层状双金属氢氧化物在肿瘤诊疗中的研究进展

李高明，郭云琦，巩军丽，张贵祥，史向阳，沈明武

(1. 东华大学生物与医学工程学院，上海 201620) (2. 同济大学附属上海市第四人民医院 放射影像科，上海 200434)

1 前 言

癌症目前仍然是世界范围内的一种主要的公共健康问题，具有较高的致死率。传统的治疗手段包括手术、化疗和放疗，存在副作用大、易复发、患者依从性差等缺点。目前免疫治疗作为第4种治疗手段在肿瘤患者的临床治疗中也受到广泛关注[1, 2]。此外，近几十年来纳米医学的发展拓宽了生物医学的研究范畴，尤其在肿瘤的诊断及治疗方面展示出较大的应用前景。纳米医学结合了材料学、药学、生物学、医学等学科知识，能够克服传统肿瘤治疗中存在的缺点，在一些新型肿瘤治疗手段中表现出越来越重要的作用，如光热治疗(photothermal therapy，PTT)、光动力治疗(photodynamic therapy，PDT)、基因治疗、声动力治疗、化学动力学治疗(chemodynamic therapy, CDT)、免疫治疗等。此外，一些纳米制剂能够提供组合治疗以适应药物反应的个体化差异，有利于实现肿瘤的精准化及个性化治疗，最终实现彻底治愈肿瘤的目标[3, 4]。到目前为止，越来越多的纳米制剂被美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration, FDA)或欧洲药品管理局(European Medicines Agency，EMA)批准用于各种肿瘤的临床诊疗或临床研究，如Doxil®、Abraxane®、NanoTherm®和Atu027等(图1)。早期的纳米药物结构简单，如胶束(如Genexol-PM)和脂质体(如Doxil®和Marqibo®)。随着该领域的发展，从NanoTherm®和Abraxane®开始，人们制备了更多先进的纳米颗粒(nanoparticles, NPs)，并出现了可以负载多种治疗药物的系统(VyxeosTM)。随后，多层脂质体(Stimuvax®和Atu027)和多聚合物(Livatag®)纳米颗粒被开发出来。此外，纳米颗粒所提供的有效荷载(药物)已经从小分子抗癌药物扩展到多肽和小干扰RNA(siRNA)等[5]。

图1 纳米制剂结构在肿瘤定制化(个性化)治疗中的演变[5]Fig.1 Evolution of nanoarchitectures towards custom-fit uses in cancer therapy[5]

在目前的实验室研究中，已被报道的纳米材料有脂质体、高分子聚合物、胶束、树状大分子、纳米水凝胶、铁氧化物纳米粒、金纳米颗粒、介孔二氧化硅、金属有机框架、层状双金属氢氧化物(layered double hydroxides，LDH)等。各种有机或无机纳米材料由于自身特殊的物理、化学、生物学特性或独特的分子结构，除了可以作为载体材料负载药物或诊断剂外，其自身也可以作为药物或者诊断剂发挥作用。通过对纳米材料的修饰，可以赋予纳米平台多种功能，在肿瘤的预防、检测和治疗等方面发挥了越来越多的作用[6-10]。

图2 LDH晶体结构示意图[11]Fig.2 Schematic of the crystal structure of LDH [11]

总之，LDH作为一种典型的二维层状纳米材料，由于其具有优异的生物相容性、较大的荷载量、表面化学修饰性等特点受到国内外研究者的广泛关注，尤其是在肿瘤的诊疗领域取得了较多的进展。基于此，本文总结了近5年来LDH基纳米平台在肿瘤诊断及治疗方向的研究进展，最后讨论了其临床转化方面仍然存在的问题与未来发展策略。希望本综述能够引起研究者对LDH基纳米平台用于肿瘤诊疗的更广泛兴趣。

2 层状双金属氢氧化物(LDH)基纳米平台的合成及其功能化修饰

2.1 LDH基纳米平台的合成

目前报道的LDH纳米平台的合成方法主要包括：① 共沉淀法、② 水热法、③ 离子交换法、④ 煅烧-重构法、⑤ 剥离-重组装法[3, 12]。共沉淀法是制备杂化纳米平台最有效、最便捷的途径，该方法成本低、操作简单，不需要任何专业设备，有利于批量生产。与共沉淀法相比，水热法最大的优点是提高了LDH的结晶度和纯度。通过调节反应温度和反应压力，可以得到尺寸和形状可控的LDH纳米颗粒。离子交换法也常用于制备功能化LDH纳米平台，这种方法是共沉淀法的替代方法，特别是当目标阴离子在高pH值环境下不稳定，或客体分子与金属离子之间存在潜在的相互作用时。在阴离子交换过程中，已形成的LDH被加入到含有目标阴离子的溶液中，然后将混合溶液在室温或50～70 ℃下搅拌数小时。在搅拌过程中，原存在于LDH层间的阴离子逐渐被目标阴离子所取代[12]。煅烧-重构法和剥离-重组装法可以作为一种替代策略用于制备部分功能化LDH纳米制剂，但是产物纯度有待提高。

