综述：通过开发刺激响应性纳米载体向实体瘤递送蛋白质和酶

《ChemNanoMat》：Delivering Proteins and Enzymes to Solid Tumors Through the Development of Stimuli-Responsive Nanocarriers

　　

蛋白质（proteins）、酶（enzymes）和多肽（peptides）长期以来被公认为有价值的治疗剂，尤其是在肿瘤学（oncology）领域。然而，它们复杂的化学结构使其比小分子化疗药物（chemotherapeutic drugs）更敏感。因此，它们的给药和药代动力学（pharmacokinetics）一直是广泛研究的主题，以克服与过早清除和降解相关的限制。制药行业提出了各种解决方案，例如对其结构进行部分修饰或将其整合到靶向药物载体系统（targeted drug carrier systems）中。在此背景下，纳米技术（nanotechnology）的进步为将这些敏感而有效的生物制药（biopharmaceuticals）高效递送至实体瘤（solid tumors）提供了一种有前景的策略，同时能够控制其对特定刺激（specific stimuli）的响应。纳米科学（nanoscience）的多功能性赋予了这些纳米载体（nanovehicles）越来越多的定制化特征，通过控制化学组成（chemical composition）和表面功能化（surface functionalization）来增强其能力，并优化其与免疫系统（immune system）和肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME）的相互作用。本综述汇集了前沿研究文章，探讨了刺激响应性纳米载体（stimuli-responsive nanocarriers）在基于蛋白质的癌症治疗中的全部潜力，根据其有机（聚合物、脂质、蛋白质）或无机（金属、硅基、金属有机框架）组成对纳米系统进行分类。讨论了设计原理和治疗性能，并强调了下一代纳米医学的新方向。

论文主体部分按小标题进行总结如下。

**1 引言**
传统癌症治疗主要依赖化疗、放疗（RT）和手术，但缺乏选择性和副作用等问题促使新型治疗手段的发展。蛋白质和多肽因其高选择性和活性功能成为有前景的工具，但受限于早期清除或降解及免疫反应。将蛋白质整合入纳米颗粒（nanoparticles）成为克服这些缺陷的替代方案，而赋予纳米载体刺激响应性行为则能实现更安全高效的递送。这些纳米载体可响应内部刺激（如酸性pH、氧化还原条件、酶）或外部刺激（如磁场、光、超声），从而在肿瘤部位选择性释放载荷。本综述按有机和无机纳米载体分类，讨论刺激响应性纳米材料在抗癌蛋白治疗中的设计原则和新兴趋势。

**2 传统多肽和蛋白质递送策略**
生物制药药物（包括多肽和全长度蛋白质）相比传统化疗具有更高选择性，但面临肾清除、蛋白水解降解、免疫原性等障碍。针对这些挑战，发展了多种策略：
- **2.1 遗传修饰**：单氨基酸替换可显著影响肽或蛋白质的药代动力学，如胰岛素的不同速效或长效变体。
- **2.2 化学修饰**：通过脂质、蛋白质或聚合物（最常用聚乙二醇PEG，即“pegylation”）偶联增加分子量，延缓肾清除。胰岛素作为代表药物，经历了多种聚合物偶联以改善酶解稳定性和肠道通透性。
- **2.3 药物载体系统**：基于聚合物微粒（如聚乳酸-羟基乙酸共聚物PLGA或聚乳酸PLA）的疏水储库实现缓释。纳米载体（1-100nm）由有机或无机材料制成，可促进蛋白质的胞内释放，并可通过靶向配体或刺激响应元件实现可控递送。有机纳米载体（聚合物、脂质、蛋白质）具有优异生物相容性和降解性，但对刺激的响应能力有限；无机纳米载体（金属、硅）稳定性高，具备磁、光、热等功能，适合外部刺激和多功能化。

