Delivering nanomedicine to solid tumors

Rakesh K. Jain; Triantafyllos Stylianopoulos

doi:10.1038/nrclinonc.2010.139

Nat Rev临床肿瘤学。作者手稿；PMC 2011年11月1日提供。

以最终编辑形式发布为：

Nat Rev临床肿瘤学。2010年11月；7(11): 653–664.

2010年9月14日在线发布。数字对象标识：10.1038/nrclinonc.2010.139

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NIHMSID公司：美国国立卫生研究院268150

PMID：20838415

向实体肿瘤提供纳米药物

拉克什·K·贾恩和Stylianopoulos三角帆

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摘要

纳米技术的最新进展为癌症的检测、预防和治疗带来了新的希望。虽然增强的渗透性和滞留效应是使用纳米颗粒治疗实体肿瘤的关键原理，但它并不能将这些颗粒均匀地输送到肿瘤的所有区域。这种治疗药物的异质分布是由于异常肿瘤血管和间质基质所呈现的生理障碍所致。这些障碍可能是许多FDA批准的纳米治疗药物提供的适度生存益处的原因，必须克服这些障碍才能实现纳米药物在患者中的应用前景。在这里，我们回顾了癌症治疗的这些障碍，并总结了为克服这些障碍而制定的策略。最后，我们讨论了优化纳米粒子向肿瘤递送的设计考虑。

介绍

纳米技术的快速进步使多种治疗、传感和靶向剂能够结合到纳米颗粒（例如脂质体、病毒和量子点）中，其尺寸范围为1–1000纳米。这些药物为肿瘤的检测、预防和治疗带来了新的希望。用于癌症治疗的纳米药物比传统药物更具优势，因为它具有增强通透性和滞留（EPR）效应以及提供多种联合治疗药物的潜力，可以优先向肿瘤输送药物。纳米医学的其他优势包括药物与癌细胞或肿瘤微环境中靶点的特异性结合，使用创新成像技术同时可视化肿瘤，增强药物循环时间，控制药物释放动力学，以及改善患者依从性的更优剂量计划。¹^–⁶此外，许多广泛使用的常规化疗药物，如紫杉烷，包括直接导致不良反应的合成溶剂（例如蓖麻油和聚山梨酯80）。⁷^–⁹最后，许多肿瘤类型天生对可用的化疗药物具有耐药性。纳米医学有潜力克服这些问题。¹⁰^,¹¹

FDA已批准20多种纳米治疗药物用于临床。¹²^,¹³治疗实体肿瘤的纳米制剂(表1)包括脂质体（如聚乙二醇化脂质体阿霉素和柔红霉素）、白蛋白结合的紫杉醇、聚合物颗粒（如甲氧基聚乙二醇聚[d、我-丙交酯]紫杉醇）和更多正在进行临床前和/或临床试验的制剂。¹²尽管这些药物的毒性比传统疗法小，但仍与副作用有关，如聚乙二醇化脂质体阿霉素引起的口腔炎和手足红感觉异常¹⁴蛋白结合紫杉醇引起的感觉神经病和恶心。⁷此外，这些药物价格昂贵，在许多情况下，总生存率的增加幅度不大(表1). 因此，需要更好地了解阻碍纳米颗粒有效性和均匀输送到肿瘤中的障碍，以制定改进治疗的策略。

表1

治疗实体肿瘤的纳米制剂^*

通用名称	贸易姓名	指示	利益
聚乙二醇化脂质体阿霉素	多西尔^®和Caelyx^®	艾滋病毒相关卡波西肉瘤	与阿霉素、博莱霉素和长春新碱治疗（22.3周）相比，艾滋病毒相关卡波西肉瘤的总生存期（23周）无统计学意义的变化¹⁴⁴
		转移性卵巢癌	总体生存率有统计学意义的改善（108周，对=0.008）与拓扑替康治疗（71.1周）对铂敏感的卵巢癌患者的疗效比较¹⁴
		转移性乳腺癌	接受一线治疗的乳腺癌患者总生存期（84周）与常规阿霉素（88周）相比无统计学意义的变化¹⁴⁵

脂质体柔红霉素	DaunoXome公司^®	艾滋病毒相关卡波西肉瘤	与阿霉素、博莱霉素和长春新碱治疗（48.9周）相比，总生存期无统计学意义的变化（52.7周）¹⁴⁶

白蛋白结合紫杉醇	混悬液^®	转移性乳腺癌	总体生存率变化具有统计学意义（56.4周，对=0.024）与二线治疗患者的聚醚化蓖麻油紫杉醇治疗（46.7周）⁷

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^*聚合物平台甲氧基聚乙二醇聚合物(d、我-丙交酯）紫杉醇，商品名为Genexol-PM（韩国首尔Samyang公司），已在韩国批准用于治疗转移性乳腺癌。¹⁴⁷^,¹⁴⁸

