引言

生物體內(nèi)存在一類特殊的氣體信號(hào)分子,包括NO、CO、H2S、O2、CO2和H2等，它們具有特殊的生物學(xué)效應(yīng)和高滲透擴(kuò)散性，對(duì)多種生理功能如神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)起著至關(guān)重要的調(diào)控作用.相比于存在潛在高濃度血液中毒風(fēng)險(xiǎn)的NO、H2S 和CO 等氣體信號(hào)分子，氫氣由于尚未發(fā)現(xiàn)有任何毒副作用，它在疾病防治方面具備獨(dú)特的發(fā)展優(yōu)勢(shì).早在2007年，等報(bào)道了氫氣能治療缺血再灌注損傷，認(rèn)為其機(jī)制是氫氣的選擇性抗氧化作用.氫氣能有效地清除細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基( Oxide ，ROS)如·OH和ONOO-等，還可以通過調(diào)節(jié)炎癥因子，對(duì)炎癥引起的疾病也有很好的療效；在抗癌方面，氫氣通過抗沃伯格效應(yīng)選擇性抑制癌細(xì)胞增殖，同時(shí)保護(hù)正常細(xì)胞的活性和生理功能，已被用于治療包括心腦血管疾病、代謝性疾病、呼吸系統(tǒng)疾病及部分腫瘤等多種疾病.近期，氫氣還被證實(shí)可用于輔助治療新冠病毒COVID-19.因而,氫氣治療成為一種新穎且非常有應(yīng)用前景的疾病治療策略.然而，氫氣分子的快速自由擴(kuò)散特性，導(dǎo)致氫氣藥物難以在病變部位長(zhǎng)效累積，其治療效果受到極大限制.因此，實(shí)現(xiàn)氫氣可控釋放和靶向運(yùn)輸是當(dāng)前亟須解決的兩個(gè)科學(xué)難題.

納米氫氣治療是借助納米材料將氫氣前藥進(jìn)行高效封裝，通過優(yōu)化納米載體性能或偶聯(lián)小分子修飾載體，構(gòu)建出的一類智能納米氣體藥物.納米載體材料由于具有小尺寸效應(yīng)和易于功能化設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)氣體分子的靶向傳輸與可控釋放提供了新的策略，對(duì)發(fā)展納米氫氣藥物用于疾病精準(zhǔn)治療研究具有重要的科學(xué)意義.本文總結(jié)了近年來基于多功能納米材料的氫氣治療策略(表1)，將從納米氫氣藥物的響應(yīng)型可控釋放、靶向遞送和多模型式治療研究進(jìn)展予以綜述.

AB：硼氨烷；MSN：介孔二氧化硅納米藥物；Mg：鎂；p-：介孔二氧化硅核殼微粒；Chla：葉綠素a；AA：抗壞血酸；Au：金納米粒子；Pdot：聚合物量子點(diǎn)；PdH0.2：氫化鈀；MOF：金屬有機(jī)框架；PDA：聚多巴胺；CMC：羧甲基纖維素；MBN：硼化鎂納米片；PVP：聚乙烯吡咯烷酮.

氫氣可控釋放策略

氫氣治療效果與濃度高度相關(guān),由于氫氣溶解度較低、揮發(fā)性較強(qiáng)，難以在病灶組織高濃度長(zhǎng)效蓄積.因此實(shí)現(xiàn)氫氣在病變部位的可控釋放顯得尤為重要.現(xiàn)階段從納米藥物結(jié)構(gòu)的角度考慮,有兩種實(shí)現(xiàn)氫氣可控釋放的策略：1)設(shè)計(jì)催化型可控釋放氫氣前藥，借助載體材料或前藥分子的催化響應(yīng)性分解或結(jié)構(gòu)破裂，構(gòu)建出一系列催化型氫氣釋放的納米藥物；2)開發(fā)刺激響應(yīng)型氫氣釋放的納米藥物，采用內(nèi)源或外源刺激響應(yīng)，建立一類刺激響應(yīng)型納米載體.

1.1 催化型氫氣可控釋放

催化策略主要通過篩選高效催化劑，利用光催化分解水從而控制氫氣的產(chǎn)生和釋放.最近，Wan等團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一個(gè)多組分納米反應(yīng)器用來局部高效產(chǎn)氫，如圖1(A)所示.該納米藥物利用脂質(zhì)體包覆光敏劑葉綠素a(Chla)，供電子體L-抗壞血酸，光催化劑金納米顆粒.金納米粒子從活化后的Chla和氧化后的L-抗壞血酸的質(zhì)子中收集電子以促進(jìn)還原氫的生成.結(jié)果表明，這種基于人工光合作用釋放氫氣的濃度與光照時(shí)間成比例，同時(shí)局部高濃度的氫氣可以有效降低小鼠炎癥模型中過表達(dá)的ROS和促炎因子水平.因此，有望利用調(diào)節(jié)光照時(shí)間和控制光照開關(guān)來調(diào)控氫氣持續(xù)釋放，從而達(dá)到長(zhǎng)效治療的目的.

