鄧橋妹，蘭 穎綜述，譚國鶴，劉斯佳審校

0 引 言

2016 年，諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎獲獎?wù)遈oshi?nori Ohsumi 發(fā)現(xiàn)一種維持細胞新陳代謝和細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的途徑——自噬（Autophagy）［1］。自噬的進化過程高度保守，無論是酵母菌，還是哺乳動物中均可找到參與自噬的同源基因。在生理情況下，細胞通過形成雙層膜結(jié)構(gòu)的自噬體，吞噬不利于細胞生長的因子，包括衰老的細胞器和折疊錯誤的蛋白質(zhì)等，然后將其定向運送到溶酶體降解，以維持細胞內(nèi)的穩(wěn)態(tài)平衡；而在應(yīng)激反應(yīng)、營養(yǎng)缺乏等情況下，自噬則會參與細胞內(nèi)組成成分的持續(xù)性轉(zhuǎn)運和翻新，降解有害的成分，為細胞的生存提供氨基酸、核苷酸、脂肪酸等一系列營養(yǎng)物質(zhì)，這對機體的生長和發(fā)育意義都很重大。然而，機體的自噬水平出現(xiàn)異常時，也會導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生［2-5］。自噬與腫瘤的發(fā)生發(fā)展密不可分，眾多的研究表明干預(yù)腫瘤細胞自噬水平可能是有效治療惡性腫瘤的一種很有前景的新思路［6-7］。作為死亡最主要的原因之一，腫瘤是一個重大的衛(wèi)生問題和健康挑戰(zhàn)，來自全球腫瘤流行病統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2018 年全世界新增惡性腫瘤病例約1810 萬而另有970 萬惡性腫瘤患者死亡［8］。因此，從自噬的角度研究和治療腫瘤，已經(jīng)刻不容緩。實際上，自噬在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中的作用機制還十分復(fù)雜，它如同一把“雙刃劍”，一方面抑制原發(fā)性腫瘤的生長，另一方面卻是維持腫瘤生存和發(fā)展的必要條件，當(dāng)腫瘤形成后自噬會成為腫瘤的一種生存途徑［9］。通過操作腫瘤細胞自噬水平而干預(yù)或治療腫瘤，有望為臨床帶來新的希望。近年來，使用無機納米材料來調(diào)節(jié)細胞自噬的研究工作越來越多，常用的材料包括有金納米粒子、銀納米粒子等金屬基納米材料，富勒烯C60、氧化石墨烯等碳基納米材料，稀土氧化物納米材料等，它們具有尺寸小、易被修飾、體內(nèi)循環(huán)時間長、腫瘤靶向性好、生物相容性高、生物毒性低等優(yōu)異的物理化學(xué)性能，此外還能通過誘導(dǎo)細胞內(nèi)氧化應(yīng)激反應(yīng)或影響自噬相關(guān)基因/蛋白質(zhì)表達等方式對自噬發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，從而在調(diào)控腫瘤自噬方面顯示出全面的優(yōu)勢和巨大的潛力［10-12］，見圖1。本文將重點對幾種典型的無機納米材料及其對腫瘤自噬水平的調(diào)控作用進行研究綜述。

圖1 無機納米材料調(diào)節(jié)自噬的可能機制Figure 1 Possible mechanisms of inorganic nanomaterials to regulate autophagy