治疗剂从体循环向癌细胞的转运是一个三步过程。首先，纳米颗粒通过血管流向肿瘤的不同区域。然后它们必须穿过血管壁，最后穿透间隙到达靶细胞。由于肿瘤组织和正常组织的结构不同，诊断剂和治疗剂的给药方式差异很大。肿瘤血管组织的异常组织和结构导致血管迂曲、渗漏和血流不均匀。¹⁵^,¹⁶此外，肿瘤内缺乏功能性淋巴管和血管高渗透性导致间质性高血压。¹⁷这种均匀升高的间质流体压力（IFP）减少了对流传输，而致密的细胞外基质阻碍了扩散。¹⁸在这篇综述中，我们讨论了纳米药物传递的障碍，并提出了克服这些障碍的策略。最后，我们提出了优化纳米治疗药物向实体肿瘤输送的设计考虑。

血液和淋巴网络异常

血流速度和血管形态（即血管的几何排列、直径、长度和数量）影响化合物在血管系统中的运动。¹⁹^–²²与正常组织中的血管相比，肿瘤中的血管结构高度不规则(图1a). 与正常血管不同，肿瘤血管缺乏从大血管到连续的小血管的有序分支层次，这些小血管供养着规则间隔的毛细血管床。相反，肿瘤血管在空间分布上是不均匀的，扩张而迂曲，留下各种大小的无血管空间。²²^,²³此外，在肿瘤中，血管壁结构异常，内皮细胞间连接广泛，基底膜异常厚或薄，由小泡形成大量的窗孔和内皮细胞间通道，²⁴^,²⁵最大孔径达数百纳米(图1b).²⁶^,²⁷由于其结构不规则，血管壁在某些地方泄漏和高渗透，而在其他地方则不泄漏。最后，增殖的肿瘤细胞和/或基质细胞施加固体应力并压迫血管，这可能导致血管塌陷。²⁸^–³⁰

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图1

肿瘤中的血管结构和功能。一|漂浮物中正常（顶部）和肿瘤（底部）结肠组织的纵向荧光成像亚太区鼠标。获得自然出版集团的许可©Kim，P。等自然方法 7, 303–305 (2010).b条|肿瘤血管漏水，孔径大，对于某些肿瘤类型，孔径可能大到几微米。获得美国国家科学院的许可©Hobbs，S.K。等。程序。美国国家科学院。科学。美国 95, 4607–4612 (1998).c（c）|正常软脑膜血管（左）和肿瘤（右）的血流速度与血管直径的关系。与正常组织不同，肿瘤中的血流速度不依赖于血管直径。获得美国癌症研究协会的许可©Yuan，F。等。癌症研究。 54, 4564–4568 (1994). 缩写：RBC，红细胞。

如所示方框1血管系统提供的粘性阻力和几何阻力升高会影响肿瘤血流。²²因此，肿瘤血管中红细胞（RBCs）的平均速度可能比正常血管低一个数量级，并且与许多正常组织相比，肿瘤中的总灌注速率（每单位体积的血液流速）降低(图1c). 此外，与正常组织不同，肿瘤中的血流速度与血管直径无关，分布不均匀，留下灌注不良甚至未灌注的区域。³¹^–³⁴未灌注区域的存在会导致不利的肿瘤微环境（例如，低分压、低pH值和坏死组织），从而加剧耐药性和肿瘤进展。

方框1 |血流的决定因素

肿瘤血流，问，等于动静脉两端的压差Δ对除以流动阻力（FR）。其定义如下：²²

问= Δ对/法国

FR=ηZ轴式中，η是表观粘度（粘性阻力），以及Z轴是几何阻力。肿瘤血管的异常增加了血液流动的几何阻力和粘性阻力。²²^,¹⁴⁹^–¹⁵¹由于肿瘤血管的特殊分支模式，几何阻力增加，¹⁵²^–¹⁵⁴以及癌细胞压迫导致的变形。²⁸^,³⁰粘滞阻力升高是因为肿瘤在血液从动脉侧流向静脉侧时会损失5-10%的血浆。这导致红细胞浓度（血液浓缩）增加，进而增加表观粘度。¹⁵¹^,¹⁵⁴^,¹⁵⁵

正常淋巴网络排出组织中多余的液体，以维持组织间液平衡。在肿瘤组织中，增殖的癌细胞压迫淋巴管，尤其是肿瘤中心的淋巴管，导致淋巴管塌陷。²⁸因此，功能性淋巴管仅存在于肿瘤周边。³⁵^,³⁶这些瘤周淋巴管携带液体、生长因子和癌细胞，并通过淋巴网络介导肿瘤转移(图2a).³⁷^,³⁸肿瘤中心液体排出不足，再加上肿瘤血管液体渗漏，导致间质性高血压。