2.2 LDH基纳米平台的功能化修饰

近年来，LDH在肿瘤诊疗领域取得较多进展，而通过对LDH纳米颗粒进行修饰以赋予其特殊性能也备受青睐，因此，越来越多的LDH基纳米平台被报道。对于LDH基纳米平台的功能化修饰，根据其结构及组成主要分为以下4种：① 非共价键实现功能化修饰；② 共价键修饰实现功能化；③ 金属离子掺杂或者替代；④ 与其他纳米材料复合形成纳米复合材料(图3)。

图3 LDH基纳米平台的功能化修饰Fig.3 Functionalization of LDH-based nanoplatform

2.2.1 通过非共价键功能化修饰制备LDH基纳米平台

根据LDH的性质，很容易在LDH表面或者层间通过氢键或静电相互作用修饰生物活性分子，合成有机-无机杂化纳米制剂。在早期的研究中，Choy团队首先通过非共价键作用(主要是静电相互作用)在LDH层间成功插入氨甲喋呤(MTX)、5-氟尿嘧啶等小分子抗癌药物，随后维生素、抗炎药物、核苷酸等生物活性分子也被成功插入到LDH层间[3, 13]。由于细胞对纳米材料的选择性行为，形成的有机-无机杂化LDH基纳米制剂既能够更好地发挥其生物活性分子的作用。

随着纳米技术的发展，一些新的功能化方法被开发出来，例如利用挤压法在纳米平台表面包覆一层细胞膜，开发出来的具有仿生功能的纳米制剂既避免被巨噬细胞吞噬，又具有由表面受体配体介导的相互识别作用，赋予纳米制剂同源靶向功能，使纳米药物能够最大限度地聚集到病灶部位[14-16]。Xu团队报道了一种由小鼠结肠癌细胞膜包覆的负载吲哚菁绿(ICG)和多西紫杉醇的MgAl-LDH纳米复合物，体内实验结果显示,合成的纳米复合物具有较好的同源靶向能力及免疫逃逸能力，能够显著增强纳米复合物的治疗效果[17]。

2.2.2 通过共价键功能化修饰制备LDH基纳米平台

LDH主体层板表面含有大量羟基，可以与硅烷偶联剂反应，进一步通过共价键修饰功能分子，从而提高LDH基纳米制剂的靶向性、稳定性和生物相容性[18-20]。例如，作者团队Zhang等报道了在LDH表面首先修饰三乙氧基硅烷，进一步通过1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)-碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺偶联反应成功将靶向分子透明质酸(hyaluronic acid, HA)共价连接在LDH表面[21]。

2.2.3 通过掺杂/替换金属离子制备新型LDH基纳米平台

LDH基纳米平台早期仅作为载体，且大多以MgAl-LDH为主。随着纳米技术的发展，更多金属物质的物理化学性质被报道，如光效应、热效应等。肿瘤生物学研究进展也表明，金属离子广泛参与肿瘤的生长过程，并且在肿瘤的多种生命活动中起到非常重要的调节作用。基于此，越来越多的新型LDH基纳米平台被报道，其合成方式主要通过在2种金属盐离子中掺杂另外一种或者多种金属离子，或者使用一种金属离子完全替代另一种金属离子。例如近年来CDT在肿瘤治疗中得到广泛关注，而开发能够高效催化芬顿或类芬顿反应的纳米制剂是提高CDT效果的重要策略。LDH无机纳米材料在催化领域已有较多应用，Wei等开发了CuFe-LDH[22]、CoFe-LDH[23]、CoMn-LDH[24]、CoFeMn-LDH[25]等多种LDH基纳米平台用于肿瘤的CDT，并表现出较好的抗肿瘤效果。

2.2.4 LDH与其他纳米材料杂化形成纳米复合材料

由LDH与另外一种或者多种纳米材料组成的纳米复合材料可以结合多种纳米材料的优点，在肿瘤的诊断及治疗中有极大的研究价值。例如，作者团队Zhang等通过共沉淀法利用LDH稳定超小四氧化三铁(Fe3O4)纳米颗粒，随后修饰透明质酸，体内实验结果显示，合成的LDH-Fe3O4-HA的r1弛豫率是单独Fe3O4的10倍(4.38 mM-1·s-1vs. 0.42 mM-1·s-1)[21]。此外，石墨烯量子点(graphene quantum dots, GQDs)优越的光学性能可使其用于肿瘤诊断，但其靶向及载药能力较差，Wang等利用共沉淀方法合成LDH稳定的硫掺杂石墨烯量子点(SGQDs)，并负载化疗药物依托泊苷(VP16)，结果显示，合成的纳米复合材料LDH@SGQD-VP16能够很好地实现药物递送及实时荧光成像[26]。

