将活性氧种类的毒性调整到高级肿瘤治疗中

介绍

活性氧 (ROS) 是具有化学活性的含氧原子或基团，包括单线态氧 ( ¹ O2)、超氧阴离子(O2-)、羟基自由基( ^· OH) 和过氧化氢 (H2O2) [1,2,3,4]。线粒体是细胞内产生ROS的主要场所，主要通过电子传递链，如O2-·、 ^· 哦和 ¹ O2 都是有氧代谢的副产品 [5]。在大多数细胞中，90%以上的氧气在线粒体中消耗，2%的氧气在线粒体内膜和基质中转化为氧自由基[5, 6]。 ROS在维持组织稳态、调节信号转导和分化、促进细胞损伤和死亡等方面具有重要作用。 ROS水平受细胞抗氧化防御系统控制[7,8,9,10]。

ROS是机体氧化应激过程中产生的主要分子，被认为是影响肿瘤发生、发展和复发的重要因素[11]。 ROS包括含有氧原子的不成对电子基团，过量的ROS会破坏组织中的DNA和蛋白质等生物大分子。 ROS的增加会增加突变率，促进正常细胞向肿瘤细胞的转化。 ROS还可以促进驱动肿瘤发生和进展的重要信号分子的稳定性。也就是说，ROS不仅是肿瘤产生的因素，也是肿瘤恶化的因素。然而，肿瘤细胞中ROS的增加会导致细胞死亡，从而抑制肿瘤的进一步生长。总之，ROS 在肿瘤中可以发挥多方面的作用 [12, 13]。对于 ROS 介导的机制，发现了有害和有益的影响，并取得了不同的成功 [14,15,16]。过去几十年见证了与 ROS 相关的纳米治疗学的巨大发展，它们正在成为未来纳米医学的重要方向，涉及多学科领域之间的密切联系 [17, 18]。为此，重要的是破译 ROS 生成和消除之间的逻辑，以彻底改变设计考虑。在这份进展报告中，我们首先提供了 ROS 的生物学效应。然后，我们讨论基于 ROS 的抗肿瘤策略。其中，我们重点介绍了最近使用 ROS 毒性作为高效肿瘤治疗工具的研究（图 1）。

将毒性转化为治疗的潜力示意图

以火抗争

据报道，ROS 与癌症发展和癌细胞死亡有关。一旦可以很好地控制 ROS 的毒性，应用 ROS 相关的纳米药物似乎是一种很有前途的肿瘤治疗方法 [7, 19, 20]。首先，大量关于ROS的机制毒性研究为开发将毒性转化为治疗效果的方法提供了强有力的基础[5, 6]。此外，从实践的角度来看，许多科学家已经证明了修饰纳米药物以改变其理化特性的可行性，从而能够精确控制特定部位的 ROS 水平。因此，与 ROS 相关的纳米药物具有成为独立治疗工具的巨大潜力。事实上，一些概念验证研究已经专门解决了这种潜力。

ROS通过诱导DNA突变和基因组不稳定性或作为信号分子促进肿瘤发展，加速肿瘤细胞增殖、存活和转移。然而，过量的 ROS 会增强细胞氧化应激，导致 DNA、蛋白质或脂质损伤，并导致细胞凋亡或坏死 [21, 22]。因此，通过纳米药物增强肿瘤细胞中的活性氧已被应用于临床癌症的治疗。在以下部分中，我们将调查能够提高细胞内 ROS 水平的方法，包括癌症治疗中的光动力疗法 (PDT)、化学动力学疗法 (CDT) 和放射疗法 (RT)，从而促进未来新策略的发展以克服当前基于 ROS 的癌症疗法的局限性。

光动力疗法

在典型的 PDT 系统中，光敏剂 (PSs)、光和氧气是 PDT 的三个基本组成部分。 PS在特定波长的光的激发下，通过短暂的单线态从基态转变为三线态激发态，并导致产生过量的细胞毒性ROS，然后ROS最终诱导靶向病变的消退[23,24,25]。图 2 显示了 PDT 的机制：在 I 类机制中，PS 直接与细胞微环境中的有机分子反应，获得氢原子或电子形成自由基，导致产生 ROS 和大分子降解，具有细胞毒性到细胞 [23]。在 II 型机制中，处于三重态的 PS 可以较少地将辐射衰减到基态或将其能量转移到分子氧，这是基态三重态的独特之处，导致形成细胞毒性 ROS，如单线态氧气 ( ¹ O2)。不幸的是，由于生物组织的光学透明窗口中的光吸收较弱，大多数可用的 PSs 如 photofrin 表现出低 ¹ 当被光疗窗口内的光激发时，O2 量子产率 [26]。此外，PSs 的生物利用度差，限制了 PDT 的应用，肿瘤中低水平的氧气可以进一步降低 ¹ 氧气生产 [27, 28]。因此，设计和开发合适的 PSs 对促进 PDT 的发展起着至关重要的作用。纳米材料作为一种很有前途的 PDT 技术，可以克服传统 PS 的大部分局限性。本节梳理了近期增加细胞内ROS水平以增强PDT的实例，包括各类纳米材料。