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图2

肿瘤中IFP升高。一|除边缘外，肿瘤中的IFP均匀升高。边缘IFP的急剧下降导致液体、生长因子和细胞从肿瘤中渗出，进入瘤周组织，进而可能促进血管生成和转移，并抑制药物传递。获得美国癌症研究协会的许可©Jain，R.K。等癌症研究。 67, 2729–2735 (2007).b条|不同肿瘤类型的IFP和MVP。获得美国癌症研究协会的许可©Boucher，Y.&Jain，R.K。癌症研究。 525110–5114（1992）和©Boucher，Y。等。癌症研究。 56, 4264–4266 (1996).c（c）|IFP轮廓是与肿瘤表面距离的函数。获得美国癌症研究协会的许可©Boucher，Y。等癌症研究。 50, 4478–4484 (1990). 缩写：IFP，间隙流体压力；IFV，间隙流体速度；MVP，微血管压力。

间质性高血压和血供受损会降低实体肿瘤治疗药物的疗效和输送。¹⁶随后肿瘤细胞中的缺氧不仅导致对放射治疗的抵抗，还导致对几种细胞毒药物的抵抗。与这些效应无关，缺氧诱导的遗传不稳定性选择了转移潜能增加的细胞。浸润肿瘤的免疫细胞的细胞毒性功能也会受到缺氧和低pH值的影响。脆弱的肿瘤血管系统也可能促进癌细胞脱落进入循环，这是转移的先决条件。不幸的是，这种异常的肿瘤微环境并不影响肿瘤细胞的存活。

总之，血液供应和血管通透性的时空异质性以及淋巴引流不良有助于创造一个异常的微环境，损害肿瘤治疗药物的均匀输送和疗效。

异常血管屏障

至少有五种途径可通过血管内皮进行转运：途径一是通过内皮细胞扩散，途径二是侧膜扩散，途径三是通过细胞间连接转运，途径四是通过细胞内窗（约40–60 nm）转运，最后，途径五是囊泡转运（约100 nm）。²⁴水和亲脂溶质利用途径1、3和4进行转运，亲脂溶剂也通过途径2穿过血管内皮。水溶性溶质和大分子使用路径三和路径四，但大分子也可能遵循路径五。大于白蛋白（约4nm）的纳米粒子最有可能遵循路径3，因为某些肿瘤中的内皮连接可能大到几微米。²⁶^,²⁷影响纳米颗粒从血管中渗出的参数见方框2.

方框2 |血管内转运的决定因素

材料从血管中外渗可以通过扩散和对流发生，可以用以下方程式描述：²⁴

J型=PS(C_第页 − C_我) + 我_第页S公司(1 − σ)[(第页_v（v） − 第页_我)−σ(π_v（v） − π_我)]C_第页

J型是穿过容器壁的材料的通量（每单位体积的质量），对是血管通透性，S公司是容器的表面积，C_第页−C_我是等离子体和间隙之间物质的浓度差，我_第页是容器壁的水力传导率，第页_v（v）−第页_我是微血管和间质流体压力之间的差值，σ是渗透反射系数，π_v（v）−π_我是穿过墙壁的渗透压差。血管通透性取决于颗粒的性质（尺寸、电荷和配置）和血管壁（孔径、电荷和排列）。它随着粒径的增大而减小，当粒径大于孔隙截止尺寸时变为零。水力传导率是壁面形态的一个特性，取决于孔隙占据的壁面比例。有更全面的血管模型，但它们超出了本综述的范围。

由于肿瘤血管具有较大的孔隙，肿瘤血管的通透性和导水率显著高于正常组织；²⁶^,³²^,³⁹^–⁴¹这是EPR效应的基础。⁴⁰^,⁴²纳米颗粒从肿瘤血管的大孔中渗出到肿瘤组织中。血管通透性随输送颗粒大小的增加而降低。⁴³^,⁴⁴此外，阳离子纳米粒子优先靶向肿瘤血管，与阴离子或中性纳米粒子相比，具有更高的渗透性。⁴⁵^–⁴⁹血管通透性不仅取决于颗粒的性质，还取决于血管系统的生理特性。虽然使用EPR效应作为纳米粒子的理论基础，但往往忽略了并非所有肿瘤血管都是渗漏的，这会导致孔径分布不均匀，从而导致不均匀的外渗和输送。⁴³^,⁴⁴^,⁵⁰此外，肿瘤模型的通透性取决于移植部位，并随时间和治疗而变化。⁵⁰^–⁵²