3 LDH基纳米平台在肿瘤诊疗中的应用

LDH用于肿瘤的诊疗具有如下优势：① 优异的生物相容性，在现有报道中，常见的MgAl-LDH在较高浓度下仍然具有良好的细胞相容性。此外，由于肿瘤组织具有较高的过氧化氢(H2O2)含量，含有Cu，Mn，Fe等元素的LDH在肿瘤细胞内发生芬顿或类芬顿反应，产生活性羟基自由基，从而对肿瘤细胞具有特异性杀伤效果而对正常细胞杀伤性小。LDH在血液循环及肿瘤部位的渗透情况及肿瘤细胞的吞噬与其粒径大小是相关的，LDH料径大小对其生物相容性的影响仍需进一步研究[27-29]。此外，由于肿瘤微环境呈弱酸性，LDH基纳米平台在发挥成像或者治疗作用之后，可被降解成低毒性离子排出体外，减少纳米材料在体内长期积累所造成的危害。② 表面多功能化学修饰性，可表面修饰功能分子，赋予LDH不同的功能。③ 较大的荷载量，可以通过离子交换、共沉淀等多种方法负载大量功能分子或与其他纳米体系复合等[30, 31]。所有这些性质使LDH基纳米平台在肿瘤诊疗中具有较大的应用前景(图4)。

图4 Mn-LDH的合成过程(a)，Mn-LDH 纳米粒子的结构相关多功能特性的示意图(b)[38]；CM-PEG/MnLDH纳米粒子的合成、细胞相互作用和磁共振(MR)成像应用示意图(c)[39]Fig.4 Schematic illustration of synthetic procedure(a) and structure related to multifunctional properties of Mn-LDH nanoparticles(b)[38]; (c) schematic illustration of synthesis, cell interaction, and MR imaging application of CM-PEG/MnLDH nanoparticles[39]

3.1 LDH基纳米平台用于肿瘤的诊断

多种癌症早期症状不明显，确诊时大多已处于晚期，严重影响治疗效果。因此，肿瘤的早发现早治疗是治愈的关键。具有高分辨率和高灵敏度的成像技术有助于疾病的检测和对其生理现象的理解，以及治疗后的监测等。目前，LDH与多种成像方式如光学成像、磁共振(magnetic resonance, MR)成像、计算机断层扫描(computed tomography, CT)成像，正电子发射断层扫描(positron emission tomography, PET)成像、单光子发射计算机断层扫描(single-photon emission computed tomography, SPECT)成像以及多模态成像等结合已被研究报道。结果显示，LDH基造影剂能够克服传统成像方式存在的一些缺点，如成像时间短、分辨率低、小分子造影剂血液循环时间短、特异性差等[32-35]。

3.1.1 LDH纳米平台用于肿瘤的荧光成像

荧光成像是一种分子成像工具，虽然存在一些限制，如光散射、空间分辨率低、穿透深度低等，但由于其高灵敏度和实时成像特征，在体外和体内系统中被广泛探索[32]。目前已有较多荧光分子如罗丹明B、盐酸阿霉素(DOX)、异硫氰酸荧光素(FITC)、荧光量子点等通过静电相互作用或共价键负载到LDH纳米平台用于体外或体内荧光成像[12, 27, 36]。前面提到的Wang等报道的纳米复合材料LDH@SGQD-VP16能够很好地实现体外、体内实时荧光成像[26]。此外，Liu等通过柠檬酸与尿素的层间缩合反应，在LDH的层间区域内合成了超薄氮化碳(CN)。得到的CN/LDH荧光粉在紫外光照射下发出强的青色光，绝对固态量子产率为95.9%，它受温度、环境pH值和光腐蚀影响较小，具有较强的发光稳定性。实验研究和理论计算都表明，刚性LDH基体和层间氮化碳之间的主-客体相互作用对其较高的绝对固态量子产率和稳定性做出了主要贡献。此外，该材料在肿瘤细胞上转换荧光成像方面也有良好的应用前景[37]。

3.1.2 LDH基纳米平台用于肿瘤的磁共振(MR)成像

在各种分子影像技术中，MR成像是一种不可缺少的医学诊断方法，可用于获得人体组织的实时3D图像，具有良好的空间和时间分辨率以及良好的软组织对比度。临床上使用的造影剂多为基于Gd螯合物的小分子造影剂，存在生物安全性差、血液循环时间短、无法靶向癌细胞等问题。Xu等通过同构取代法用Mn2+金属离子取代Mg3Al-LDH中的部分Mg2+，开发了一种新型MnMg-LDH纳米平台，可用于肿瘤的T1-MR造影[38]。实验结果显示，合成的MnMg-LDH纳米平台在pH值为6.5～7.0的弱酸性环境(即肿瘤微环境范围)显示出较高的pH敏感T1弛豫性。在pH值为5.0～7.0时表现出极佳的r1弛豫率(pH=5.0时为9.48 mM-1·s-1，pH=7.0时为6.82 mM-1·s-1，pH=7.4时为1.16 mM-1·s-1)(图4a和4b)。体内实验显示，静脉注射BSA/Mn-LDH纳米颗粒1 h后，肿瘤区域明显可见T1增强信号，并持续增强24 h，这可能与纳米材料增强的渗透和滞留效应(enhanced permeability and retention, EPR)有关。更有趣的是，MR信号能够在肿瘤组织中保持长达72 h，比基于Gd的造影剂成像时间(小于2 h)长30多倍。BSA/Mn-LDH 的这种延长的MR成像时间表明，基于LDH的造影剂在跟踪体内疾病治疗中具有广阔的应用前景。