典型光动力反应示意图[23]

具有独特能带结构的黑磷纳米片（BP NSs）产生 ¹ O2 在 660 nm 近红外 (NIR) 光照射下；因此，它们可以开发为 PDT 的高效 PS。此外，研究表明 BP NSs 可以降解并具有良好的生物安全性能 [29]（图 3a）。张等人。设计了 BP-PEI/AuNPs 杂化纳米片，通过聚醚酰亚胺（PEI）将用作二维（2D）无机 PS 的 BP NSs 与金纳米粒子（AuNPs）杂化。 BP-PEI/AuNPs 纳米片显着改善的 PDT 效应导致在体外和体内有效抑制肿瘤生长（图 3b）[30]。杨等人。成功开发了 BP 量子点 (BPQD) 并研究了它们作为 PDT 试剂的潜力。 BPQDs 在生理介质中表现出良好的稳定性，并且在 PEG 缀合后没有可观察到的毒性。此外，BPQDs 可以有效地生成 ¹ 光照射下的 O2。体外和体内研究均表明 BPQD 通过 PDT 表现出出色的抗肿瘤效率（图 3c）[31]。郭等人。报道了一种基于 BP NSs 的新型多模式治疗系统。使用 DOX 作为模态药物，BP 对 DOX 具有极高的载药量。在近红外光下，BP NSs可以有效地产生 ¹ 近红外光照射下的 O2。 BP NSs 的内在特性使它们能够同时作为有效的 PDT 和 PTT 剂（图 3d）[32]。

一 散装 B.P. 水剥离示意图成超薄纳米片。 b BP-PEI/AuNPs 生物功能的制备和示意图。在癌细胞中，通过局部表面等离子体共振（LSPR）增强的 PTT/PDT 可以同时增强热疗和单线态氧用于癌症光疗。 c BPQDs的合成示意图及其在PDT中的潜在应用。 d 基于BP的协同光动力/光热/化疗药物递送系统概述[29,30,31,32]

金基纳米粒子也已被广泛研究用于 PDT [33]。黄等人。已经展示了纳米材料介导的 PDT 的第一个文献示例，并证明在 NIR 光照射下，Au NRs 可以介导 PDT 效应，在没有额外有机光敏剂的情况下完全破坏小鼠的肿瘤（图 4a）[34]。陈等人。设计了聚集诱导发射金Clustoluminogen（AIE-Au）以实现有效的低剂量X射线诱导PDT（X-PDT），副作用可忽略不计。 X 射线诱导的发光激发共轭光敏剂，产生 PDT 效应。体内外实验表明AIE-Au有效触发了 ¹ 的产生 O2 的 X 射线剂量降低了一个数量级，从而实现了高效的癌症治疗（图 4b）[35]。江等人。开发了二氢硫辛酸包覆的 AuNCs（AuNC@DHLA）作为 PSs，用于有效的体内 PDT。对比 ¹ 大多数常规PS的O2（II型）机制，AuNC@DHLA的光化学机制涉及I型过程。以 AuNC@DHLA 作为 PSs，实现了高效的体内 PDT（图 4c）[36]。

一 Au NRs 在低光剂量下发挥光热和光动力治疗作用的原理图。 b 用于荧光和 CT 成像引导的 X 射线诱导增强 RT 和 PDT 的 R-AIE-Au 工作模型示意图。 c AuNC@DHLA PDT的癌症治疗机制示意图。 AuNC@DHLA 可以通过细胞膜穴样内陷介导的内吞作用被内化并在溶酶体中积累，在溶酶体中产生 ROS 导致 LMP。随后改变的 MMP、线粒体​​形态和细胞骨架破坏最终导致细胞死亡。 NIR fs激光照射实现了体内PDT [34,35,36]