(A)H2光催化納米反應(yīng)器；(B)原位光催化產(chǎn)生靶向氫

除了利用金屬催化劑來設(shè)計(jì)可見光催化氫可控釋放，還可以采用非金屬光催化劑原位催化制氫.Zhang等人選用具有光催化活性和生物兼容性的半導(dǎo)體聚合物量子點(diǎn)，進(jìn)行光催化產(chǎn)氫.脂質(zhì)體作為納米反應(yīng)器載體，包載聚合物量子點(diǎn)光催化劑和抗壞血酸，聚合物量子點(diǎn)吸收光子后即可引發(fā)催化反應(yīng)生成氫氣，產(chǎn)生的氫氣通過擴(kuò)散作用進(jìn)入病變部位，有效降低脂多糖誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，如圖1(B)所示.這種基于光催化的氫氣可控釋放策略為氣體治療提供了一種新的途徑.因此,通過光催化劑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高其催化效率進(jìn)而改變其氣體釋放行為的策略,對(duì)于設(shè)計(jì)合成新型催化納米氫氣藥物具有重要指導(dǎo)意義.

1.2 刺激響應(yīng)型氫氣可控釋放

刺激響應(yīng)型分為內(nèi)源性和外源性兩大類.外源性刺激包括超聲、磁場(chǎng)、光、熱等，內(nèi)源性刺激多為細(xì)胞內(nèi)環(huán)境、過表達(dá)的酶、葡萄糖等.采用調(diào)節(jié)內(nèi)外源刺激響應(yīng)，氫氣的釋放速率和濃度可以得到有效控制，從而建立一類刺激響應(yīng)型納米載體.

腫瘤組織由于腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)失控、基因表達(dá)異常等特點(diǎn)，表現(xiàn)出與正常組織顯著不同的生理特征，如偏酸性環(huán)境，瘤內(nèi)低氧環(huán)境、還原性環(huán)境、H2O2過表達(dá)等.基于這些特性，可以構(gòu)建一系列內(nèi)源刺激響應(yīng)型釋氫藥物.在諸多儲(chǔ)氫材料中，氨硼烷(AB)具備儲(chǔ)氫容量大，放氫溫度比較低等特征，在腫瘤微酸環(huán)境下可以產(chǎn)生還原氫，是一種較為理想的氫氣前藥.Zhang等人設(shè)計(jì)并合成了一種氫納米反應(yīng)器，用于瘤內(nèi)生成高濃度氫氣.以AB為氫氣前藥，聚多巴胺(PDA)為光敏劑，利用腫瘤細(xì)胞同源膜制備了納米反應(yīng)器mPDAB，如圖2(A)所示.相比于正常細(xì)胞，AB對(duì)腫瘤細(xì)胞弱酸環(huán)境更敏感，氫氣釋放量得到有效提升，清除ROS的能力顯著增強(qiáng).

(A) mPDAB納米反應(yīng)器在腫瘤部位累積和H2釋放示意圖；(B)AB@MSN納米藥物酸響應(yīng)H2釋放機(jī)理示意圖；(C)Fe@CMC納米顆粒酸刺激釋放H2的機(jī)制示意圖；(D)MBN@PVP納米片合成路線和治療策略示意圖

 

空心介孔二氧化硅由于穩(wěn)定性好、可控性強(qiáng)、粒徑均一等優(yōu)點(diǎn)，在提高藥物擔(dān)載量方面有顯著優(yōu)勢(shì).He等采用優(yōu)異的載體材料介孔二氧化硅(MSN)負(fù)載釋氫前藥AB，構(gòu)建了一種超高載氫量的納米藥物，如圖2(B)所示.AB在酸刺激響應(yīng)下，釋放用于治療的氫氣，但AB是通過氫鍵與MSN連接，易導(dǎo)致藥物在遞送過程出現(xiàn)突釋現(xiàn)象，因此，如何利用弱酸環(huán)境實(shí)現(xiàn)氫氣的可控釋放，又保證納米藥物在生理環(huán)境下的高穩(wěn)定性和無泄漏仍然是當(dāng)前面臨的關(guān)鍵問題之一.