为了增加纳米粒子在生物靶点上的积累，从而进一步增强成像信号，Gu等开发了一种肿瘤细胞衍生膜包覆二维层状双氢氧化物纳米颗粒(CM-PEG/MnLDH)(图4c)。结果显示，包覆4T1乳腺癌细胞膜的仿生CM-PEG/MnLDH表现出良好的细胞特异性靶向能力，在同源癌细胞中的吞噬量明显高于非同源癌细胞。在三维肿瘤细胞球实验中，CM-PEG/MnLDH表现出高度选择性和深层组织渗透能力。体内成像显示，在4T1小鼠模型中，静脉注射CM-PEG/MnLDH可提供清晰的肿瘤组织MR图像。由于仿生纳米颗粒的同源靶向和组织穿透能力，CM-PEG/MnLDH在肿瘤中心区域表现出增强的成像性能。体内生物安全性评价表明，CM-PEG/MnLDH具有较好的生物相容性，适合进一步拓展其临床应用。这种具有细胞特异性靶向能力和深层组织穿透能力的仿生CM-PEG/MnLDH纳米颗粒是一种非常有前景的MR造影剂，可用于癌症的精确诊断[39]。

3.1.3 LDH纳米平台用于肿瘤的核医学成像

近些年发展的SPECT、PET技术具有很高的灵敏度、极好的组织穿透能力、精确的定量化检测能力。放射性核素(如7Co、64Cu、67Ga、68Ga、44Sc和89Zr)可用于核医学成像。单独的放射性核素缺乏靶向特异性，为了稳定地标记放射性核素，通常需要某些螯合剂的配合。然而，由于每个放射性的核素独特性，根据特定的配位化学选择最佳的螯合剂和最佳的标记条件成为一道难题。相反，无需螯合剂稳定，利用无机纳米颗粒自身成分改变替代放射性核素与螯合剂配位的策略，被认为是用于PET成像的理想标记方法[40-42]。Shi等[43]发现可以用64Cu2+和44Sc3+标记LDH纳米颗粒，并且该纳米体系具有良好的核素标记效率和稳定性，而四价阳离子89Zr4+由于不符合LDH晶体结构，不能标记LDH纳米颗粒。随后该研究团队首次利用64Cu-LDH-BSA进行了体内PET成像，以研究核素标记的LDH纳米颗粒在体内的生物分布。成像结果显示，在乳腺癌皮下瘤模型中仅通过被动靶向作用，肿瘤组织就对64Cu-LDH-BSA纳米复合物具有快速和持续的摄取效果(7.7%±0.1%，注射16 h后)。因此，LDH为多用途的放射性核素标记提供了一个新的方法，可以作为PET成像和药物传递的通用平台。虽然LDH用于核医学成像有较多优势，然而这一方向的研究报道仍然较少，需要更进一步探索。

3.1.4 LDH纳米平台用于肿瘤的多模态成像

多模态成像能够协同多种成像模式的优点，以弥补单一成像模式的缺点。为了获得高精度的图像用于肿瘤的早期诊断和有效治疗，开发具有多模态成像能力的纳米造影剂引起了人们的极大兴趣[44-46]。Wang等将MR造影剂Gd掺杂MgAl-LDH与计算机断层扫描(CT)造影剂金纳米颗粒相结合，形成纳米复合材料Au-Gd-LDH，可同时作为CT和MR的双重造影剂。研究发现，该纳米复合材料的体外CT和T1加权MR成像能力优于商用MR和CT造影剂，并具有良好的体内CT和T1加权MR成像性能。经肝素修饰后，经过尾静脉向荷瘤鼠体内注射该纳米复合物，结果显示，其在肿瘤部位具有良好的CT和MR成像效果。此外，注射高剂量纳米复合材料后，小鼠无明显的组织、器官损伤[47]。

3.2 LDH基纳米平台用于肿瘤治疗

纳米技术的发展为肿瘤的治疗提供了许多变革性手段，一方面，纳米制剂能够克服传统治疗手段的一些缺点，提高治疗效果；另一方面，由于纳米材料的独特性质，纳米颗粒已经从早期的单纯作为载体，转变成作为多种功能的成分，在传统治疗及一些新的治疗方式中展现出巨大的应用前景[48]。下面简单介绍LDH基纳米平台在肿瘤治疗中的最新进展。

3.2.1 LDH用于肿瘤化疗

化疗作为一种全身性的治疗方式，仍然是肿瘤治疗的重要手段，然而传统的化疗方式存在药物副作用大、水溶性差、特异性差等缺点。近年来，研究者采用LDH作为载体负载化疗药物，开发出了许多同时具有靶向性和响应性的纳米平台，在提高化疗效果、减小副作用、减小患者对化疗药物的抗性等方面具有重要应用前景[49-51]。作者团队Li等为探索增强化疗药物效果的策略，开发了一种透明质酸酶修饰的LDH纳米平台。结果显示，在负载药物后，该纳米制剂DOX/LDH-HAase在皮下瘤模型中能够降解肿瘤微环境中的透明质酸，从而促进药物的渗透，增强药物的化疗效果[36]。