**3 有机纳米载体**
**3.1 聚合物基纳米载体**
聚合物纳米载体因高生物相容性和可调化学性质被广泛用于癌症药物递送。主要类型包括：
- **3.1.1 聚合物纳米胶囊**：由核心腔和聚合物壳组成，可封装功能酶并保护其免受生理条件影响。例如，通过透明质酸酶（hyaluronidase）或基质金属蛋白酶2（MMP2）响应性交联剂递送颗粒酶B（GrB）和穿孔素（perforin）至肿瘤微环境（TME），模拟细胞毒性T淋巴细胞（CTLs）的杀伤机制。其他应用包括pH响应性递送白细胞介素-12（IL-12）和IL-15/IL-15Rα复合物以增强免疫激活。非降解型纳米胶囊可封装葡萄糖氧化酶（GOx）和过氧化氢酶（CAT），通过扩散作用催化TME内反应，实现饥饿-氧化疗法。
- **3.1.2 聚合物胶束**：由两亲性聚合物自组装形成，疏水核心包裹治疗剂，亲水外壳提供稳定性。pH响应性胶束通过离子化基团改变亲疏水平衡实现智能释放。例如，双pH敏感胶束共递送抗CD47抗体（aCD47）和光敏剂二氢卟吩e6（Ce6），实现免疫检查点阻断（ICB）和光动力疗法（PDT）协同。胶束还作为纳米疫苗递送卵清蛋白（OVA）抗原和CpG佐剂，增强树突状细胞（DCs）成熟和抗原交叉呈递。此外，pH敏感胶束可递送CAT和Ce6以缓解缺氧并增强PDT。
- **3.1.3 树枝状大分子**：高度对称的超支化聚合物，阳离子树枝状大分子通过静电作用与治疗性蛋白结合。研究利用精氨酸修饰的聚赖氨酸树枝状大分子包裹紫杉醇，并通过pH响应性交联剂结合抗PD-1抗体（aPD-1），增强肿瘤穿透和免疫原性细胞死亡（ICD）。
- **3.1.4 聚合物囊泡**：由两亲性嵌段共聚物形成双层膜空心球，具有大亲水腔，适合封装蛋白质。可通过二硫键实现氧化还原响应性释放。例如，病毒模拟聚合物囊泡递送皂草素（saporin, SAP）至胶质母细胞瘤，利用还原环境触发释放。光化学内化策略借助光敏剂TPCS2a促进内体逃逸。
- **3.1.5 纳米凝胶**：三维交联聚合物网络，具有良好的生物相容性和亲水性，可高效包裹蛋白。葡萄糖响应性纳米凝胶递送GOx用于黑色素瘤的饥饿-氧化治疗；温敏和pH敏感纳米凝胶实现肿瘤特异性摄取。此外，ROS响应性纳米凝胶顺序释放抗OX40（aOX40）和抗PD-1（aPD-1）抗体，增强T细胞免疫并抑制免疫抑制细胞。

**3.2 脂质基纳米载体**
脂质纳米载体在临床转化中占主导，包括：
- **3.2.1 脂质体**：磷脂双层球形结构，可封装亲水和疏水分子。pH敏感脂质体通过酸性环境诱导膜融合或内体逃逸，递送抗原肽（如GPC3、IMP-3、OVA）以激活细胞免疫。温度敏感脂质体（LTSLs）如ThermoDox，在轻度热疗（39-43°C）下发生相变释放药物，但大分子释放受限。高强度聚焦超声（HIFU）敏感脂质体利用声空化效应递送槲寄生凝集素-1（ML1），实现超过50%的释放率。
- **3.2.2 外泌体**：天然细胞外囊泡，具有高生物相容性和膜穿透能力。工程化外泌体可结合光敏剂（如原卟啉IX、PpIX）实现双阶段光动力治疗（PDT），或与热敏脂质体融合形成杂合纳米载体，在42°C下释放CD47、GM-CSF和多西他赛（DTX），用于腹膜癌治疗。
- **3.2.3 相变纳米液滴**：基于相变材料（PCMs）如月桂酸，在近红外（NIR）光或热触发下熔融释放载荷。研究将吲哚菁绿（ICG）、GOx和氯过氧化物酶（CPO）共包裹，在808nm激光照射下释放酶并启动酶级联反应，实现肿瘤抑制。

**3.3 蛋白质基纳米载体**
- **3.3.1 铁蛋白纳米颗粒**：24亚基自组装笼状结构，利用转铁蛋白受体TfR1（CD71）靶向癌细胞。通过MMP-2/9响应性连接子将天然溶细胞肽（如蜂毒肽melittin）表面偶联，在肿瘤部位释放并激活ICD，治疗结直肠癌、胰腺癌和耐药乳腺癌。
- **3.3.2 白蛋白纳米颗粒**：人血清白蛋白（HSA）通过GP60和SPARC受体靶向肿瘤。ROS响应性白蛋白复合物顺序释放aPD-1和aCD47抗体，增强免疫识别和抗肿瘤免疫。类似策略用于共递送抗PD-L1和卡巴他赛，协同X射线放疗。
- **3.3.3 血红蛋白纳米颗粒**：四聚体蛋白，可结合氧形成氧合血红蛋白（HbO₂）。ROS响应性血红蛋白-白蛋白-抗PD-1聚集体共递送阿托伐醌（ATO），实现双重再氧合策略，逆转缺氧并增强ICB。另一研究将HbO₂、乳酸氧化酶（LOX）、光敏剂Ce6和化学发光试剂CPPO组装，响应乳酸生成H₂O₂并激发化疗光动力治疗（PDT），用于胶质母细胞瘤。