最近He等人成功構(gòu)建了以Fe為核，羧甲基纖維素(CMC)為殼的核殼結(jié)構(gòu)納米藥物用于酸反應(yīng)釋放氫氣，如圖2(C)所示.在納米鐵顆粒表面包覆CMC可以有效保護(hù)Fe在血液循環(huán)中不被氧化，小尺寸的Fe@CMC納米顆粒具有良好的被動(dòng)靶向能力和對(duì)弱酸環(huán)境制氫的高反應(yīng)性，有利于腫瘤組織內(nèi)部還原氫的積聚，有效提高了氫治療的效果.這種酸觸發(fā)的H2釋放行為和治療效果高度依賴于細(xì)胞內(nèi)pH水平，而腫瘤微酸環(huán)境恰恰為這種治療方式提供了生理基礎(chǔ).

此外，F(xiàn)an等人采用超聲輔助化學(xué)刻蝕法，將聚乙烯醇吡咯烷酮(PVP)包封二維硼鎂納米片(MBN)，制備了一種酸敏感釋氫納米藥劑，如圖2(D)所示.MBN@PVP在正常組織血液中穩(wěn)定性高，而對(duì)胃酸呈現(xiàn)高度的敏感性，具有在酸環(huán)境下長(zhǎng)達(dá)12d的緩釋氫氣能力，從而顯著改善了治療效果.這種新型胃酸響應(yīng)的口服納米藥物為腫瘤治療提供了新的途徑.

外刺激源響應(yīng)具有刺激源容易操控的優(yōu)勢(shì),包括刺激源的開關(guān)、聚焦、能量調(diào)節(jié)和輻照時(shí)間的調(diào)節(jié)等.據(jù)此，He等人開發(fā)了一種用于腫瘤靶向輸送和生物還原氫控制釋放的鈀氫(PdH0.2)納米晶，與同尺寸的Pd納米晶相比，具有更強(qiáng)的近紅外光吸收，并通過近紅外光有效控制氫氣釋放，如圖3(A)所示.相比于紫外光和可見光，近紅外光更加低毒無創(chuàng)，具有高度的生物安全性.因此這種廣譜、安全的治療模式在構(gòu)建外源刺激響應(yīng)策略方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.

Zhou等人通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一種高效、持續(xù)可控和腫瘤靶向的納米鈀有機(jī)金屬骨架(Pd-MOF)，如圖3(B)所示.鈀具有較高吸氫性能，在還原加氫后，得到的PdH-MOF在納米尺度上同時(shí)具有尺寸分布均一、分散性良好、光熱轉(zhuǎn)換效率優(yōu)異和持續(xù)的還原氫釋放能力，大大優(yōu)化了抗腫瘤療效.與現(xiàn)有的臨床給氫方法相比，PdH-MOF對(duì)近紅外光敏感，可實(shí)現(xiàn)近紅外光響應(yīng)型氫氣的可控釋放和蓄積，顯著提高了氫氣的療效和釋放量.因此，這對(duì)于設(shè)計(jì)合成新型光敏感的釋氫藥物具有重要的指導(dǎo)意義.

(A)鈀氫(PdH0.2)納米晶的合成和近紅外控制釋放；(B)PdH-MOF納米粒子的合成

氫氣靶向遞送策略

2.1 基于被動(dòng)靶向的氫氣治療

癌變組織血管豐富，內(nèi)皮細(xì)胞間隙較大、缺少血管壁平滑肌層，淋巴回流缺失，因此納米顆粒可穿過血管壁在腫瘤組織中富集，而不被淋巴液回流帶走.這種被動(dòng)靶向的高通透性和滯留效應(yīng)( and , EPR)能夠大大提高納米藥物在病灶部位的濃度.Kong等人以丙酮為溶劑，采用改進(jìn)的Stöber法合成了以鎂為核，介孔二氧化硅為殼的核殼納米顆粒(Mg@p-)，如圖4(A)所示.該納米顆?；贓PR效應(yīng)使其有效積蓄在腫瘤組織，由于介孔二氧化硅殼層對(duì)鎂-水反應(yīng)產(chǎn)氫過程起到控制阻隔作用，進(jìn)而可通過調(diào)控殼層厚度，控制氫氣的釋放速率.這種新穎的納米顆粒對(duì)比傳統(tǒng)的富氫水治療具有更長(zhǎng)效和可控的氫氣釋放，對(duì)臨床氣體藥物的控緩釋具有重要參考意義.

