大学化学, 2022, 37(3): 2110064-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202110064

今日化学

纳米酶在抗肿瘤治疗中的应用

吴贤波, 文梅, 厉江华, 黄健涵, 刘又年, 陈万松,

Applications of Nanozymes in Anti-Tumor Therapy

Wu Xianbo, Wen Mei, Li Jianghua, Huang Jianhan, Liu You-Nian, Chen Wansong,

通讯作者: 陈万松,Email: chenws@csu.edu.cn

收稿日期: 2021-10-22   接受日期: 2021-11-14  

基金资助: 国家自然科学基金.  21807117
国家一流本科专业建设点.  教高厅函[2021] 7号
湖南省自然科学基金.  2021JJ30788
湖南省一流本科专业建设点.  湘教通[2019] 138号
中南大学教育教学改革项目.  2021jy068
2021年湖南省普通高等学校教学改革研究项目.  HNJG-2021-0303

Received: 2021-10-22   Accepted: 2021-11-14  

Abstract

Nanozymes is a kind of nanomaterial with natural enzyme activity. Compared with natural enzymes, nanozymes have the advantages of simple preparation, low cost, high stability, and easy storage. Since Academician Yan Xiyun, a Chinese scientist, first discovered that Fe3O4 nanoparticles had peroxidase-like activity in 2007, the research on nanozymes has been rising rapidly. Nanozymes can simulate natural enzymes to achieve catalytic reactions in the physiological environment or in vivo, improve the tumor microenvironment, and achieve tumor treatment by generating reactive oxygen species.

Keywords: Nanozymes ; ROS ; Anti-tumor therapy

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吴贤波, 文梅, 厉江华, 黄健涵, 刘又年, 陈万松. 纳米酶在抗肿瘤治疗中的应用. 大学化学[J], 2022, 37(3): 2110064-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202110064

Wu Xianbo. Applications of Nanozymes in Anti-Tumor Therapy. University Chemistry[J], 2022, 37(3): 2110064-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202110064

1 引言

癌症严重威胁着人类的生命健康,也是导致人类死亡的主要原因之一。据世界卫生组织国际癌症研究机构(IARC)数据统计,2020年全球新发癌症病例1929万例,死亡病例996万例,我国新发癌症病例和死亡病例就达457万例和300万例,均位居世界首位[1]。现今,放疗、化疗和手术切除仍是最主要的癌症治疗策略,但是这几种治疗方法都还存在着强烈的副反应。放疗主要是利用放射线对肿瘤细胞进行杀伤,但同时它也很容易对正常组织产生危害,会导致乏力、骨髓抑制等全身反应,并对正常器官造成损伤。化疗是通过化学药物对癌细胞进行杀伤,它的危害主要是全身性的危害,会产生骨髓抑制、胃肠道反应和心脏毒性,此外由于化疗药物主要是通过肝肾进行代谢,因此,它会对肝肾功能造成损伤。而手术切除很难将残留在血液和淋巴系统的肿瘤细胞清除干净[2]。因此,寻求新的安全高效的肿瘤治疗策略变得非常迫切。酶疗法能够在体内进行催化反应实现肿瘤治疗,并且还能够激活人体免疫能力,增强免疫系统功能,采用酶疗法进行肿瘤治疗吸引了研究者们的关注[3]

天然酶存在成本高、稳定性差、产量低、保存困难和半衰期短等缺点,使得酶疗法的实际应用受到严重限制[4]。纳米材料是指在三维空间至少有一维处于纳米尺寸(1–100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料。而纳米酶是指一类具有类酶性能与催化活性的纳米材料[5, 6]。自从2007年,Fe3O4纳米颗粒被报道具有模拟天然过氧化物酶的活性,已经有数百种纳米材料被发现具有模拟过氧化物酶(POD)、氧化酶(OXD)、过氧化氢酶(CAT)、葡萄糖氧化酶(GOx)、谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)、超氧化物歧化酶(SOD)、尿酸酶等酶活性。此外令人惊异的是,许多纳米材料还被报道同时表现出双或多酶活性。作为新一代人工酶,与天然酶相比,纳米酶具有成本低、稳定性高、制备简单、使用寿命长、活性可调等优点[7]