3.2.2 LDH用于肿瘤化学动力学治疗

CDT是一种对肿瘤特异性和选择性高、毒副作用小的新型肿瘤治疗方式，但其治疗效果严重依赖内源性H2O2水平。较低的H2O2水平导致肿瘤部位的芬顿或类芬顿反应效率较低[29, 52]。由于LDH的独特金属组成，各种新型LDH基纳米平台被开发出来，在CDT中具有极大优势。例如，Guo等通过构建二维片状纳米催化剂来介导催化级联反应，开发了一种自备H2O2增强CDT策略。他们将光敏剂(photosensitizers, PSs)吲哚菁绿(ICG)和芬顿反应催化剂Fe2+离子集成到二维超薄LDH纳米颗粒中。在近红外(near infrared，NIR)光照射下，ICG不仅产生单线态氧(1O2)损伤肿瘤细胞，还产生超氧自由基(·O2)，进而与细胞内超氧化物歧化酶(SOD)反应转化为H2O2。纳米催化剂释放的Fe2+催化大量的原位自供H2O2与内源性H2O2，从而产生大量具有细胞毒性的·OH，引发肿瘤细胞凋亡和死亡。体外和体内评估结果显示，级联纳米催化剂介导的CDT具有较高的肿瘤治疗效果[53]。

3.2.3 LDH用于肿瘤光热治疗(PTT)

PTT是利用光热剂将NIR光转化为局部热量，实现热驱动肿瘤消融。由于其低侵入性、高区域选择性和低毒性，在过去的10年来受到了较多关注。以往对PTT的研究主要采用NIR一区(NIR-I：700～1000 nm)的激光器作为照射源。与NIR-I型PTT相比，NIR-II型窗口(1000～1350 nm)具有更深的穿透效果和更高的最大允许照射量。Wang等报道了一种协同CDT和NIR-II PTT以消融肿瘤的高效纳米剂。使用超薄CuFe-LDH纳米材料经简单水热硫化法制备了超薄二维CuFe2S3纳米材料，经聚乙二醇(PEG)改性后的CuFe2S3-PEG在1064 nm波长激光照射下表现出较好的NIR-II吸收和优良的光热转换效率(～55.86%)。体外和体内实验结果表明，CuFe2S3-PEG具有显著的协同CDT/PTT抗肿瘤活性(图5a)[54]。此外，Wu等通过对CoCuFe-LDH纳米薄片(nano sheets，NSs)进行拓扑转化，然后用聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone，PVP)和L-精氨酸(L-Arg)进行表面改性，制备了一种超薄的负载铜的硒化物CoCuFe-selenide(CCFS)(图5b)。通过进一步表面修饰所合成的纳米复合物CCFS-PVP-L-Arg(CPA)显示出良好的PTT和气体治疗(gas therapy，GT)协同治疗效果。结果表明，CPA纳米复合材料具有出色的光热转换效率，分别为72.0%(pH=7.4)和81.0%(pH=5.4)，是目前报道的二维硫系纳米材料中光热转换效率最高的。体内研究显示，CPA纳米复合材料在NIR照射下可完全消除肿瘤[55]。

3.2.4 LDH用于肿瘤基因治疗

基因治疗是对基因相关疾病(如癌症、神经退行性疾病和某些传染病)的一种有前景的治疗方法，是指使用带有治疗功能的带负电的核酸分子实现治疗效果，功能性核酸分子包括DNA、siRNA、短发夹RNA (shRNA)和microRNA(miRNA)[12]。早期Choy团队利用MgAl-LDH杂交体通过离子交换负载DNA，开始了将LDH作为生物相容性载体进行有效基因传递的研究[11]。DNA分子稳定在LDH层间能够保持其化学和生物完整性，减少DNA在生理环境中的降解。随后部分LDH基纳米平台负载siRNA用于肿瘤治疗的工作被报道。Li等利用LDH通过离子交换法将5氟尿嘧啶(5-FU)插入LDH层间，然后利用静电相互作用在表面负载siRNA，合成siRNA-5-FU/LDH纳米复合物，用于肿瘤的化疗/基因联合治疗。实验结果显示，与利用LDH单独负载siRNA或5-FU相比，siRNA-5-FU/LDH纳米复合物可以显著提高对人乳腺癌、骨肉瘤和人结肠癌3种细胞系的细胞毒性[56]。另外，Yang等开发了负载microRNA-155(miR155)的MgAl-LDH纳米复合物LDH@155，结果显示，纳米复合物LDH@155能够将致瘤M2亚型巨噬细胞复极化为抗肿瘤M1亚型，克服免疫抑制的肿瘤微环境，提高T细胞浸润和活化，从而提高程序性细胞死亡-1(α-PD-1)抗体免疫治疗的治疗效率(图5c)[57]。