血管内转运的另一个重要障碍是升高的IFP，它可以降低血管壁上的压力梯度。在正常组织中，IFP约为0 mmHg，而肿瘤表现为间质性高血压，¹⁵^,³⁸这是由于肿瘤血管的高通透性和肿瘤间质缺乏功能性淋巴管所致。¹⁵^,³⁵因此，肿瘤内部的IFP均匀升高，几乎等于微血管压力(图2b).¹⁷^,⁵³^–⁵⁷然而，接近肿瘤边缘时，IFP迅速下降至正常值，导致压力梯度陡峭(图2c).⁵³^,⁵⁸^,⁵⁹IFP水平升高的直接后果是，通过容器壁的质量传输的主要机制是扩散，这一过程比对流慢得多，尤其是对于大颗粒而言。肿瘤内的IFP也可能会暂时超过微血管流体压力，从而导致材料的静脉注射回到血液供应中。⁵⁵此外，微血管压力和IFP之间的跨壁耦合可以消除肿瘤血管长度上的压力梯度，从而在没有物理闭塞的情况下导致血液淤滞。⁶⁰^,⁶¹最后，由于IFP的急剧下降，间质液体从肿瘤周围逃逸到周围的健康组织，不仅携带治疗性纳米粒子，还携带生长因子（例如VEGF-A、VEGF-C、血小板衍生生长因子[PDGF]-A和PDGF-C）和细胞（例如转移癌细胞）促进肿瘤的发展。³⁸^,⁶²

值得注意的是，即使在致癌的早期阶段（例如异型增生和增生），也观察到EPR效应（即血管渗漏增加和淋巴功能受损）。⁶³因此，纳米颗粒可用于检测非常小的病变以进行手术切除。⁶⁴^,⁶⁵然而，血管和淋巴管的损伤也可能对纳米粒子在这些病变中的均匀输送带来挑战。因此，肿瘤中大尺寸的纳米粒子以及均匀升高的IFP阻碍了跨血管壁的转运，并损害了EPR效应的好处。

异常间质屏障

肿瘤中控制纳米颗粒间质转运的参数如所述方框3均匀升高的IFP消除了肿瘤血管壁和肿瘤内部的压力梯度。因此，肿瘤内转运的主要机制是扩散。肿瘤间质基质由高度互联的胶原纤维网络组成，胶原纤维与其他分子相互作用，如蛋白聚糖和糖胺聚糖。⁶⁶^,⁶⁷扩散纳米颗粒的运动取决于其尺寸、电荷和结构以及间隙基质的物理化学性质。¹⁸小的治疗药物，如化疗药物，其大小通常可达几纳米，在肿瘤间质基质中扩散相当快。然而，纳米粒子的扩散系数，如脂质体和病毒，其直径可达数百纳米，与间质基质的相互作用严重阻碍。事实上，可用于大型治疗剂的血管外空间随着药物的大小而减少。⁶⁸此外，在许多肿瘤中，直径大于60nm的颗粒无法有效扩散通过胶原基质。⁶⁹^–⁷²这些颗粒从血管中渗出，但由于它们无法穿透肿瘤间质空间，所以在血管周围不均匀地聚集，只引起局部效应(图3a、b).⁴³^,⁷³带电粒子与间隙空间的带电组分形成静电吸引或排斥，进一步阻碍其扩散，而具有线性、半柔性结构的大分子扩散效率高于同等大小的刚性球形粒子。⁷⁰^,⁷⁴

方框3 |间隙转运的决定因素

纳米颗粒通过间隙基质的传输受扩散和对流控制：¹⁸

(∂ C_我/∂ t吨) + v（v）∇C= D类∇²C_我+ R（右）

C_我是纳米颗粒的浓度，v（v）间隙流体速度，D类纳米粒子的扩散系数和R（右）解释纳米粒子结合或降解的术语。流体速度取决于间质流体压力的变化，因为后者在肿瘤中心是均匀的，除肿瘤边缘外，它可以忽略不计。扩散系数取决于纳米颗粒的性质（尺寸、电荷和配置）和间隙基质的结构。

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图3

纳米颗粒间质传输的障碍。一|治疗剂的大小可以相差四个数量级。b条|90纳米大小的脂质体在肿瘤中的分布。纳米粒子（亮红色）从一些肿瘤血管中渗出（黑色），但由于其尺寸较大，无法穿透肿瘤间质基质，集中在血管周围区域。请注意，有些船只没有外渗。获得美国癌症研究协会的许可©Yuan，F。等。癌症研究。 54, 3352–3356 (1994).c（c）|纳米颗粒在肿瘤间质中的扩散取决于胶原蛋白的含量。在高胶原蛋白区域（红色），单纯疱疹病毒的浓度较低（绿色；大小为150 nm），而在低胶原蛋白区域，病毒的浓度增加。获得美国癌症研究协会的许可©McKee，T.D。等。癌症研究。 66, 2509–2513 (2006).d日|扩散也取决于植入部位。该图描绘了植入颅骨和背部皮肤的Mu89黑色素瘤和U87胶质母细胞瘤中大分子的扩散系数。为了进行比较，显示了PBS溶液中的扩散系数。获得美国国家科学院的许可©Pluen，A。等。程序。美国国家科学院。科学。美国 98, 4628–4633 (2001). 缩写：CW，颅窗；DC，背腔；PBS，磷酸盐缓冲盐水。