大量的纳米材料被研究发现具有纳米酶的特性,包括碳基纳米材料(富勒烯、石墨烯、氧化石墨烯和碳纳米管),金属纳米颗粒(Au,Ag,Pt,Pd,Cu,Fe和Co等),金属氧化物纳米结构(Fe3O4,CeO2,TiO2和V2O5等),以及一些其他新兴材料如金属有机框架(MOF),共价有机框架(COF),金属硫族化合物和纳米杂化物等[8-10]。例如:氮掺杂的碳纳米球(N-PCNs)同时具有OXD、POD、CAT和SOD酶活性,可以调节体内活性氧(ROS) [11],并通过在表面修饰铁蛋白来实现靶向溶酶体,其在溶酶体的酸性环境中模拟POD和OXD活性消耗O2并产生ROS,杀伤肿瘤细胞。Au纳米颗粒具有POD、CAT、SOD和OXD活性,Pt纳米颗粒具有POD、CAT、SOD和尿酸酶活性,我们团队通过原位生长的方法将Pt纳米粒修饰在黑磷纳米片上,Pt纳米颗粒利用其CAT酶活性将肿瘤部位的过氧化氢(H2O2)催化成O2,在红外光的照射下,黑磷纳米片将产生的O2级联催化成1O2,对肿瘤细胞造成杀伤作用[12]。Pd,Ag和Fe3O4纳米粒具有POD和CAT酶活性,V2O5具有POD和GPx酶活性等[13]。这些纳米酶不仅具有与天然酶相似的催化性能,同样还满足酶反应的动力学原理,如米氏方程等。图 1展示了纳米酶的模拟酶类型、来源、性能和抗肿瘤机理。

图1

图1   纳米酶的模拟酶类型、来源、性能和抗肿瘤机理


2 肿瘤催化治疗

肿瘤微环境即肿瘤细胞产生和生存的环境,它与正常的人体内环境有很多不同的地方,其中最大的差异就是存在高的H2O2量、缺氧和低pH的特点。也正是由于这些特点,使得肿瘤微环境中存在大量的细胞生长因子、趋化因子和水解酶,发生炎症反应,促使肿瘤细胞快速增殖,并让肿瘤组织抵抗放疗和化疗。早在1955年就发现恶性肿瘤组织中具有缺氧的特点,在缺氧的区域,发生组织坏死,并且肿瘤细胞更易扩散和转移[14]。肿瘤细胞生长速度快,代谢迅速,对氧气和营养物质的需求大,会造成肿瘤组织缺氧。而肿瘤微环境的酸性环境被认为主要是由于肿瘤细胞进行无氧代谢造成的,在缺氧环境中大量的葡萄糖被分解,糖酵解产生大量乳酸而造成pH的下降。缺氧和酸性环境都不适合正常细胞的生存,但这种异常的环境却意外地增强了肿瘤细胞的突变,进而加剧肿瘤细胞的增殖。肿瘤细胞通过生长和增殖,更加加剧了肿瘤微环境的缺氧和酸性[15]

ROS是一类含有孤电子、化学性质活跃的含氧原子或原子团,包括超氧阴离子(O2)、H2O2、单线态氧(1O2)、羟基自由基(∙OH)、烷过氧化自由基和脂过氧化自由基等。ROS能够通过介导DNA、蛋白质等化学物质损伤,进而杀伤肿瘤细胞[16]。实体肿瘤中的高H2O2、缺氧和酸性环境使得肿瘤对放疗、化疗和光动力治疗等产生耐药性和低敏感性,因此通过调节缺氧和ROS之间的平衡可能导致肿瘤细胞死亡。对于纳米酶,可以通过OXD和POD活性产生ROS来诱导氧化应激杀伤肿瘤细胞,也可以通过CAT活性中肿瘤微环境中催化H2O2分解产生O2,缓解肿瘤组织缺氧,间接诱导肿瘤细胞死亡。

2.1 纳米酶用于缓解肿瘤乏氧

肿瘤微环境缺氧不仅会增加肿瘤转移的机会,还限制了光动力治疗、声动力治疗和放疗等多种方法在肿瘤治疗中的应用。因此可以通过纳米酶的CAT活性,将H2O2催化为O2,缓解肿瘤组织乏氧,促进肿瘤细胞凋亡,并且可以提高其他需氧治疗方法的效率[17, 18]。缺氧在实体肿瘤中很常见,因为肿瘤细胞不受控制的增殖导致了O2的减少,此外,在进行动力治疗的过程中,如光动力、声动力媒介的耗氧和血管闭合作用都会进一步加重肿瘤环境的缺氧。通过纳米酶的CAT酶活性,可以消耗肿瘤环境中的H2O2,缓解肿瘤乏氧,还可以协同其他光、声和化动力治疗进行肿瘤治疗。