**4 无机纳米载体**
**4.1 介孔二氧化硅纳米颗粒**
介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）具有可调孔结构和比表面积，可高效装载蛋白。氧化还原响应性MSNs（如含二硫键或四硫键）在还原性TME中降解，释放核糖核酸酶A（RNase A）。pH响应性MSNs通过亚胺键连接蛋白，在酸性条件下释放。双重或多重响应系统如酯酶/谷胱甘肽（GSH）响应性核壳结构释放透明质酸酶和DOX前药，或病毒模拟纳米载体包裹Cas9核糖核蛋白（RNP）用于PD-L1基因编辑。此外，MSNs可用于纳米疫苗，包裹抗原（OVA）和碳酸氢铵（ABC），结合NIR光热疗法增强DC激活和CD8⁺T细胞反应，清除黑色素瘤并建立免疫记忆。

**4.2 金属纳米颗粒**
- **4.2.1 磁性纳米颗粒**：以γ-Fe₂O₃或Fe₃O₄为核心，可通过磁场靶向肿瘤。二硫键连接的抗原肽和CpG在还原环境中释放，促进APC摄取。酸性和H₂O₂双响应性纳米载体释放胰蛋白酶并激活近红外荧光（NIRF）成像，用于诊断和治疗。
- **4.2.2 金纳米颗粒**：金-硫醇化学便于功能化，可结合legumain响应性肽实现酶触发聚集，增强肿瘤滞留。金纳米棒（AuNRs）结合TLR7/8激动剂和MMP-2响应肽，在NIR激光下产生热疗并诱导ICD，捕获内源性肿瘤抗原形成原位疫苗，增强DC激活。同时，光响应性金纳米球偶联利妥昔单抗（抗CD20），在飞秒激光照射下释放活性抗体，实现抗体导向的细胞毒性（CDC）和光热治疗。
- **4.2.3 金属-有机框架（MOFs）**：ZIF-8纳米颗粒作为pH响应性载体，包裹光敏剂Ce6和细胞色素c（Cyt c），在酸性内体环境中降解释放，产生ROS和促凋亡效应，同时Cyt c的过氧化氢酶样活性缓解缺氧。透明质酸（HA）修饰实现受体靶向，协同光动力和蛋白质疗法。

**5 总结与展望**
**5.1 有机与无机：迈向杂化纳米材料**
刺激响应性纳米载体通常按有机/无机分类，但实际性能更依赖于功能设计而非材料本身。有机载体（聚合物、脂质、蛋白）生物相容性好，适合脆弱蛋白递送，但稳定性差；无机载体（硅、金属、MOF）结构稳定、载量高，但存在毒性风险。杂化纳米平台（如硅-脂质原细胞、聚合物涂覆金属纳米颗粒）可结合两者优势，成为发展方向。

**5.2 内部与外部刺激：迈向多响应性纳米平台**
内部刺激（酸性pH、氧化还原、酶）实现TME内自主激活，但受限于异质性；外部刺激（光、超声、磁场）提供时空可控性。多响应性系统整合内外触发机制，实现分层或顺序释放，改善递送选择性和肿瘤穿透，推动可编程纳米医学的发展。

**5.3 治疗挑战**
为提高递送效率，需要理解主动转运和滞留（ATR）机制，可利用N-TEC细胞或细胞膜包被增强肿瘤穿透。内体逃逸可通过pH响应性涂层、膜融合等策略实现。此外，需避免蛋白在递送和刺激响应过程中的变性。个性化纳米医学结合药理学遗传学和AI工具，有望实现精准诊断和治疗。

**5.4 临床现实与转化瓶颈**
目前尚无FDA或EMA批准的刺激响应性纳米载体用于蛋白递送。临床获批产品多为PEG偶联酶（如培门冬酶Oncaspar）或抗体-药物偶联物（ADC）。进展最接近的是病毒样颗粒（VLP）纳米疫苗（如VBI-1901）。热响应系统（如ThermoDox）受阻于临床试验结果，但新配方（THE001）获得孤儿药认定。pH敏感系统仅有脂质纳米颗粒（如Onpattro）用于RNA递送。转化面临GMP放大、蛋白完整性保持、无菌过滤、蛋白冠形成等挑战。建议采用简单、单实体设计，优先使用外源性或生物正交触发以确保一致性，并注重IVIVC模型和蛋白冠表征。未来应通过AI驱动模型实现质量源于设计（QbD），推动创新纳米药物进入临床。