胶原蛋白含量是间质运输的主要决定因素(图3c).⁷⁵^–⁷⁷富含胶原蛋白的肿瘤比胶原蛋白含量低的肿瘤更能阻碍扩散。此外，肿瘤生长部位在肿瘤的转运特性中起着至关重要的作用。⁶⁹如所示图3d同一肿瘤类型植入小鼠的两个不同部位（背部皮肤与颅骨），其扩散系数不同，可能是因为胶原蛋白水平不同。⁶⁹此外，胶原蛋白纤维在中性pH值下带有轻微的正电荷，因此可能会与带负电荷的纳米粒子相互作用，形成聚集体。⁷⁸

间质运输的另一个决定因素是硫酸化糖胺聚糖含量。这些细长的纤维不仅显著增加间隙流体的粘度，而且还携带高度负电荷，即使少量负电荷也可以通过形成聚集物来抑制材料的运输。⁷⁵^,⁷⁹^–⁸²例如，扩散纳米颗粒与硫酸乙酰肝素之间的静电结合可以将粒子的扩散系数降低三个数量级。⁸⁰^,⁸¹然而，这种结合是可逆的，酶消化硫酸乙酰肝素链可以挽救颗粒的流动性。

最后，肿瘤间质基质成分的不均匀分布将基质分为两个相，即粘稠相和水相。粘性相被认为位于胶原蛋白纤维浓度高的区域，严重阻碍了颗粒的流动性。水相存在于低纤维浓度区域，其中颗粒的扩散率与水中的扩散率相似。肿瘤基质中转运的两相性质导致双组分扩散。⁷²^,⁸³快组分与水相有关，而慢组分与粘性相有关。因此，这些相的分布极大地影响了粒子在肿瘤中的分布。

总之，促结缔组织增生性肿瘤中细胞外基质的致密和不均匀结构阻碍了大型纳米治疗，导致这些药物的不均匀分布。

改进交付的策略

从上述证据中，我们得出结论，诊断和治疗纳米颗粒在肿瘤中的无效运输是肿瘤血管结构和功能异常以及与促结缔组织增生反应相关的致密基质所致。因此，增强药物传递的治疗策略侧重于使肿瘤血管系统正常化，以提高血管网络的效率，并使肿瘤间质基质正常化，以便纳米颗粒更快、更深地渗透到肿瘤内部。

肿瘤血管正常化

肿瘤中新血管的形成是由促血管生成因子和抗血管生成因子的失衡引起的。¹⁶^,⁸⁴^,⁸⁵在正常组织中，这些因素之间的平衡保持了血管网络的正常结构，以确保最佳功能。然而，在肿瘤中，促血管生成分子（例如VEGF、碱性成纤维细胞生长因子和PDGF）通常过度表达，这使平衡偏向促血管生成的一侧，并导致血管形成混乱(图4a). 因此，明智地应用抗血管生成药物可以恢复平衡，并将血管系统恢复到更“正常”的表型。¹⁶^,⁸⁶

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图4

血管正常化的影响。一|肿瘤血管生成是由抗血管生成因子和促血管生成因子之间的不平衡引起的。正常化旨在恢复这种平衡，使肿瘤血管系统达到更正常的表型。获得美国科学促进协会的许可©Jain，R.K。科学类 307, 58–62 (2005).b条|抗VEGF抗体DC101的使用降低了IFP，对MVP没有影响。获得美国癌症研究协会的许可©Tong，R.T。等。癌症研究。 64, 3731–3736 (2004).c（c）|小鼠乳腺癌（MCa IV）肿瘤的冷冻切片，用灌注的生物素凝集素鉴定功能性血管，并用外渗的四甲基罗丹明异硫氰酸酯-BSA研究间质渗透。使用ImageJ软件识别血管，并将BSA的平均强度量化为与血管壁距离的函数。经抗血管生成剂DC101治疗的肿瘤显示，BSA在肿瘤间质空间的渗透性增加。获得美国癌症研究协会的许可©Tong，R.T。等。癌症研究。 64, 3731–3736 (2004).d日|DC101正常化可减少小鼠脑肿瘤中的缺氧。缺氧在第5天达到最低水平，第8天出现部分复发*对与未处理对照组相比，<0.05；⁺对与大鼠IgG处理的对照组（第2天）相比，<0.05；^#对与开始DC101治疗后第2天相比，<0.05。获得爱思唯尔有限公司的许可©Winkler，F。等.癌细胞 6, 553–563 (2004). 缩写：BSA，牛血清白蛋白；IFP，间隙流体压力；MVP，微血管压力。