PDT虽然近年来已应用于临床，但尚未成为一线治疗。这很大程度上取决于PDT复杂的光敏性，这需要光、PS和氧（O2）之间的精细协调，这极大地限制了PDT的功效。近年来，为了提高 PDT 介导的 ROS 生成效率，已经开发了许多方法，例如使用新型纳米材料作为光传感器以增加光穿透深度，以及使用纳米药物复合物作为解决肿瘤组织的氧气供应系统。然而，纳米系统提供的氧的保留时间和空间分布与纳米系统增强抗肿瘤作用的有效性之间的关系有待进一步研究。

化学动力疗法

化学动力学疗法（CDT）是一种新兴的癌症治疗方法，它利用金属与过氧化物之间的芬顿/芬顿样反应产生高活性羟基自由基（ ^· OH) 以实现有效的肿瘤细胞杀伤 [37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47]。目前实现CDT的主要方法是传递芬顿活性过渡金属离子，从而触发细胞内H2O2转化为 ^· OH 通过各种生物分子（如 DNA 和蛋白质）的氧化诱导氧化应激和随后的癌细胞死亡 [13, 16, 46,47,48,49,50,51,52,53]。芬顿反应已写为方程。 （1）和（2）[46]。

芬顿反应是H2O2与亚铁离子反应生成 ^· 的过程 OH 具有强氧化性。由于肿瘤组织中H2O2的含量明显高于正常组织，因此 ^· 基于Fenton反应的OH是利用ROS实现选择性肿瘤治疗的优选方案；亚铁离子向肿瘤部位的有效和特异性转运已成为研究热点。受益于肿瘤弱酸性微环境特性，酸敏感铁基纳米材料可实现肿瘤部位亚铁离子的选择性释放，有望实现肿瘤的高效特异性治疗。

为此，侯等人。开发了一种基于 Fe5C2@Fe3O4 NPs 产生 ROS 的可切换 MRI 引导的癌症治疗剂。 Fe5C2@Fe3O4 NPs对pH敏感，在酸性肿瘤环境中释放亚铁离子，释放Fe ²⁺ 离子使肿瘤部位过度产生的H2O2不成比例，生成 ^· OH 用于有效的肿瘤治疗（图 5a）[54]。此外，它们具有高磁性，这是有益的，因为它们允许通过磁性靶向和 T2 加权 MRI 可视化肿瘤聚集。通过体外和体内实验证实了有效的肿瘤定向和ROS的产生，显示出优异的治疗效果和低毒性。此外，Fe5C2@Fe3O4 NPs在低pH区域的溶解降低了MRI上的T2信号，亚铁离子的释放提高了T1信号，提供了一种MRI监督的肿瘤治疗。这些 Fe5C2@Fe3O4 NPs 是碳化铁应用于肿瘤消退的开创性范例，基于芬顿反应的选择性催化，无需外部能量输入，为高效和特异性的肿瘤治疗提供了可见的策略（图 5b） .在另一个例子中，Shi 等人。探索了一种含铁金属-有机骨架[MOF(Fe)]纳米催化剂作为过氧化物酶模拟物，用于催化高氧化性 ^· 的生成 OH 自由基专门存在于癌细胞内，而氯喹用于使溶酶体脱酸并抑制自噬，从而切断严重氧化应激下的自我保护途径（图 5c）。癌细胞无法提取其成分来解毒和增强自身，最终在纳米催化治疗过程中屈服于 ROS 诱导的氧化损伤。体外和体内结果均表明，这种联合治疗方法具有显着的抗肿瘤作用，有望为未来治疗方案的设计提供参考[55]。

一 Fe5C2@Fe3O4 NPs对pH响应性Fe ²⁺ 的示意图 释放、ROS 生成和 T2/T1 信号转换。 b PEG/Fe5C2@Fe3O4 纳米颗粒的 pH 依赖性 MRI 模型切换。 c 潜在材料化学和治疗概念的示意图：MOF (Fe) 催化癌细胞中的芬顿样反应，将固有的无毒 H2O2 转化为高氧化性 ^· OH，它攻击和灭活周围的蛋白质和细胞器，并导致它们的异常积累。 d 用于改善癌症治疗的合成过程和缺氧响应铜金属-有机骨架纳米系统示意图 [54, 55, 65]

