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摘要 纳米羟基磷灰石（HAP）具有良好的生物相容性和生物活性，且对肿瘤细胞具有选择性抑制作用，因此纳米HAP有望成为新型的无毒、无副作用的靶向抗癌药物。文章综述了前期纳米HAP抗肿瘤的研究工作，探讨了其可能的作用机制，展望了纳米HAP在癌症治疗领域的应用前景。
关键词 纳米羟基磷灰石；抗癌药物；肿瘤细胞；作用机制
中图分类号 TB3 文献标识码 A 文章编号2095—6363（2016）13—0013—02
随着纳米科学的兴起，纳米技术逐渐成为推动当代医学发展的主要动力之一，而纳米材料在肿瘤诊断和治疗等方面的工作已成为目前研究的热点。随着粒径的下降，纳米材料的比表面积增大、表面原子数增多、表面能和表面张力急剧增加，这就使得纳米材料具有小尺寸效应、表面效应、极强的表面活性和吸附性，能够选择性地作用于肿瘤细胞，在生物医学领域（尤其是癌症治疗领域）充分展现出其优越性。羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HAP）是脊椎动物的骨骼及牙齿组成的主要无机成分，自然骨组织中HAP一般以针状或者板状纳米晶体的形式存在。人工合成的HAP是一种具有良好的生物相容性、骨传导性和骨诱导性的生物活性材料，已被广泛地应用在骨修复再生领域。而近年来研究发现，纳米HAP因其物化特性和小尺寸效应，表现出独特的生物学效应，尤其是对肿瘤细胞具有显著的抑制作用。由此可望深入探讨纳米HAP的生物效应并拓展其临床应用，以期获得一种新型的具有良好生物相容性和生物活性的抗癌药物。
1纳米HAP对肿瘤细胞的抑制作用
早在20世纪90年代，Aoki等在体外考察纳米HAP颗粒装载抗癌药物——阿霉素的抗肿瘤效应时，意外发现作为空白对照组的纳米HAP颗粒同样能显著地抑制Ca-9癌细胞的生长，率先提出纳米HAP可能具有抗肿瘤效应。近年来大量研究表明，纳米HAP在体外对多种肿瘤细胞的增殖具有明显的抑制作用，并且其抗肿瘤效果与细胞种系、纳米HAP颗粒的大小、浓度和作用时间等因素密切相关。
1.1细胞种系
研究发现纳米HAP具有细胞选择性抑制作用。前期实验观察到纳米HAP粒子对正常细胞（肝细胞L-02、肺成纤维细胞MRC-5和角化细胞HaCaT）的作用极小，而对3种肿瘤细胞（胃癌细胞MGC-803、骨肉瘤细胞OS-732和肝癌细胞Bel-7402）的抑制率均大于65%，按抑制强度依次为：OS-732>MGC-803>Bel-7402。对不同细胞系的人骨肉瘤来源细胞，纳米HAP粒子的抑制作用也具有差异性，按强度依次为：MG63>U-2OS>Saos-2，且纳米HAP可促进成骨细胞的增殖与功能表达。以上结果表明，纳米HAP可选择性地抑制多种肿瘤细胞的生长与增殖，而对正常细胞无明显作用。
1.2粒径大小
研究发现纳米HAP的粒径大小是决定其抗肿瘤效果的重要因素之一。肝癌细胞Bel-7402对粒径大于100nm的HAP粒子几乎不敏感，而粒径为60nm的纳米HAP能显著地延长肝癌细胞的倍增时间并抑制其增殖，4天后的抑制率达到70%以上。纳米HAP还通过抑制肝癌克隆原细胞，阻止肝癌细胞集落的形成，同时降低单个肝肿瘤细胞及其群体的增殖能力。粒径小于100nm的纳米HAP粒子诱导肿瘤细胞凋亡的能力与其粒径大小密切相关，前期研究发现中等粒径的纳米粒子（45rim）呈现出最强的对肝癌细胞HepG2的抑制效果，按抑制强度依次为：45nm>26nm>78nm。