图5 用于高效CDT/PTT的CuFe2S3-PEG纳米片的制备示意图(a)[54]，用于光声(photoacoustic, PA)成像引导协同PTT/GT的CPA纳米复合材料的制备示意图(b)[55]，LDH@miR155合成示意图(c)[57]Fig.5 Schematic illustration of the preparation of CuFe2S3-PEG NSs for efficient CDT/PTT (a)[54], a schematic illustration of the preparation of the CPA nanocomposite for PA image-guided synergistic PTT/GT (b)[55], a schematic representation of LDH@miR155 preparation (c)[57]

3.2.5 LDH用于肿瘤光动力治疗

光动力治疗(PDT)因其时空精度高、副作用小和微创性而被证明是有前景的癌症治疗方法之一。PDT一般是通过PSs吸收光线，激发产生有毒的活性氧(ROS)，包括·OH、·O2和1O2。已报道的有机PSs大多不溶于水、易聚集，限制了活性氧的生成。与其它纳米载体负载有机小分子化疗药物类似，在纳米载体上通过物理作用或共价键修饰等方式负载PSs可以增加其水溶性并提高其稳定性，从而提高其生物利用度，提高治疗效果[58-60]。Jo等报道了不经化学修饰的简单增溶疏水光敏剂二氢卟吩(chlorin e6, Ce6)的方法，即通过单层LDH(MLH)与疏水光敏剂之间的静电相互作用来增加其水溶性，用于PDT，显示出巨大的治疗优势。结果显示，在荷瘤小鼠中，可溶性MLH/Ce6的PDT治疗肿瘤的效果约为单独注射Ce6的3.4倍[58]。另外，Gao等在ZnAl-LDH纳米片层间插入疏水光敏剂间苯二甲酸(isophthalic acid, IPA)以增加其水溶性。相比于单独的光敏剂间苯二甲酸，合成的纳米复合物IPA/LDH表现出较高的1O2产率，在体内表现出极强的消融肿瘤的能力，而且毒性极低[61]。除了通过物理相互作用将光敏剂负载在LDH上增加其水溶性，Yan等报道了利用硅烷偶联剂在LDH表面共价修饰Ce6以增加其水溶性及光稳定性，然后负载Ag纳米颗粒，用于光动力-化疗联合治疗的研究。结果显示，合成的纳米复合物能够有效地杀死革兰氏阴性菌及革兰氏阳性菌，值得注意的是，该工作尚未用于肿瘤光动力治疗[62]。

除此之外，相对于已被广泛研究的有机PSs，无机纳米材料作为NIR PSs，具有优良的光学稳定性、易在肿瘤部位堆积等优势，因此备受关注。例如Au纳米笼、石墨烯量子点、铜/锰硅酸盐纳米球包覆镧系掺杂纳米颗粒、BiAgOS纳米颗粒等，已被报道作为高效NIR-I PSs[63, 64]。此外，包括Cu2(OH)PO4量子点、金纳米粒子和银掺杂Au/CdSexSy在内的几种无机纳米材料也被开发为NIR-II PSs。然而，这些已报道的适用于NIR-II的PSs产生ROS的效率较低，极大地限制了其在肿瘤治疗方面的进一步应用。值得指出的是，NIR-III窗口(1350～1870 nm)比NIR-I和NIR-II窗口的光具有更大的最大允许曝光和更好的穿透深度，更有望作为PDT光源[65]。Tan等报道了简单酸处理的超薄二维CoMo-LDH和NiMo-LDH纳米片作为NIR-III光动力癌症治疗的高活性无机PSs(图6a)。具体来说，通过水热法合成超薄二维CoMo-LDH和NiMo-LDH纳米片，然后通过简单酸处理蚀刻得到缺陷丰富、电子结构也会发生变化的CoMo-LDH和NiMo-LDH纳米片。值得注意的是，作为PSs使用时，富含缺陷的CoMo-LDH(简称DR-CoMo-LDH)纳米片在NIR-III 1567 nm激光照射下能够产生大量活性氧(包括·O2和1O2)，其活性是原始CoMo-LDH纳米片的97倍。体外和体内实验表明，经过PEG修饰后，DR-CoMo-LDH纳米片在1567 nm激光照射下能够高效杀灭癌细胞，消除肿瘤。该纳米制剂成分简单，仅利用富含缺陷的CoMo-LDH纳米片自身作为PSs即可获得较好的抗肿瘤效果，具有较大的临床转化潜力[65]。

3.2.6 LDH用于肿瘤免疫治疗

近年来，通过激活患者自身的免疫系统，增强患者自身的抗肿瘤免疫能力从而杀死肿瘤细胞的免疫疗法在临床治疗中展示出巨大潜力，并且越来越多的免疫治疗药物已被批准用于临床治疗。LDH纳米颗粒不仅被认为是一种很好的疫苗载体，更是一种良好的免疫佐剂，表现出较大的应用潜力[30, 66]。