除了由铁离子或铁基纳米颗粒介导的 ROS 产生外，其他金属离子，如 Mn ²⁺ , 铜 ²⁺ , 银 ⁺ 和 Pt ²⁺ ，以及它们相应的 NP，也显示出类似芬顿的活性 [56,57,58,59,60,61,62,63,64]。张等人。报道了一种铜金属-有机骨架纳米粒子（Cu-MOF NPs），该纳米粒子由负载有声敏剂二氢卟酚 e6（Ce6）的有机配体桥接，显示出良好的肿瘤积累，按需释放大量 Cu ²⁺ 和 Ce6 响应缺氧 TME，实现谷胱甘肽 (GSH) 耗尽的化学动力学/声动力学疗法 (CDT/SDT)（图 5d）[65]。具体而言，大尺寸的Cu-MOF NPs通过增强的渗透性和保留效应（EPR）在肿瘤中有效积累，缺氧TME触发Cu-MOF NPs降解释放Cu ²⁺ 和 Ce6 和深入的肿瘤渗透。游离Cu ²⁺ 之间的氧化还原 和细胞内高水平的谷胱甘肽，导致谷胱甘肽消耗并减少Cu ²⁺ 到 Cu ⁺ .铜 ⁺ 催化类芬顿反应在弱酸性 TME 中显示出高催化活性和特异性，对癌细胞表现出细胞毒性。 GSH 消耗和 Ce6 介导的 SDT 进一步提高了治疗效率。体内实验结果表明，Cu-MOF NPs 选择性、有效地杀死癌细胞，具有高特异性和微创性。

近年来，CDT在肿瘤治疗领域取得了快速进展，但在临床转化过程中仍存在一些挑战。例如，纳米材料的大规模可重复合成、纳米材料的生物安全性、纳米材料治疗效果的评价标准以及更深层次的生物学原理等一系列挑战，仍需要多学科研究人员的共同努力来解决。

放射治疗

放射治疗（RT）是癌症治疗中应用最广泛的方法之一，在癌症治疗中起着非常重要的作用[66]。 RT，利用高强度电离辐射抑制肿瘤增殖，不受深度限制，在此期间，它可以通过周围水电离产生大量细胞毒性活性氧 (ROS) 来诱导 DNA 双链损伤 [66,67 ,68,69]。因此，为了增强放疗过程中电离辐射诱导的细胞损伤，足够的 ROS 产生对于通过与 DNA 反应并极大地抑制断裂双链 DNA 的重建来诱导 DNA 双链损伤至关重要 [70]。 RT主要利用电离辐射照射肿瘤组织，通过产生大量细胞毒性活性氧（ROS）来破坏癌细胞的DNA[71]。电离会导致原子和分子键断裂，目前认为DNA双链断裂是导致细胞死亡的主要原因。然而，由于治疗过程中缺氧和加速肿瘤细胞再增殖等机制，某些类型的肿瘤甚至瘤内区域可能对放疗的杀癌作用不太敏感，这可能导致放疗存活的肿瘤细胞聚集。刘等人。开发了 PFC@PLGA-RBCM NPs，其中 PFC 核心可以溶解大量的氧气 (O2)，红细胞膜 (RBCM) 涂层可以大大延长这些纳米颗粒的血液循环。 PFC@PLGA-RBCM NPs在静脉给药后可以有效地将O2输送到肿瘤，从而大大缓解肿瘤缺氧并显着提高RT的治疗效果（图6a）[72]。赵等人。设计了一种 GdW10@CS NPs，用于增强缺氧肿瘤中放疗的放射增敏作用。 GdW10@CS NPs 同时利用 GdW10@CS 作为外部放射增敏剂来沉积辐射剂量并消除细胞内 GSH 以更有效地产生 ROS。和HIF-1α siRNA作为内刺激方法抑制双链DNA修复，实现放疗的放射增敏作用。 HIF-1α siRNA作为内部刺激抑制双链DNA修复并实现RT的放射增敏作用（图6b）[73]。

一 PFC@PLGA-RBCM NPs 用于 RT 治疗的机理图。 b GdW10@CS NP 的示意图表示 RT 对缺氧肿瘤细胞的有效放射增敏功效。 c 用于放射治疗的线粒体靶向纳米增敏剂 TiO2 (Gd)-TPP NPs 以触发线粒体 ROS 积累。 d X射线照射下铋、顺铂前药合成NP@PVP及增强放化疗疗效的机理示意图

为了增强放疗中电离辐射诱导的细胞损伤，必须能够产生足够的ROS，ROS可以通过与DNA反应诱导DNA双链损伤，极大地抑制断裂双链DNA的重塑[74]。 ,75,76]。最近的研究表明，在放疗过程中增加肿瘤细胞内的ROS水平，可以显着提高放疗效率，降低放疗剂量，从而减少对正常细胞的非选择性杀伤和对旁观器官的严重全身副作用。例如，Tang 等人。开发了一种线粒体靶向、Gd 掺杂的二氧化钛纳米敏化剂，称为 TiO2 (Gd)-TPP NPs，用于有效 RT。由于纳米增感剂对 X 射线具有较大的光电截面，因此可以有效地产生 ROS。实验结果表明，靶向线粒体的纳米增敏剂可以显着降低治疗剂量，增强抗肿瘤疗效。该策略可能提供一种有效且通用的方法来提高未来临床癌症治疗中的肿瘤放射敏感性（图 6c）[77]。詹等人。为硝酸铋和顺铂前体（即放射增敏剂）构建了纳米配位平台（NP@PVP）。 NP@PVP 中的铋可以通过增加 ROS 的产生和增强肿瘤细胞 X 射线照射后的 DNA 损伤来使 RT 敏感。与顺铂（SER为1.78）相比，NP@PVP具有更高的增敏率（SER为2.29）和更好的肿瘤消融能力（图6d）[78]。