在所有已确定的促血管生成分子中，VEGF似乎是最关键的，也是许多研究的重点。VEGF的阻断会导致未成熟血管的修剪、血管密度和直径的降低以及血管系统的重塑，使其更接近正常血管的结构。⁸⁷^,⁸⁸更重要的是，从转运的角度来看，肿瘤血管在治疗后看起来不那么曲折，灌注更好，IFP显著降低，从而恢复了血管壁上的压力梯度，导致分子更深入地渗透到肿瘤中，并改善了氧合(图4b–d).⁸⁷^,⁸⁹^,⁹⁰

具有间接抗血管生成作用的药物也可以导致血管正常化。例如，曲妥珠单抗显著降低了肿瘤血管的直径、体积和通透性，通过模仿抗血管生成鸡尾酒产生更正常的网络。⁹¹在另一个例子中，氧敏感脯氨酰羟化酶结构域蛋白PHD2的单倍体特异性使内皮衬里正常化，导致血管渗漏减少，肿瘤灌注和氧合增加。⁹²^,⁹³

在接受贝伐单抗治疗的直肠癌患者中，肿瘤血管正常化已被证实⁵⁷以及接受西地拉尼治疗的复发性胶质母细胞瘤患者。⁹⁴单次输注贝伐单抗后12天，IFP降低70%，血管密度降低50%，导致肿瘤微环境正常化，氟脱氧葡萄糖（FDG）更有效地输送。复发性胶质母细胞瘤患者的肿瘤微环境迅速正常化，其特征是血管通透性和血管大小显著降低。⁹⁴

然而，由于血管壁孔径的减小，血管归一化可能会影响超大纳米粒子的跨血管运输。孔径的减小降低了血管的通透性，对和导水率，我_第页，同时增加反射系数σ(方框2). 这些参数的变化降低了穿过容器壁的颗粒通量(方框2)并可能超过增加灌注和恢复跨壁压差所获得的益处（Chauhan，V.P。等人。未发布的数据）。另外，血管正常化是暂时的，因此，应在正常化期间服用抗癌药物。¹⁶^,⁸⁸除了使异常血管的结构和功能正常化外，肿瘤中被压迫的血管还可以通过杀死血管周围癌细胞来打开和灌注²⁸^,³⁰和基质细胞。⁹⁵不幸的是，如果癌细胞或基质细胞再生，这些血管会再次受压。

肿瘤基质归一化

分子和纳米粒子在肿瘤中的渗透性取决于细胞外基质成分的体积分数，尤其是胶原蛋白和糖胺聚糖的含量。为了提高药物渗透性，我们试图降解这些成分，从而增加扩散颗粒的可接近体积。⁷⁵在高胶原蛋白含量肿瘤（例如HSTS26T肉瘤和Mu89黑色素瘤异种移植物）中，细菌胶原酶处理导致胶原蛋白基质降解，导致抗体扩散增加两倍，例如IgG（流体动力学半径4.5 nm），⁷²^,⁷⁵^,⁹⁶而单纯疱疹病毒（HSV；流体动力学半径75 nm）的间质分布增加了三倍(图5a).⁷³^,⁹⁷基质金属蛋白酶（MMP）-1和MMP-8的异位表达也显著增加了HSV的分布，从而降低了肿瘤糖胺聚糖的水平并改善了对流。⁷⁹细菌胶原酶、MMP-1和MMP-8显著提高了溶瘤HSV的抗肿瘤效果。激素松弛素可以改变胶原纤维的结构，也可以通过扩散增加运输(图5b).⁹⁸^,⁹⁹松弛素治疗导致HSTS26T异种移植物中IgG扩散增加两倍，右旋糖酐-2M（流体动力学半径20 nm）扩散增加三倍。⁹⁸^,⁹⁹最近发现的一种肿瘤穿透肽iRGD也有潜力通过改善间质转运来改善纳米药物在实体肿瘤中的传递。¹⁰⁰