1 金納米粒子調(diào)節(jié)自噬水平治療腫瘤

金納米粒子（Gold Nanoparticles，AuNPs）因其優(yōu)異的光熱效應(yīng)、等離子共振效應(yīng)、化學(xué)惰性等特性，在生物成像、細胞治療等多種領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，尤其AuNPs 通過調(diào)節(jié)腫瘤細胞自噬應(yīng)用于腫瘤治療的研究備受關(guān)注［13］。例如，Li等［14］合成了具有溴化十六烷基三甲銨（cetyltrimethylammonium bro?mide，CTAB）的金納米粒子，發(fā)現(xiàn)其能夠通過AKTmTOR 信號通路引起人肺腺癌A549 細胞明顯自噬，誘導(dǎo)A549 細胞自噬性死亡約50%，這為表面修飾金納米粒子調(diào)節(jié)自噬用于腫瘤治療提供新思路。另外，Zhou 等［15］通過檸檬酸鈉還原法等方法合成球狀的金納米粒子，利用這些納米粒子處理Hela 細胞發(fā)現(xiàn)，細胞內(nèi)自噬體明顯增多且溶酶體活性急劇下降，Hela 細胞存活率很低，說明該AuNPs 能抑制細胞自噬，能很好地應(yīng)用于腫瘤治療。事實上，AuNPs不僅可直接影響腫瘤細胞的自噬，還可協(xié)同其它方法用于治療腫瘤。例如，Zhang 等［16］用種子合成法制備出高穩(wěn)定性、在808 nm 處具有縱向等離子體共振性、CTAB 包裹的金納米棒（Gold nanorods，GNs），通過取代反應(yīng)將GNs 與可靶向三陰性乳腺癌的抗表皮生長因子受體（epidermal growth factor recep?tor，EGFR）的抗體連接形成anti-EGFR-GNs，增加了三陰性乳腺癌細胞系MDA-MB-231 細胞自噬通量，促進了細胞的自噬性死亡，細胞存活率為（63.8 ±2.6）%；而利用anti-EGFR-GNs 協(xié)同光熱治療，通過上調(diào)自噬相關(guān)蛋白并抑制AKT-mTOR 信號通路促進自噬，增加了自噬性細胞死亡，細胞存活率僅為（32.2±8.22）%，體現(xiàn)了顯著性的抗腫瘤效果。腫瘤壞死因子相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體及其激動性受體抗腫瘤效果良好，但非小細胞肺癌（non-small-cell lung cancer ，NSCLC）等多種腫瘤易出現(xiàn)耐藥性，而在聯(lián)合AuNPs 的情況下，能導(dǎo)致大量NSCLC 細胞的線粒體損壞和自噬水平升高，NSCLC 細胞凋亡也顯著增多［17］。但是，一些研究發(fā)現(xiàn)部分AuNPs 存在能夠穿透血腦屏障、代謝困難、引起組織炎癥等缺點，它們長期蓄積在體內(nèi)，會產(chǎn)生潛在的毒性作用。那么克服AuNPs 這些缺陷將十分有助于突破臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用［18］。

2 銀納米粒子調(diào)節(jié)自噬水平治療腫瘤

銀納米粒子（silver nanoparticles，AgNPs）擁有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等物理性質(zhì)，也具有獨特的抗菌、抗炎、抗腫瘤等化學(xué)性質(zhì)。作為臨床診斷治療最常用的納米材料之一，AgNPs 通過引發(fā)氧化應(yīng)激、DNA 損傷、細胞周期停滯等可以對腫瘤細胞產(chǎn)生毒性作用，但同時也會誘導(dǎo)腫瘤細胞產(chǎn)生保護性自噬，而如何設(shè)計并制備出高效殺傷腫瘤的AgNPs是難點［19-20］。Lin 等［21］證明分散性良好、平均直徑為（26.5±8.4）nm、zeta 電位為（-12.9±1.1）mV 的AgNPs通過激活phosphatidylinositol 3-kinase 信號通路誘導(dǎo)細胞保護性自噬，主要表現(xiàn)為自噬體形成增多；利用AgNPs聯(lián)合自噬抑制劑渥曼青霉素處理B16黑素瘤細胞小鼠模型，可顯著增強AgNPs 對該模型小鼠的抗瘤效果。Zhang 等［22］合成直徑為16～20 nm 的球狀A(yù)gNPs，能夠上調(diào)人卵巢癌A2780細胞中Atg5、Atg7 等自噬相關(guān)基因的表達，誘導(dǎo)細胞出現(xiàn)自噬，并導(dǎo)致細胞自噬性死亡；將該納米粒子與自噬誘導(dǎo)劑鹽霉素共處理A2780 細胞時，誘導(dǎo)細胞自噬的能力會更強。AgNPs還可通過調(diào)節(jié)腫瘤細胞自噬作為一種放射增敏劑，能夠進一步改善腫瘤放射治療的效果。Liu 等［23］使用AgNPs 聯(lián)合放療干預(yù)細胞和動物腫瘤模型，發(fā)現(xiàn)不管是對體外的U251細胞還是在體的小鼠腦膠質(zhì)瘤模型，都具有很強的放射增敏能力和更高的細胞死亡率。同時，這些發(fā)現(xiàn)也表明，AgNPs調(diào)節(jié)自噬作用的多樣性可能與其具有不同尺寸、電荷等性質(zhì)相關(guān)，這有助于為AgNPs 的抗腫瘤治療提供新的見解。但是AgNPs 自身的抗腫瘤性能沒有靶向識別能力，對于正常細胞也存在一定破壞作用，所以如果提高AgNPs 在腫瘤組織的控釋能力將更好的應(yīng)用于腫瘤臨床治療上。