因此，许多研究表明，纳米药物介导ROS产生以实现RT致敏的策略在RT中具有巨大的抗癌潜力，具有良好的临床应用前景。随着肿瘤分子生物学的发展，对纳米药物放疗增敏的研究和认识应深入到分子生物学和基因水平，进而提出一种更为本质和普遍的放疗增敏解释机制。因此，有必要加强基于纳米材料促进活性氧产生的放疗致敏机制的研究。这不仅可以阐明纳米材料的放射增敏机制，而且为其在生物领域的应用提供了依据；它还有助于进一步了解纳米药物、高能射线和生物组织之间的相互作用，从而改善纳米药物的结构和性能。扩大应用范围，发现新的应用领域，减少毒副作用等具有指导意义。

结论和展望

本综述旨在揭示和解决由 ROS 引起的毒性的治疗作用。为了促进活性氧的作用从致病因素向治疗因素转变，促进治疗转化的成功，应考虑其毒性原理，设计ROS相关纳米系统。

ROS在生命过程中发挥着重要作用，高水平的ROS会对细胞生物分子造成氧化损伤，导致细胞死亡。我们可以根据它的作用机制，用它的毒性去治疗，达到“同治同治”的效果。因此，基于 ROS 的肿瘤治疗策略显示出巨大的前景。近年来，已经有许多研究致力于开发集成 ROS 调节纳米材料，并开发了许多策略来解决氧化还原调节治疗中存在的问题。这篇综述总结了近年来各种ROS相关纳米系统在肿瘤治疗中的发展和应用，涉及ROS诱导的毒性治疗，并提出了ROS相关纳米系统设计的一些基本和关键原则。尽管近年来ROS调节疗法的发展取得了重大进展，但ROS相关纳米系统的设计仍处于起步阶段，仍有许多挑战有待解决。 PDT 使用光敏剂产生 ROS，在光激活下杀死肿瘤细胞。然而，肿瘤缺氧和有限的光穿透深度限制了它的发展。与 PDT 相比，CDT 是一种新兴的治疗策略，它利用生化反应产生 ROS 来杀死肿瘤细胞，它既不依赖分子氧 (O2)，也不依赖外部光源，使化学动力学治疗避免了光动力学治疗的主要缺点[79， 80、81、82、83、84、85、86、87]。尽管具有巨大的治疗潜力，CDT 技术仍处于起步阶段。放疗是临床上各类癌症的主要治疗方法，高达50%的癌症患者接受这种治疗方式。 RT可以通过破坏DNA双链有效杀死癌细胞，但癌细胞DNA的自我修复机制高度限制了其治疗效果。此外，缺氧肿瘤对放疗的不敏感性和治疗剂量下不可避免的副作用也限制了其疗效。8 10 同时，由于 X 射线的非选择性吸收，正常组织也可能像癌组织一样受到伤害。因此，RT 引起的重大问题需要下大力气克服。高效放射增敏剂是提高放疗疗效的重要因素，设计新的有效放射增敏剂以增强X射线的吸收，从而在安全剂量以下达到有效的治疗效果非常重要。

一般只有PDT或CDT、RT治疗不能完全消除肿瘤，尤其是转移性肿瘤。可以开发出智能纳米药物，可以与多种治疗方法协同使用，可以达到协同治疗效果。有益的 ROS 相关纳米系统，并可能持续导致先进的治疗方法。未来，研究人员仍需继续开发智能纳米活性氧相关纳米材料，以选择性放大肿瘤细胞中可诱导肿瘤细胞死亡的氧化应激。

数据和材料的可用性

不适用。

缩写

ROS：

活性氧

¹ 氧气：

单线态氧

O2-：

超氧阴离子

^· 哦：

羟基

H2O2 :

过氧化氢

PDT：

光动力疗法

CDT：

化学动力学疗法

RT：

放射治疗

PS：

光敏剂

O2：

氧气