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图5

正常化胶原蛋白基质的效果。一|间质基质归一化对溶瘤病毒治疗的影响。将溶瘤载体MGH2与胶原酶联合治疗植入背部皮肤折叠室的Mu89黑色素瘤。通过报告基因的表达检测肿瘤细胞的感染GFP公司（编码在病毒中）。MGH2与胶原酶联合注射增加了细胞感染并导致肿瘤消退（蓝线）*对<0.05. 获得美国癌症研究协会的许可©McKee，T.D。等。癌症研究。 66, 2509–2513 (2006).b条|松弛素对肿瘤中胶原基质的影响。松弛素治疗期间Mu89黑色素瘤胶原蛋白结构的二次谐波图像。显示了不同时间点胶原纤维同一区域的最大强度投影。松弛素治疗降低了胶原蛋白水平（白色）。获得自然出版集团的许可©Brown，E。等，《自然医学》。 9, 796–800 (2003). 缩写：GFP，绿色荧光蛋白。

设计注意事项

为了获得最佳疗效，治疗剂必须达到足以杀死癌细胞的剂量，但同时不得对正常组织产生不利影响。显然，颗粒越小，运输效果越好；然而，小分子，如化疗药物，通常会在大多数正常组织中渗出，可能会引起不良反应。这两个约束条件的结合表明，增加纳米颗粒的尺寸将提供选择性，但代价是限制肿瘤血管某些孔隙的外渗，减少通过肿瘤基质的扩散。因此，需要针对每个肿瘤及其转移优化颗粒的尺寸。面临的挑战是肿瘤微环境在空间上并不均匀，它会随着时间和治疗的变化而变化。

治疗性纳米粒子的大小、表面电荷和形状对其外渗和间质转运起着至关重要的作用。一方面，已经表明阳离子纳米颗粒优先靶向肿瘤内皮细胞，并且与它们的中性或阴离子对应物相比表现出更高的血管通透性。⁴⁵^–⁴⁷另一方面，与阳离子和阴离子颗粒相比，中性纳米粒子在肿瘤间质空间内扩散更快，分布更均匀，因为后者与负电荷（例如透明质酸）或正电荷（例如胶原蛋白）基质分子形成聚集体。⁷⁸^,⁸⁰就颗粒形状而言，研究表明，具有线性、半柔性结构的大分子在填隙基质中的扩散效率高于同等大小的刚性球形颗粒。⁷⁰^,⁷⁴

治疗颗粒的大小也会影响其在血流中的循环时间。如果治疗剂对正常组织无毒，那么延长其在血液中的半衰期是有意义的。流体动力学直径与肾脏清除率呈负相关。流体动力学直径小于5–6 nm的颗粒会被肾脏迅速清除（血液半衰期<600分钟），而颗粒直径的增加会显著增加这些药物在血液和身体中的半衰期。¹⁰¹^,¹⁰²至于纳米粒子形状对循环时间的影响，已经表明丝状胶束的循环时间大约是球形胶束的10倍，¹⁰³而直径很小（<2nm）的丝状纳米管具有快速的肾脏清除功能，循环时间小于3h。¹⁰⁴除了肾脏，纳米颗粒与肝脏和脾脏的网状内皮系统之间的相互作用在纳米颗粒清除中也起着重要作用。网状内皮系统的清除率不仅取决于粒径，还取决于表面修饰，不同类型的纳米颗粒之间可能存在显著差异。¹⁰⁵^,¹⁰⁶随着表面电荷变大（正电荷或负电荷），与网状内皮系统的相互作用增加，导致颗粒的清除率增加。为了获得更高的循环时间，用聚乙二醇（PEGylation）进行改性是最常见的方法。纳米颗粒通过将聚乙二醇附着到表面来实现空间稳定，其表面电荷略为负或正。体位稳定可防止血清蛋白的调理作用和Kuppfer细胞或肝细胞的吞噬作用。¹⁰⁷^–¹⁰⁹

此外，如果纳米颗粒需要细胞内传递，细胞内化将取决于大小、结构和电荷。对于球形颗粒，已表明较小颗粒的内化速度更快，并且可能遵循与较大颗粒不同的机制。¹¹⁰^,¹¹¹此外，研究人员通过实验和数学建模发现，在一定粒径范围内，内化作用最大化。¹¹²^–¹¹⁴例如，对于尺寸范围为2–100 nm的金和银纳米颗粒，尺寸为40–50 nm的颗粒能够最有效地结合并诱导受体介导的内吞过程。¹¹⁵对于非球形粒子，已经表明，粒子在与细胞接触点的局部几何形状决定了它是否会被内部化。¹¹⁶具体来说，当杆状颗粒垂直于细胞膜排列而不是平行排列时，内化更有效。此外，对于携带正电荷的细长颗粒（高纵横比），内部化速度更快、效率更高。¹¹⁷然而，应该注意到，这些研究中使用的许多颗粒都在微米尺寸范围内，比纳米药物中使用的配方大得多。因此，它们与纳米药物输送的相关性体内仍有待显示。