3 氧化鐵納米粒子調(diào)節(jié)自噬水平治療腫瘤

氧化鐵納米粒子（Iron Oxide Nanoparticles，IONPs）因表現(xiàn)出超順磁性、光熱效應(yīng)、生物安全性等特性已被應(yīng)用在臨床疾病診療［24］，目前不同形狀和表面特性的IONPs作為腫瘤熱療的光熱劑已被廣泛探索。Ren 等［25］發(fā)現(xiàn)IONPs 引起的光熱效應(yīng)能夠誘導(dǎo)MCF-7 細胞自噬，而在MCF-7 細胞異種移植的模型中，自噬抑制劑聯(lián)合IONPs 在光照的作用下腫瘤細胞中LC3 和TUNEL 顯著增多，自噬小體累積增多，細胞凋亡增強，且抑制腫瘤達到68.56%。為了評估這些納米材料對正常細胞的潛在損傷效應(yīng)，Khan 等［26］合成一種直徑30～65 nm IONPs，細胞實驗發(fā)現(xiàn)IONPs 可選擇性地誘導(dǎo)A549 細胞的自噬并產(chǎn)生顯著的細胞毒性，而不誘導(dǎo)正常人肺成纖維細胞IMR-90 自噬并對IMR-90 細胞無明顯毒性，顯示了IONPs在自噬介導(dǎo)的腫瘤治療方案中的高效選擇性。Du 等［27］利用超順磁性氧化鐵納米粒子（super?paramagnetic iron oxide nanoparticles ，SPIONs）在旋轉(zhuǎn)磁場中作用不產(chǎn)生熱量的特性，不僅能彌補SPI?ONs 在交替磁場中場感應(yīng)熱能不均勻、對附近正常組織造成傷害等的不足，而且能夠刺激骨肉瘤細胞產(chǎn)生大量的ROS 誘導(dǎo)自噬，從而促進骨肉瘤細胞的凋亡?；贗ONPs 這一特殊的腫瘤靶向性，IONPs誘導(dǎo)自噬殺傷腫瘤細胞的同時而不影響正常細胞自噬功能，這將會在臨床腫瘤治療上有巨大的應(yīng)用潛力。而在臨床應(yīng)用中，如何實現(xiàn)IONPs 的靶向功能化的同時不影響其超順磁性是研發(fā)過程的主要難點。

4 富勒烯C60納米材料調(diào)控自噬水平治療腫瘤

富勒烯C60是一種由碳原子組成，結(jié)構(gòu)為管狀、空心球體或橢球體的分子，能被組織快速地吸收并通過尿道和腸道排出，對機體毒性很低。經(jīng)修飾后的富勒烯C60 衍生物在生物效應(yīng)上還可以大大提高［28］。Zhang 等［29］利用改良四氫呋喃法制備出具有水分散性、20～100 nm 的納米晶體C60，發(fā)現(xiàn)C60 在非細胞毒性濃度（0.5 μg/mL）下可誘導(dǎo)自噬并增強耐藥腫瘤細胞對化學(xué)治療敏感性，隨后通過自噬信號通路中的關(guān)鍵基因Atg5 缺失與否驗證了C60 增強化療藥物對細胞的毒性作用與自噬上調(diào)相關(guān)。Xu 等［30］研究表明納米晶C60 能夠誘導(dǎo)骨肉瘤細胞自噬并激活鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶IIα（calci?um/calmodulindependentproteinkinaseII，CaMKIIα），當(dāng)他們利用KN-93 抑制CaMKIIα 活性時，骨肉瘤細胞的溶酶體功能受損、自噬小體積聚、自噬功能被阻斷，與C60共處理骨肉瘤細胞，細胞存活率可低至30%左右，這說明可通過協(xié)同C60 抑制自噬達到抗骨肉瘤的目的。而如何批量制備形貌均勻的C60是實現(xiàn)其臨床上轉(zhuǎn)化應(yīng)用亟待解決的首要問題。