我们团队将Pt纳米颗粒修饰在黑磷(BP)纳米片上,Pt纳米粒本质的过氧化氢酶活性可以有效分解肿瘤中积累的H2O2产生O2,缓解肿瘤缺氧,生成的O2可以提高BP纳米片的光动力抗肿瘤活性,生成1O2能够导致肿瘤细胞凋亡[12]。此外,Pt@BP纳米材料通过调节缺氧环境,下调肿瘤坏死因子(HIF-1α)蛋白的表达,降低了治疗肿瘤的风险(图 2)。结果表明,该材料能够有效缩小肿瘤体积,用于抗肿瘤治疗。中国科学院谷战军研究员和国家纳米中心赵宇亮院士团队合成了一种过氧化氢酶活性的氧缺陷BiO2−x纳米酶[19]。氧缺陷的构筑赋予了纳米酶过氧化氢酶活性,能够将肿瘤部位高表达的H2O2分解为O2,缓解肿瘤缺氧,并且下调HIF-1α的表达,增强放疗的治疗效果。近来,一种新型二维石墨炔(GDY)稳定锚定CeO2纳米粒形成的GDY-CeO2纳米酶被合成[20],该纳米酶表现出优越的过氧化物酶活性,同样能够将H2O2分解为O2,显著缓解肿瘤乏氧,并且可以诱导DNA损伤,实现肿瘤治疗。上海交通大学程英升教授等人[21]合成设计的BSA-MnO2纳米酶被发现具有优异的过氧化氢酶活性,可以通过消耗内源的H2O2生成O2,克服肿瘤乏氧并且增强了光动力治疗,实现食管癌治疗。

图2

图2   Pt纳米酶负载BP纳米片用于肿瘤光动力治疗


2.2 纳米酶用于产ROS肿瘤催化治疗

除了利用具有CAT酶活性的纳米酶将H2O2转化为O2,增强光动力治疗、声动力治疗和放疗在肿瘤治疗中的疗效外,纳米酶还可以通过POD和OXD活性直接将H2O2和O2催化产生ROS,从而诱导肿瘤细胞死亡。

扬州大学高利增教授及其合作者[22]利用金纳米颗粒与多孔空心碳纳米球(Au@HCN)结合形成的纳米酶可以在酸性条件下通过OXD和POD活性产生ROS。ROS的产生也显著提高了Au@HCNs的光热效应,结果表明,该纳米酶协同光热治疗产生ROS能够破坏肿瘤组织,实现抗肿瘤治疗(图 3)。Salimie及其合作者[23]通过水热法合成了一种新型金属-有机框架纳米酶(Ni-hemin@MOF),具有POD酶催化活性,能够催化H2O2产生∙OH,能够用于癌症细胞的检测和癌症的靶向治疗。最近,国家纳米科学中心陈春英研究员团队[24]合成一种具有过氧化物酶活性的TiN纳米酶,并且通过PEG修饰GOx,通过分解瘤内葡萄糖实现过氧化氢的自供应,在POD酶催化活性下,产生杀伤性的∙OH,实现杀伤肿瘤细胞。新加坡南洋理工大学Yanli Zhao教授等人[25]报道一种Pd,Cu和Fe(PCF-a)三合金纳米酶,该纳米酶展现出高的光热转化效率(高达62%),光热效应可以增强过氧化物酶活性,用于协同肿瘤治疗。中国科学院长春应用化学研究所逯乐慧研究员[26]通过缺陷工程化合成了一种Fe掺杂具有氧空位MnOx (Fe-MoOV)纳米酶,在NIR-II光照射下,通过类酶级联反应高效生成∙OH和O2,破坏肿瘤代谢稳态,提高治疗效果。

图3

图3   Au@HCN纳米酶协同光热治疗用于抗肿瘤治疗


2.3 纳米酶用于肿瘤免疫治疗

肿瘤易转移和复发仍是肿瘤治疗最为严峻的挑战,通过催化免疫调节能够激活人体自身免疫系统,是有效抑制肿瘤转移和复发的一种方法。但是肿瘤微环境是处于一个免疫抑制的状态,在缺氧环境下,肿瘤相关的巨噬细胞表达免疫抑制的M2型巨噬细胞,而对肿瘤细胞具有杀伤性的M2型细胞表达较少。因此,通过纳米酶改善肿瘤免疫抑制微环境,实现纳米酶肿瘤催化治疗和免疫治疗的协同,将能够大大地提高肿瘤治疗效率。