1.3浓度和作用时间
研究证实纳米HAP对肿瘤细胞的抑制率呈现出明显的浓度和作用时间的依赖性。Tang等考察了不同浓度梯度的纳米HAP粒子（62μg/mL～1000μg/mL）在不同的作用时间对多种肿瘤细胞的抑制效果。结果表明纳米HAP对肿瘤细胞的抑制率与纳米粒子的浓度和作用时间分别呈正相关，即在同一时间点，随着纳米HAP粒子浓度的增加，其对肿瘤细胞的抑制率上升；而在相同浓度下，随着纳米HAP作用于肿瘤细胞的时间延长，其对肿瘤细胞的抑制率提高。由此可见，纳米HAP粒子在高浓度时可显著抑制肿瘤细胞的增殖，且随着作用时间的延长，抑制作用逐步增强。因此，可以通过选取适当的给药浓度和时间，使得纳米HAP表现出良好的抗癌效果。
2动物模型考察纳米HAP的抗肿瘤作用
部分学者利用动物肿瘤模型考察纳米HAP粒子的抗癌疗效。例如，李世普等成功建立了符合肝癌形态学特征的人肝癌裸鼠移植瘤模型，通过每日瘤内局部注射纳米HAP，发现纳米HAP能明显抑制肝癌移植瘤生长，连续注射1周和2周后的抑瘤率分别为77.21%和51.32%。纳米HAP还能延长荷瘤鼠的生存时间。通过肝癌抑制瘤组织的切片染色观察，进一步发现纳米HAP可以降低瘤组织肝癌细胞的平均核DNA含量、下调核仁内AgNOR数量、减弱PCNA的表达，从分子生物学水平确证了纳米HAP粒子可抑制移植瘤肝癌细胞的增殖。王雄飞等。将纳米HAP溶胶通过肝穿针经皮注射入VX，荷瘤种兔的肝肿瘤内，通过B超征象及病理检测发现，纳米HAP粒子不但能直接或间接诱发肿瘤细胞的坏死或凋亡，还能发生凝聚来栓塞供瘤血管，从而阻断肿瘤的营养供应，抑制其生长。因此，纳米HAP有望以栓塞剂或瘤内注射药物的方式应用于临床肿瘤治疗。
3纳米HAP的抗肿瘤作用机制
目前，纳米HAP抑制肿瘤生长的机制尚未完全清楚，其可能的作用机制如下所述。
3.1入胞途径及细胞超微结构的变化
纳米HAP具有粒径小、比表面积大、吸附性强等特性，容易与肿瘤细胞的细胞膜结合，然后通过胞吞途径被肿瘤细胞摄入胞内，形成囊泡体。透射电镜观察發现纳米HAP粒子入胞后将导致肿瘤细胞的局部超微结构发生明显变化，如：胞浆局部水肿，空泡化严重，线粒体肿胀崩解，嵴结构紊乱，内质网扩张；核膜周间隙扩大，细胞核固缩，染色质凝集，甚至观察到圈状核仁，并伴随凋亡小体的出现。揭示了纳米HAP可能通过引发细胞器功能障碍和细胞内环境失衡，抑制肿瘤细胞生长
3.2细胞周期及细胞凋亡
众所周知，肿瘤的发生、发展与肿瘤细胞的增殖异常密切相关。而细胞增殖周期是多阶段、多因子参与的精确有序的调节过程，主要分为细胞分裂期（M期）和静止期（细胞间期），其中后者包括：DNA合成前期（G1期）、DNA合成期（S期）与DNA合成后期（G2期）。研究发现纳米HAP可以通过下调c-myc基因（G1期向S期过渡的必要应答基因），上调p53基因（作用于G1/S期控制点的重要抑癌基因），导致肿瘤细胞阻滞在G1期，阻断细胞周期的进展，抑制其增殖。并且，纳米HAP还能够激活细胞凋亡通路信号分子，包括：上调凋亡执行因子Caspase-3、凋亡起始因子Caspase-8、Caspase-9和Bax等，及下调Bcl-2，从而诱发线粒体介导的凋亡通路。
3.3其他机制
纳米HAP的抗肿瘤作用机制还可能包括：纳米HAP降解带来的胞内局部高钙环境所引发的细胞毒性，以及纳米HAP对肿瘤细胞端粒酶的基因表达和活性的抑制作用等。
4结论