He等人開發(fā)了一種超聲引導(dǎo)氫氣微泡遞送系統(tǒng)，通過在微泡中加載還原氫來治療心肌缺血再灌注損傷.氫氣微泡利用EPR效應(yīng)在病灶部位聚集，并可通過超聲成像系統(tǒng)進(jìn)行可視追蹤.研究表明，氫氣微泡的濃度與超聲信號(hào)強(qiáng)度成正比，因而可通過調(diào)節(jié)超聲強(qiáng)度對(duì)治療性氫氣濃度進(jìn)行調(diào)控.氫氣微泡是一種新興的基于EPR效應(yīng)的可視化藥物遞送系統(tǒng)，為臨床可視化治療提供了一個(gè)潛在的解決方案.

(A)Mg@p-SiO2-MPs納米藥物被動(dòng)靶向策略；(B)鈀氫納米藥物線粒體靶向示意圖

2.2 基于膜靶向的氫氣治療

相比于正常細(xì)胞，腫瘤細(xì)胞膜表面存在過表達(dá)的特異性受體，針對(duì)這一特性，可設(shè)計(jì)一系列受體介導(dǎo)的藥物靶向方式.目前基于氫氣的主動(dòng)靶向策略相關(guān)研究報(bào)道較少，但基于其他氣體信號(hào)分子，如NO、CO和H2S等已經(jīng)開展了許多研究，這些研究將為氫氣靶向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ).除了對(duì)膜表面特異性的靶向治療，還可以利用腫瘤細(xì)胞膜同源聚集的特點(diǎn)，構(gòu)筑生物膜仿生策略.Zhang等人設(shè)計(jì)了一種含聚多巴胺和氨硼烷的生物膜偽裝納米藥物，硼氨烷作為氫氣前藥，在腫瘤微環(huán)境刺激下釋放氫氣，減輕炎癥反應(yīng)和抑制腫瘤生長(zhǎng).同時(shí)，由于納米藥物外包覆的生物膜與腫瘤細(xì)胞膜同源，偽裝膜上豐富的標(biāo)記物有助于延長(zhǎng)藥物血液循環(huán)半衰期和免疫逃逸，有效提高了腫瘤部位的聚集濃度和生物相容性.仿生納米藥物的出現(xiàn)，進(jìn)一步拓展了腫瘤靶向治療的策略和思路.

2.3 基于細(xì)胞器靶向的氫氣治療

許多氣體信號(hào)分子，如CO、H2S和H2等與線粒體內(nèi)部細(xì)胞能量代謝、保護(hù)正常細(xì)胞和誘導(dǎo)癌變/病變細(xì)胞凋亡等有密切聯(lián)系.因此將釋氣前藥構(gòu)建成線粒體靶向的治療策略有望顯著提高抗腫瘤治療或抗氧化治療的療效.Zhang等人構(gòu)建了一種高效載氫藥物，如圖4(B)所示，通過設(shè)計(jì)鈀氫粒子自催化控制還原氫的釋放，對(duì)治療阿爾茲海默病癥有著顯著的療效.他們發(fā)現(xiàn)線粒體是氫氣的作用靶點(diǎn)之一，氫氣治療大大改善了阿爾茲海默病引起的線粒體功能障礙、促進(jìn)細(xì)胞能量代謝和抑制突觸和神經(jīng)元凋亡等癥狀.但當(dāng)前氫氣防治疾病的作用機(jī)制尚不清楚，基于氫氣的線粒體生物學(xué)效應(yīng)未研究透徹，對(duì)氫氣治療的機(jī)理仍停留在表觀階段，因此基于細(xì)胞器靶向的氫氣治療還需進(jìn)一步探索.

聯(lián)合氣體治療策略

多模式聯(lián)合氣體治療，是將氣體治療與其他多種治療方式(如熱療、化療、放療、光療和免疫治療等)進(jìn)行聯(lián)合，通過調(diào)節(jié)致病細(xì)胞的多個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，不僅可達(dá)到增強(qiáng)綜合治療的效果,治療性氣體還可以減弱甚至消除其他治療方式對(duì)正常組織的毒副作用.因此，基于治療性氣體的多模式聯(lián)合治療明顯優(yōu)于傳統(tǒng)協(xié)同治療方式，是一種安全且非常有應(yīng)用前景的治療策略.