细胞对纳米颗粒的摄取与纳米颗粒的大小、形状、表面电荷、靶向配体等密切相关[67]。Williams等通过合成不同特点的LDH，在体外实验中得出人类树突细胞对LDH的反应与LDH以下3种特性的线性组合高度相关：M2+金属离子半径、层间间距和表面电势[68]。Chen等提出了一种贮藏效应来解释LDH引起的长期免疫反应(图6b)。由于LDH的缓慢降解，将形成松散的聚集体，并能长期稳定存在。缓慢的降解可使抗原持续释放。此外，松散聚集体中的空缺允许免疫细胞进入并吸收释放的抗原。因此，免疫细胞(如树突细胞)不断被招募到储存仓库并被激活，随后维持高水平的特异性免疫反应。由于生物降解和细胞摄取缓慢，这种松散的聚集物能够维持2个月左右，与商业佐剂明矾相比，其免疫反应的时间更长，炎症反应更弱[66]。进一步的研究显示，LDH可以上调某些细胞因子水平以促进免疫应答[69]。并且，在血液循环和脾脏中，活化的树突细胞倾向于在注射部位与邻近的未成熟树突细胞交换内化的LDH纳米颗粒。这种LDH的细胞内转运现象会加速树突细胞(抗原表位/MHC II类呈递)和抗原表位/MHC I类复合体(交叉呈递)的成熟，从而增强免疫反应[70]。以上这些研究表明，LDH纳米颗粒在肿瘤免疫治疗尤其是疫苗递送领域具有广阔的应用前景。

图6 富含结构缺陷的CoMo-LDH纳米片表面修饰聚乙二醇(PEG)及其在NIR-III PDT中的应用示意图(a)[65]，粘土纳米佐剂与抗原复合物可在注射部位形成结构疏松的聚集体(b)[66]，LDH-EGCG-HA纳米平台的合成及协同化疗-CDT示意图(c)[76]Fig.6 Schematic illustration of the defect engineering ofCoMo-LDH nanosheets, surface modification with PEG and its application in NIR-III PDT (a)[65], clay nanoadjuvants complexed with antigen are able to form nodules with loose structure at the site of injection (b)[66], schematic illustration of the synthesis of LDH-EGCG-HA nanoplatforms and the process of the cooperative chemo-chemodynamic therapy (c)[76]

3.2.7 LDH用于肿瘤联合治疗

不同于单独的某一种治疗手段，LDH基纳米平台在药物与药物、基因与药物、药物与动力学治疗、药物与PTT等联合治疗策略中被广泛研究[71-75]。相比于单独的治疗方式，联合治疗能够充分结合肿瘤的生理特点及纳米材料的特点，从而提高治疗效果且减小副作用。例如，作者团队Zhang等针对单独的CDT效果有限这一问题，合成了铁铝层状双金属氢氧化物纳米颗粒(FeAl-LDH)，在其上负载抗癌药物没食子儿茶素-3-o-没食子酸酯(EGCG)，然后与硼酸修饰的透明质酸结合，进行化疗与CDT协同治疗(图6c)。形成的LDH-EGCG-HA纳米平台可以特异性靶向过表达CD44受体的肿瘤细胞，在肿瘤微环境中快速释放铁离子和EGCG，并通过EGCG加速Fe3+/Fe2+循环，增加芬顿反应中生成的羟基自由基的量，进一步引起脂质过氧化物增加，增强肿瘤铁死亡，实现化疗和CDT协同治疗的效果。体内实验进一步验证了设计的LDH-EGCG-HA纳米平台对正常器官无明显毒副作用[76]。

另外，Xu等报告了一种三功能LDH纳米系统，可在极低的治疗剂量下联合PTT/化疗治疗皮肤癌。该纳米体系(ICG/Cu-LDH@BSA -DOX)由酸响应性牛血清白蛋白-阿霉素前药(BSA-DOX)和吲哚菁绿(ICG)插层铜掺杂LDH纳米颗粒组成。ICG/Cu-LDH@BSA-DOX能以酸敏感的方式释放DOX，在808 nm激光照射下能够高效发热同时产生ROS，协同诱导癌细胞凋亡。体内治疗评估表明，在808 nm激光照射(0.3 W·cm-2持续2 min)下，使用极低剂量的治疗剂(0.175 mg·kg-1DOX、0.5 mg·kg-1Cu和0.25 mg·kg-1ICG)进行治疗，几乎可以根除肿瘤组织。该研究为纳米制剂的临床应用提供了一种新型策略[77]。