传统的抗癌药物不仅能杀死肿瘤细胞，而且对机体正常细胞也具有破坏作用。与之相比，纳米HAP可抑制多种肿瘤细胞的生长（抗癌广谱性），而对正常细胞作用甚微，因此，纳米HAP有望成为新型的无毒、无副作用的抗癌药物，为癌症治疗打开新的突破口。
关键词 纳米羟基磷灰石；抗癌药物；肿瘤细胞；作用机制
中图分类号 TB3 文献标识码 A 文章编号2095—6363（2016）13—0013—02
随着纳米科学的兴起，纳米技术逐渐成为推动当代医学发展的主要动力之一，而纳米材料在肿瘤诊断和治疗等方面的工作已成为目前研究的热点。随着粒径的下降，纳米材料的比表面积增大、表面原子数增多、表面能和表面张力急剧增加，这就使得纳米材料具有小尺寸效应、表面效应、极强的表面活性和吸附性，能够选择性地作用于肿瘤细胞，在生物医学领域（尤其是癌症治疗领域）充分展现出其优越性。羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HAP）是脊椎动物的骨骼及牙齿组成的主要无机成分，自然骨组织中HAP一般以针状或者板状纳米晶体的形式存在。人工合成的HAP是一种具有良好的生物相容性、骨传导性和骨诱导性的生物活性材料，已被广泛地应用在骨修复再生领域。而近年来研究发现，纳米HAP因其物化特性和小尺寸效应，表现出独特的生物学效应，尤其是对肿瘤细胞具有显著的抑制作用。由此可望深入探讨纳米HAP的生物效应并拓展其临床应用，以期获得一种新型的具有良好生物相容性和生物活性的抗癌药物。
1纳米HAP对肿瘤细胞的抑制作用
早在20世纪90年代，Aoki等在体外考察纳米HAP颗粒装载抗癌药物——阿霉素的抗肿瘤效应时，意外发现作为空白对照组的纳米HAP颗粒同样能显著地抑制Ca-9癌细胞的生长，率先提出纳米HAP可能具有抗肿瘤效应。近年来大量研究表明，纳米HAP在体外对多种肿瘤细胞的增殖具有明显的抑制作用，并且其抗肿瘤效果与细胞种系、纳米HAP颗粒的大小、浓度和作用时间等因素密切相关。
1.1细胞种系
研究发现纳米HAP具有细胞选择性抑制作用。前期实验观察到纳米HAP粒子对正常细胞（肝细胞L-02、肺成纤维细胞MRC-5和角化细胞HaCaT）的作用极小，而对3种肿瘤细胞（胃癌细胞MGC-803、骨肉瘤细胞OS-732和肝癌细胞Bel-7402）的抑制率均大于65%，按抑制强度依次为：OS-732>MGC-803>Bel-7402。对不同细胞系的人骨肉瘤来源细胞，纳米HAP粒子的抑制作用也具有差异性，按强度依次为：MG63>U-2OS>Saos-2，且纳米HAP可促进成骨细胞的增殖与功能表达。以上结果表明，纳米HAP可选择性地抑制多种肿瘤细胞的生长与增殖，而对正常细胞无明显作用。
1.2粒径大小
研究发现纳米HAP的粒径大小是决定其抗肿瘤效果的重要因素之一。肝癌细胞Bel-7402对粒径大于100nm的HAP粒子几乎不敏感，而粒径为60nm的纳米HAP能显著地延长肝癌细胞的倍增时间并抑制其增殖，4天后的抑制率达到70%以上。纳米HAP还通过抑制肝癌克隆原细胞，阻止肝癌细胞集落的形成，同时降低单个肝肿瘤细胞及其群体的增殖能力。粒径小于100nm的纳米HAP粒子诱导肿瘤细胞凋亡的能力与其粒径大小密切相关，前期研究发现中等粒径的纳米粒子（45rim）呈现出最强的对肝癌细胞HepG2的抑制效果，按抑制强度依次为：45nm>26nm>78nm。
1.3浓度和作用时间