通过构建能够响应肿瘤微环境特性的纳米粒子（例如，低pH值和分压，以及活化的基质金属蛋白酶；图6)或外力（例如，电脉冲、磁场、超声波、热和光）。¹¹⁸实体肿瘤的间质pH值低于正常组织，¹¹⁹因此，许多对pH敏感的纳米载体被开发出来，用于将药物输送到肿瘤中。¹²⁰^–¹²³此外，已开发出可被肿瘤中蛋白酶的酶活性激活的纳米制剂。¹²⁴^–¹²⁶纳米颗粒对肿瘤的靶向性也可以通过应用外部源来实现，例如电场或磁场，¹²⁷^–¹²⁹超声波，¹³⁰热量，¹³¹和灯光。¹³²此外，已开发出介孔二氧化硅颗粒，用作治疗性抗癌药物的控制释放载体。¹³³^–¹³⁵

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图6

平均间质pH和pO₂作为到最近血管距离的函数。请注意低pH值和低pO₂只有在距离血管壁100µm以上时才会明显变低。因此，pH敏感颗粒需要穿透100µm以上才能利用低pH。获得Nature Publishing Group©Helmlinger，G.的许可。等，《自然医学》。 三, 177–182 (1997). 缩写：pO₂，氧气分压。

已开发出表面带有靶向配体（例如，单克隆抗体、其Fab片段和其他部分）的纳米粒子，用于特异性识别和结合肿瘤血管或癌细胞。¹³⁶携带靶向肽的纳米粒子对肿瘤血管的靶向作用可抑制小鼠肿瘤的生长和转移。¹³⁷^–¹³⁹靶向癌细胞的配体可以增加纳米粒子的细胞内浓度和细胞毒性，但与非靶向药物输送颗粒相比，肿瘤内渗透性没有显著提高。¹⁴⁰肿瘤穿透是一个被动过程，需要较长的循环半衰期，以允许颗粒通过高渗透性肿瘤血管外渗，并通过肿瘤间质有效扩散。靶向配体的加入增加了颗粒的尺寸和生物反应性，这加剧了跨越这些屏障的运输问题。然而，在某些情况下，靶向纳米颗粒已被证明可以增加渗透性。用Lyp-1或iRGD肽包裹阿布烷可增加药物渗透性，从而提高治疗效果。¹³⁹^,¹⁴¹此外，另一种纳米颗粒制剂最近被证明可以有效地向人类传递siRNA。¹⁰鉴于靶点表达的时空变化的局限性，目前的挑战是在肿瘤及其转移过程中均匀地传递纳米颗粒。

结论

随着纳米颗粒在癌症检测和治疗的临床前和临床研究中的数量不断增加，考虑阻碍其传递的生理障碍并制定克服这些障碍的策略至关重要。这种协调的方法将有助于确定优化交付的设计标准。鉴于肿瘤微环境的高度异质性和不断演化的性质，纳米粒子的优化设计可能是针对疾病的。这是一项艰巨的任务，特别是考虑到不同肿瘤之间的差异，从原发肿瘤到转移肿瘤，同一肿瘤中的一天到下一天以及治疗引起的变化。在这篇综述中，我们提出了一些基于减少这种异质性的方法构建纳米治疗学的基本指南。

审查标准

本综述的信息是通过搜索PubMed和Web of Science数据库中2010年6月6日之前发表的文章（包括早期发布的出版物）而汇编的。搜索词包括“屏障药物传递肿瘤”、“纳米药物传递屏障”、“血管正常化肿瘤”和“纳米颗粒清除肿瘤”。在适当的时候，对全文进行了检查，以获取更多的材料，并对引用关键出版物的文章进行了检查。

鸣谢

我们感谢L.Munn、Y.Boucher、S.Goel、V.Chahaun和B.Diop-Frimpong对手稿的有益评论。这项工作得到了国家卫生研究院（PO1-CA80124、RO1-CA126642、RO1-CA 115767、RO1-CAD 85140、T32-CA73479）、联邦分享收入拨款和国防部乳腺癌研究创新奖（BC095991）的支持。T.Stylianopoulos得到了Susan G.Komen乳腺癌基金会（KG091281）的博士后研究奖学金的支持。

脚注

作者贡献

R.K.Jain和T.Stylianopoulos都为研究文章的数据、讨论内容以及撰写和编辑手稿做出了贡献。

竞争性利益

R.K.Jain宣布与以下公司建立关联：Alnylam、Astellas、AstraZeneca、Dyax、Enlight Biosciences、Genzyme、Millenium、MorphoSys、Noxxon、辉瑞、罗氏和SynDevRx。有关这些关系的详细信息，请参阅在线文章。T.Stylianopoulos声明没有竞争利益。

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