在聯(lián)合腫瘤化療、放療和光熱治療中, H2既可以特異性地敏化腫瘤細(xì)胞也可以保護(hù)正常細(xì)胞.順鉑是應(yīng)用于臨床腫瘤的主要化療藥物，但會(huì)誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生，導(dǎo)致耳毒性、肝臟受損等多種組織損傷，Qu等人在利用順鉑進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的同時(shí)給予氫氣，發(fā)現(xiàn)吸入氫氣后的大鼠血清和耳組織中的氧化物含量明顯降低,另外還發(fā)現(xiàn)氫氣能顯著減輕順鉑誘導(dǎo)的聽覺損傷.這種治療策略有效降低了單一化療方式對(duì)機(jī)體造成的損害，由此建立了氫氣治療-化療雙模式的治療體系，為抑制腫瘤提供了潛在的治療方案.

電離輻射會(huì)導(dǎo)致機(jī)體損傷，目前僅有少量的放射保護(hù)劑如氨磷汀可用于人體，但同時(shí)會(huì)產(chǎn)生高血壓等毒副作用.大部分電離輻射誘導(dǎo)的損傷是由·OH引起，而氫氣恰恰具有較好的抗氧化效果，能防止脂質(zhì)過氧化、蛋白質(zhì)的氧化損傷和DNA氧化，抑制細(xì)胞凋亡或壞死.Chuai等人將氫氣與傳統(tǒng)抗輻射藥劑氨磷汀的療效作對(duì)比，發(fā)現(xiàn)氫氣能顯著抑制電離輻射后雄性生殖細(xì)胞的凋亡.盡管與氨磷汀相比，這種抗輻射效果略顯不足，但當(dāng)氫氣與氨磷汀聯(lián)合治療時(shí)，能有效提高兩者的輻射保護(hù)作用，還可以減少氨磷汀的用藥量，從而降低藥物的毒副作用.因此，氫氣有望成為臨床上一種新型安全無毒的放射性保護(hù)劑.

光熱治療是一種低毒無創(chuàng)的治療技術(shù)，Zhang等人依此設(shè)計(jì)了脂質(zhì)體包載聚多巴胺和硼氨烷的納米載體，在近紅外光的照射下，聚多巴胺材料能很好地將光能轉(zhuǎn)換為熱能，從而殺死腫瘤細(xì)胞.但腫瘤光熱療法通常會(huì)引導(dǎo)不良的炎癥反應(yīng)，誘導(dǎo)遠(yuǎn)處休眠腫瘤的生長(zhǎng).作為氫氣前藥的硼氨烷在腫瘤弱酸環(huán)境下釋放還原氫，能明顯中和細(xì)胞內(nèi)過表達(dá)的ROS，顯著降低炎癥反應(yīng)引起的機(jī)體損傷，不僅能抑制遠(yuǎn)處腫瘤細(xì)胞的增殖，還進(jìn)一步加強(qiáng)了光熱治療對(duì)原生腫瘤的殺傷作用.除了化療、放療和光熱治療,其他治療模式(如光動(dòng)治療和免疫治療等)也有望借助多功能納米載體與氫氣治療進(jìn)行多模式整合,實(shí)現(xiàn)增效減毒的精準(zhǔn)聯(lián)合治療.

總結(jié)與展望

納米氣體治療由于具有納米藥物的尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)以及氣體的特殊生物學(xué)效應(yīng)，從而成為疾病精準(zhǔn)治療的一種途徑，越來越吸引科研工作者的關(guān)注.將納米技術(shù)應(yīng)用于氫氣治療領(lǐng)域是一種新興且非常有發(fā)展前景的抗腫瘤治療策略.這些研究為納米氫氣藥物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及藥效研究奠定了良好的基礎(chǔ).但想要獲得生物響應(yīng)穩(wěn)定以及精準(zhǔn)化治療的納米氫氣藥物，還面臨著諸多的困難與挑戰(zhàn).如外來納米顆粒的引入可能會(huì)增加藥物遞送和釋放擴(kuò)散的復(fù)雜性，同時(shí)納米載體在機(jī)體運(yùn)輸過程中對(duì)細(xì)胞、組織和器官的生物學(xué)效應(yīng)尚不清楚，這為進(jìn)一步臨床研究造成了諸多障礙.當(dāng)前通過刺激響應(yīng)(如內(nèi)源性腫瘤微環(huán)境響應(yīng)、外源性光刺激)控制氫氣釋放的研究還需進(jìn)一步開發(fā),靶向氫氣遞送的研究依然非常欠缺.因此設(shè)計(jì)安全且有效的氣體治療策略，構(gòu)建可控氣體釋放和靶向氣體運(yùn)輸?shù)募{米氣體藥物研究亟待開展.

通信作者

汪紅娣，女，講師，博士，主要從事靶向納米藥物的設(shè)計(jì)和控緩釋研究.

原文刊載于：

《杭州師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》2021年第5期

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