研究证实纳米HAP对肿瘤细胞的抑制率呈现出明显的浓度和作用时间的依赖性。Tang等考察了不同浓度梯度的纳米HAP粒子（62μg/mL～1000μg/mL）在不同的作用时间对多种肿瘤细胞的抑制效果。结果表明纳米HAP对肿瘤细胞的抑制率与纳米粒子的浓度和作用时间分别呈正相关，即在同一时间点，随着纳米HAP粒子浓度的增加，其对肿瘤细胞的抑制率上升；而在相同浓度下，随着纳米HAP作用于肿瘤细胞的时间延长，其对肿瘤细胞的抑制率提高。由此可见，纳米HAP粒子在高浓度时可显著抑制肿瘤细胞的增殖，且随着作用时间的延长，抑制作用逐步增强。因此，可以通过选取适当的给药浓度和时间，使得纳米HAP表现出良好的抗癌效果。
2动物模型考察纳米HAP的抗肿瘤作用
部分学者利用动物肿瘤模型考察纳米HAP粒子的抗癌疗效。例如，李世普等成功建立了符合肝癌形态学特征的人肝癌裸鼠移植瘤模型，通过每日瘤内局部注射纳米HAP，发现纳米HAP能明显抑制肝癌移植瘤生长，连续注射1周和2周后的抑瘤率分别为77.21%和51.32%。纳米HAP还能延长荷瘤鼠的生存时间。通过肝癌抑制瘤组织的切片染色观察，进一步发现纳米HAP可以降低瘤组织肝癌细胞的平均核DNA含量、下调核仁内AgNOR数量、减弱PCNA的表达，从分子生物学水平确证了纳米HAP粒子可抑制移植瘤肝癌细胞的增殖。王雄飞等。将纳米HAP溶胶通过肝穿针经皮注射入VX，荷瘤种兔的肝肿瘤内，通过B超征象及病理检测发现，纳米HAP粒子不但能直接或间接诱发肿瘤细胞的坏死或凋亡，还能发生凝聚来栓塞供瘤血管，从而阻断肿瘤的营养供应，抑制其生长。因此，纳米HAP有望以栓塞剂或瘤内注射药物的方式应用于临床肿瘤治疗。
3纳米HAP的抗肿瘤作用机制
目前，纳米HAP抑制肿瘤生长的机制尚未完全清楚，其可能的作用机制如下所述。
3.1入胞途径及细胞超微结构的变化
纳米HAP具有粒径小、比表面积大、吸附性强等特性，容易与肿瘤细胞的细胞膜结合，然后通过胞吞途径被肿瘤细胞摄入胞内，形成囊泡体。透射电镜观察發现纳米HAP粒子入胞后将导致肿瘤细胞的局部超微结构发生明显变化，如：胞浆局部水肿，空泡化严重，线粒体肿胀崩解，嵴结构紊乱，内质网扩张；核膜周间隙扩大，细胞核固缩，染色质凝集，甚至观察到圈状核仁，并伴随凋亡小体的出现。揭示了纳米HAP可能通过引发细胞器功能障碍和细胞内环境失衡，抑制肿瘤细胞生长
3.2细胞周期及细胞凋亡
众所周知，肿瘤的发生、发展与肿瘤细胞的增殖异常密切相关。而细胞增殖周期是多阶段、多因子参与的精确有序的调节过程，主要分为细胞分裂期（M期）和静止期（细胞间期），其中后者包括：DNA合成前期（G1期）、DNA合成期（S期）与DNA合成后期（G2期）。研究发现纳米HAP可以通过下调c-myc基因（G1期向S期过渡的必要应答基因），上调p53基因（作用于G1/S期控制点的重要抑癌基因），导致肿瘤细胞阻滞在G1期，阻断细胞周期的进展，抑制其增殖。并且，纳米HAP还能够激活细胞凋亡通路信号分子，包括：上调凋亡执行因子Caspase-3、凋亡起始因子Caspase-8、Caspase-9和Bax等，及下调Bcl-2，从而诱发线粒体介导的凋亡通路。
3.3其他机制
纳米HAP的抗肿瘤作用机制还可能包括：纳米HAP降解带来的胞内局部高钙环境所引发的细胞毒性，以及纳米HAP对肿瘤细胞端粒酶的基因表达和活性的抑制作用等。
4结论
传统的抗癌药物不仅能杀死肿瘤细胞，而且对机体正常细胞也具有破坏作用。与之相比，纳米HAP可抑制多种肿瘤细胞的生长（抗癌广谱性），而对正常细胞作用甚微，因此，纳米HAP有望成为新型的无毒、无副作用的抗癌药物，为癌症治疗打开新的突破口。