究，Huh7-LucMCTS在不同浓度的IO@MS-Dox-HSANP或IO@MS-HSANPs存在下培养6d，结果显示，IO@MS-Dox-HSANP组抗肿瘤作用最强。

利用二氧化硅纳米材料实现肝癌诊疗一体化，满足了对肝癌精准治疗的要求。

不仅可作为载体实现化学治疗、PDT治疗、光热治疗、基因治疗等的作用，还可实现对肿瘤的定位，提高对肝癌诊断的准确性和在术中指导治疗的高效性。

2结语

研究结果表明，基于MSN的药物递送系统可通过修饰设计，合成易被肿瘤细胞摄取、提高药物溶解度负载量、控制药物释放、减少副反应的诊疗纳米药物。

正因为如上特性，二氧化硅纳米材料在肝癌治疗领域拥有广阔的前景。

目前，已经有一些纳米药物已经获得美国食品药品监督管理局（FDA）的批准应用于临床，如最早获批的脂质体纳米药物Doxil®［37-38］。

尽管二氧化硅纳米材料展现出了巨大的潜力，但还是有一些问题有待解决。

在细胞试验和动物实验中，MSN的内在毒性基本可忽略，但是人与动物在生理上有一定差异，是否能应用于临床，还须进行大量的研究。

除此之外，MSN如何经济高效地大规模生产，也是亟待解决的问题。

尽管在应用于临床的路上存在种种阻碍，但MSN给肝癌的诊疗提供了新的策略，随着研究的深入与优化，二氧化硅纳米材料会有巨大的潜力。