3.3 LDH基纳米平台用于肿瘤的诊疗一体化

近年来，具有诊疗功能的纳米材料能够将成像和治疗结合在一起，因而受到广泛关注。虽然非侵入性可视化监测的诊断和同步给药具有很高的挑战性，但对于癌症等严重疾病具有重要的临床转化意义。LDH具有高载药量、能够保护荷载以及高响应性等特性，被广泛用于诊疗一体化纳米平台的构建[78-80]。Peng等[81]采用“自下而上”的方法合成Gd掺杂的LDH纳米片(Gd-LDH)作为药物载体，以超高的装载效率装载DOX和ICG，合成了DOX&ICG/MLDH纳米复合物，实现了集化疗、PTT和PDT于一体的三模式联合治疗策略(图7a)。结果显示，制备的DOX&ICG/MLDH纳米复合物能够实现pH和NIR光响应性药物释放，并产生大量ROS，在响应性药物释放方面具有良好的应用前景。体内NIR荧光和MR双模态成像能够无创地显示DOX&ICG/MLDH在肿瘤部位的分布概况(图7b)。体外细胞实验和体内治疗实验表明，DOX&ICG/MLDH纳米复合物的协同治疗效果优于单一治疗模式，显示出较强的肿瘤消除能力，具有良好的三模式协同抗癌活性和良好的生物相容性(图7c)。此外，作者团队Zhang等开发了一种靶向性纳米平台LDH-Fe3O4-HA/DOX，用于增强T1加权MR成像和肿瘤化疗。结果显示，合成的LDH-Fe3O4-HA具有良好的胶体稳定性和生物相容性，与单独Fe3O4NPs相比，r1弛豫性提高了10倍(4.38 mM-1·s-1vs. 0.42 mM-1·s-1)，对过表达CD44受体的癌细胞具有特异性靶向作用。LDH- Fe3O4-HA/DOX表现出pH响应性释放DOX的性能。体内实验结果显示，利用透明质酸酶对肿瘤组织进行预处理，降解细胞外基质中过表达的透明质酸后，LDH- Fe3O4-HA/DOX具有更好的肿瘤穿透性，可显著增强MR成像效果，降低肿瘤化疗的副作用[21]。

图7 具有三模式联合治疗功能的LDH基纳米平台[81]：(a)基于MLDH的纳米药物递送系统示意图，(b)HepG2人肝癌荷瘤鼠静脉注射不同材料(生理盐水、DOX&ICG/MLDH和DOX&ICG)后在不同时间点的体内荧光成像及生物分布图，(c)经过不同处理后相对肿瘤体积增长曲线Fig.7 LDH-based nanoplatform with tri-mode combination therapy functions[81]:(a) schematic illustration for MLDH-based drug delivery system toward efficient loading and precisely controlled delivery of theranostic agents, (b) in-vivo fluorescence imaging and biodistribution of nude mice bearing HepG2 tumors at different time points post intravenous injection of saline, DOX&ICG/MLDH, and DOX&ICG (the blank arrows point out the tumor location in mice), (c) HepG2 tumor growth curves with various treatments

4 结 语

本文介绍了层状双金属氢氧化物(layered double hydroxides, LDH)基纳米平台的合成策略，讨论了LDH基纳米平台在癌症诊断及治疗领域的最新进展。基于LDH良好的生物相容性、化学可修饰性、较大的荷载量、pH响应性等特点，LDH基纳米平台被应用于肿瘤诊疗的各个方面。在肿瘤诊断中，越来越多结构精巧、功能先进的LDH基纳米平台被设计出来，用于肿瘤的光学成像、磁共振成像、核医学成像、多模态成像等；在肿瘤治疗方面，目前已开发出了更多效果显著，副作用小、利用率高的LDH基纳米平台，用于肿瘤化疗、化学动力学治疗、光学治疗、免疫治疗及联合治疗等；在诊疗一体化方面，也逐渐开发出了具有诊断及治疗双功能的LDH基纳米平台。

虽然LDH基纳米平台用于肿瘤诊疗已经取得了较多进展，但仍然面临较多挑战：① 目前报道的LDH基无机纳米平台仍然存在可重复性差这一问题，LDH的合成存在一定的限制。例如在相同的溶液和相同的合成环境下，合成的LDH纳米颗粒可能会具有不同的形貌和尺寸；② LDH基纳米平台在核医学领域已有部分报道，但相关研究仍处于起步阶段，亟需开发更多的LDH基纳米平台用于核医学成像并对其机制进行探究；③ 越来越多新的肿瘤治疗方式被报道，将LDH基纳米平台用于新方式的肿瘤治疗有待更多探究；④ 近年来，肿瘤免疫治疗和疫苗开发受到广泛关注，而LDH基纳米平台在这一领域的研究仅有少量报道，需要更进一步的探索；⑤ 越来越多的靶向技术被开发出来，例如磁靶向、新型靶向分子、包覆肿瘤细胞膜以实现同源靶向等技术，LDH基纳米平台应该结合更多靶向技术，以实现特异性治疗；⑥ 目前LDH基纳米平台的进展仍然局限于实验室研究，距离临床应用仍有很大的一步需要迈出，因此，LDH基纳米平台在体内的生物分布、代谢机制、生物毒性等问题仍需要深入探究；⑦ 随着细胞生物学及肿瘤学的进展，越来越多的金属离子被发现参与普通细胞和肿瘤细胞的代谢活动并发挥着重要作用，结合LDH的结构特点及酸响应性，合成一些含有特殊金属离子的精巧LDH基纳米平台将会在肿瘤诊疗中发挥极大优势。最后，随着纳米医学的更深入研究，LDH基纳米平台有望在肿瘤的精准医疗及个性化医疗方面发挥更大作用。