5 氧化石墨烯納米材料調(diào)控自噬水平治療腫瘤

氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）是明星納米材料——石墨烯的氧化形態(tài)，石墨烯是一種二維碳基超共軛結(jié)構(gòu)組成的納米材料，它具備有超好的力學(xué)強度、超大比表面積、優(yōu)異的導(dǎo)電性等理化性能和，并具備良好的生物安全性和環(huán)境友好性，而GO基本保持了石墨烯的優(yōu)良特性，還具備更好的生物相容性，因而，近年來GO 在醫(yī)學(xué)診療領(lǐng)域的研究備受關(guān)注［31-32］。盡管有報道稱GO 能誘導(dǎo)細胞自噬，但其誘導(dǎo)自噬的信號機制及其在腫瘤治療中的潛在作用尚不清楚。Chen等［33］研究證明GO 不僅能夠激活自噬標記蛋白并以濃度依賴性方式誘導(dǎo)巨噬細胞RAW264.7 自噬，也引起toll 樣受體4（toll-like re?ceptor 4，TLR 4）/TLR 9 信號級聯(lián)效應(yīng)，激活其下游信號髓樣分化因子（myeloid differentiation factor88，MyD88）、TRAF6 和NF-kB；接著通過沉默信號通路中的單個基因，揭示了GO 誘導(dǎo)的自噬不僅受TLR 4/TLR 9的調(diào)節(jié)，還依賴下游銜接蛋白MyD88、TRIF和TRAF6。隨后他們利用GO 治療結(jié)腸癌也證實了這點；還發(fā)現(xiàn)GO 能作為一種藥物增敏劑協(xié)同化療藥物順鉑作用，會顯著增加自噬通量，促進細胞凋亡，增強抗腫瘤作用［34-35］。Tang等［36］也發(fā)現(xiàn)GO 通過觸發(fā)自噬可達到抗骨肉瘤效應(yīng)。這些研究說明GO能夠通過激活自噬發(fā)揮殺傷腫瘤細胞作用，具有較高的臨床應(yīng)用價值。目前，阻礙GO 的臨床應(yīng)用上的最大瓶頸是如何提高GO的肝腎代謝性。

6 其他無機納米粒子調(diào)控自噬水平治療腫瘤

已在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域利用自噬治療腫瘤的無機納米材料除了上述關(guān)注度較高的納米材料外，還有很多無機納米材料也會誘導(dǎo)自噬性細胞死亡用于腫瘤的治療。Yu 等［37］證實二氧化硅納米粒子（sili?ca nanoparticles，SNPs）通過氧化應(yīng)激反應(yīng)激活HepG2 細胞自噬并且自噬激活水平與ROS 水平同步升高；此外，利用自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤能有效抑制SNPs誘導(dǎo)HepG2細胞的自噬，增加細胞的凋亡。除單一的無機納米材料調(diào)節(jié)自噬外，不同無機納米粒子組裝后的新型材料也被開發(fā)用于自噬的調(diào)節(jié)治療腫瘤。Zhang 等［38］利用銅和鈀納米粒子合成一種具有優(yōu)異的近紅外光熱轉(zhuǎn)換效率、特殊的尖端結(jié)構(gòu)材料（tetrapod nanoparticles，TNP-1），以形狀和組成依賴的方式，誘導(dǎo)促進存活性自噬；當(dāng)利用3-甲基腺嘌呤或氯喹抑制自噬后發(fā)現(xiàn)其對TNP-1 介導(dǎo)PTT治療的耐藥的三陰性乳腺癌有顯著的協(xié)同治療作用。Yuan 等［39］制備出還原氧化石墨烯—銀納米復(fù)合物（a reduced graphene oxide-silver nanopar?ticle nanocomposite，rGO-AgNPs），該納米復(fù)合物聯(lián)合抗癌藥物順鉑共同處理HeLa 細胞時發(fā)現(xiàn)它們能夠誘導(dǎo)自噬體和自噬小體的積累并促進HeLa 細胞的凋亡，表明rGO-AgNPs 能夠顯著增強順鉑對HeLa細胞的毒性。這些都顯示了無機納米離子通過調(diào)控自噬水平干預(yù)治療腫瘤的潛在應(yīng)用前景。

7 結(jié) 語

綜上所述，利用無機納米材料合理地調(diào)控腫瘤細胞的自噬水平，從而達到誘導(dǎo)殺傷腫瘤細胞，抑制腫瘤生長的作用，是一個很有前景的臨床抗腫瘤新策略。但是，這一類抗腫瘤新策略目前仍處于實驗室研究階段，其實現(xiàn)臨床上轉(zhuǎn)化面臨一定的挑戰(zhàn)。其中，人們最關(guān)心的是活體安全性問題，例如：無機納米材料在使用安全劑量上沒有確定的指標，它們在體內(nèi)可引起正常組織發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，這可能會影響一些重要臟器的功能。其次，大多數(shù)無機納米材料通過內(nèi)吞作用進入細胞，腫瘤細胞對它們的攝取量直接影響治療效果，如何提高無機納米材料對腫瘤組織靶向性、減少在正常組織中的含量同樣是重點和難點。另外，不同的無機納米材料具有不同的物化特性如體貌、尺寸效應(yīng)、帶電荷情況，可能會干擾溶酶體功能或自噬的調(diào)控過程，因而對腫瘤細胞的自噬通量產(chǎn)生不同的影響，如何定量化地評估這些差別并針對各個納米材料自身的特性定制最優(yōu)化的功能化修飾方案，仍是下一步研究中亟待解決的科學(xué)問題。這將為更好地開發(fā)無機納米材料有效地用于腫瘤治療以及相應(yīng)的藥物研究開發(fā)提供新的科學(xué)思路和發(fā)展啟迪。