我们团队[27]设计合成了Cu2–xTe纳米颗粒,同时具有谷胱甘肽氧化酶和过氧化物酶双重模拟酶活性,能够同时消耗肿瘤组织中的谷胱甘肽和过氧化氢产生∙OH和O2。通过该纳米酶的级联催化反应,能够促进巨噬细胞由M2向M1极化,有效产生抗肿瘤免疫。该方法能够消除原发性的肿瘤,并且通过激活免疫反应对转移性肿瘤也产生杀伤作用,抑制肿瘤的转移和复发(图 4)。北京化工大学刘惠玉教授及其合作者[28]设计合成了一种同时具有过氧化物酶和过氧化氢酶活性的IMSN-PEG-TI纳米酶,该纳米酶同样能够诱导M2型巨噬细胞向M1型巨噬细胞极化,改善肿瘤免疫微环境,并且通过纳米酶催化反应和免疫治疗实现对肿瘤的治疗。中国科学院长春应用化学研究所林君等人[29]通过将GOx,血红素和倍半萜内酯内过氧化物衍生的双氢青蒿素(DHA)置于沸石咪唑ZIF-8中合成了一种同时具有葡萄糖氧化酶,过氧化物酶和谷胱甘肽过氧化物酶的GHZD纳米酶,GHZD纳米酶可以通过级联催化产生自由基(∙C和∙OH),选择性地增强肿瘤部位的氧化应激触发肿瘤细胞免疫原性细胞死亡(ICD),并且可以产生长期的免疫效应,抑制肿瘤生长和转移。澳门大学赵琦副教授团队[30]开发出一种新的PHCNs纳米酶,可以重塑肿瘤微环境,增强抗原受体(CAR) T细胞的抗肿瘤效果,提高人体免疫能力。

图4

图4   Cu2–xTe纳米酶用于催化炎症反应及激活抗肿瘤免疫


3 挑战与展望

纳米酶作为一种新型的纳米药物,能够模拟天然酶活性,应用于抗肿瘤治疗。相对于天然酶,纳米酶表现出以下优势:(1) 高稳定性,能够在生理或体内条件下完成催化反应,天然酶在生理条件下,在到达肿瘤部位前会被迅速降解和代谢,而纳米酶能够抵抗蛋白酶的降解,主要是由于它们具有稳定的纳米结构;(2) 多催化活性,同一种纳米酶可以同时具有多种模拟酶活性;(3) 可修饰性,纳米酶可以通过表面修饰增加其靶向性,而天然酶不能够修饰;(4) 制备简单,易于保存,相对于天然酶成本更低等。因此,纳米酶可以更加全面有效地应用于抗肿瘤治疗。但是,在纳米酶临床应用前还有一些问题待解决。

(1)催化活性和底物选择性,虽然已报道有一些纳米酶的催化活性跟天然酶相当甚至更高,但是大多数纳米酶的催化活性较低。因此,提高和优化纳米酶的活性变得至关重要。此外,纳米酶除了催化活性低外,对底物的选择性较差也是一个有待解决的问题。因此,有必要设计和优化具有高底物选择性和催化效率的纳米酶。

(2)生物安全性,虽然纳米酶在多种疾病的动物模型上表现出了良好的治疗效果,但纳米酶在临床应用中的生物相容性和生物安全性还有待保证。尽管纳米酶表现出生物性质的酶活性,但大多数纳米酶是无机纳米材料。纳米酶进入细胞后,进入溶酶体,可能与细胞相互作用,从而造成一定的损害。

(3)靶向性,如何控制具有多种酶活性的纳米酶在pH和氧化应激等体内条件下发挥特定的活性仍然是一个巨大的挑战。因此,需要有效的策略来提高纳米酶的靶向性,验证纳米酶的分布和定位。

(4)治疗机理,纳米酶作为抗肿瘤药物在治疗中的药代动力学、免疫原性、环境效应和特异性治疗机制等因素对纳米酶在临床治疗中的成功应用具有重要意义。

随着纳米酶研究的不断深入,其独特的模拟酶活性将得到越来越多的研究者关注。相信在不久的将来,纳米酶将会从实验室走向临床,做成抗肿瘤药物产物,真正应用于人类肿瘤治疗。

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