一、无机纳米材料对细胞增殖和凋亡的选择性作用

最近的研究发现，纳米羟基磷灰石具有选择性地增殖或凋亡细胞的作用，将其与成纤维细胞、成骨细胞等正常细胞和黑色素肿瘤细胞、骨肉瘤细胞等共培养，发现肿瘤细胞可被凋亡或增殖被抑制，而对正常细胞的增殖无影响，甚至可能促进增殖（图1-18）。

早在1993年，日本研究者Aoki等在纳米羟基磷灰石粒子负载多柔比星进行体外抗肿瘤的实验中，意外发现作为空白对照的纳米羟基磷灰石粒子对Ca-9肿瘤细胞的增殖同样具有抑制作用，而且负载多柔比星的纳米羟基磷灰石粒子的肿瘤抑制时间明显长于多柔比星单独作用的时间，从而提出纳米羟基磷灰石可能具有抗肿瘤效应。2003年，武汉理工大学研究团队比较了纳米羟基磷灰石粒子与顺铂、多柔比星、长春新碱、环磷酰胺及丝裂霉素等药物对Hela肿瘤细胞的抑制效果，结果发现纳米羟基磷灰石粒子的肿瘤抑制率虽不及这些传统的抗肿瘤药物，但是其58.7%的肿瘤抑制率仍然显示了巨大的抗肿瘤潜能。同时，该团队观察到纳米羟基磷灰石粒子可以进入人肝癌细胞系Bel-7402细胞内部，并对其增殖产生明显抑制作用。随后，四川大学、华东理工大学、浙江大学和武汉大学等多个研究机构对纳米羟基磷灰石粒子的抗肿瘤特性和机制进行了深入研究。体外研究发现，将纳米羟基磷灰石粒子与多种类型的肿瘤细胞（肝癌细胞、乳腺癌细胞、黑色素瘤细胞等）进行共培养，均可抑制肿瘤细胞增殖、促进肿瘤细胞凋亡，且其抗肿瘤效果与细胞种系，粒子组成、粒径、浓度和作用时间等因素密切相关。但纳米羟基磷灰石粒子对正常细胞增殖无抑制作用，甚至可以促进正常细胞的增殖。在体内研究中，Zhao等人将纳米羟基磷灰石粒子原位注射至小鼠肿瘤模型，发现其有效地抑制了肿瘤生长。此外，纳米硫化铜和纳米硅化镁材料也被观测到具备显著的抑制肿瘤效果，而对瘤旁正常组织无影响。

目前，对于纳米粒子抗肿瘤的机制已有以下几点共识：①由于肿瘤组织具高通透性和滞留效应（enhanced permeability and retention effect，EPR 效应），纳米羟基磷灰石粒子多在肿瘤处聚集，由于其粒径小、比表面积大、吸附性强等特性，更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。透射电镜观察发现纳米羟基磷灰石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，如胞质局部水肿，空泡化严重；线粒体肿胀崩解，嵴结构紊乱；核膜周间隙扩大，细胞核固缩，染色质凝集形成圈状核仁，并伴随凋亡小体出现。这一系列变化揭示了纳米羟基磷灰石粒子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。②纳米羟基磷灰石粒子作用在肿瘤细胞负责蛋白与脂质合成的内质网，导致内质网扩张，影响了细胞增殖相关蛋白的合成，进而抑制了肿瘤细胞增殖。③纳米羟基磷灰石粒子在溶酶体内通过释放钙离子，影响细胞内钙平衡，引起细胞氧化应激反应，并最终激活线粒体介导的细胞凋亡和Caspase凋亡通路。其中，纳米羟基磷灰石粒子激活线粒体凋亡通路和Caspase凋亡通路被文献广泛证实。武汉大学研究人员发现，纳米羟基磷灰石粒子与人胃癌细胞SGC-7901共培养后，通过上调Caspase-3、Caspase-9和线粒体 Bax的表达，下调线粒体Bcl-2的表达，激活了线粒体介导的凋亡通路。华东理工大学研究团队同样发现，纳米羟基磷灰石粒子通过激活Caspase凋亡通路与线粒体凋亡通路，促进了肝癌细胞HepG2的凋亡。线粒体在细胞凋亡过程中具有至关重要的作用，它是细胞生命活动的控制枢纽，不仅掌控着细胞能量代谢，还是细胞凋亡的调控中心。其中Bcl-2和Bax是调节线粒体凋亡通路的重要蛋白。Caspase家族在介导细胞凋亡的过程中同样具有重要作用，其中Caspase-3为关键的执行分子，它在凋亡信号传导的许多途径中发挥功能。在凋亡的早期阶段，Caspase-3被激活，裂解相应的胞质胞核底物，最终导致细胞凋亡（图1-18）。这些研究表明，调控细胞凋亡通路和影响细胞相关蛋白合成可能是纳米羟基磷灰石粒子抗肿瘤的主要机制，对探索纳米材料应用于抗肿瘤治疗具有重要意义。

图1-18　纳米羟基磷灰石可选择性抑制肿瘤细胞增殖，对正常细胞增殖无影响

500μg/ml纳米羟基磷灰石粒子，48小时共培养后对不同肿瘤细胞（A375、SK-MEL-28、MG63、TE 354.T、VX2）及正常细胞（HSF、HaCat、MSC、osteoblast、L929）的抑制率；纯多孔钛骨修复支架植入2～5周后，支架旁肿瘤体积不断长大，支架孔内渗入大量肿瘤细胞（蓝色），而纳米羟基磷灰石涂层多孔钛支架植入后，支架旁肿瘤体积不变，支架孔内无肿瘤细胞，出现新生骨组织（红色）。*.相较对照组有显著差异（P<0.05）。

图1-19　模拟体液浸泡3天后，微米晶粒双向磷酸钙陶瓷（BCP-G）表面有少量类骨磷灰石形成，而成骨性更强的纳米双向磷酸钙陶瓷（BCP-N）表面有大量类骨磷灰石形成

磷酸钙生物材料对于成骨的促进作用已被广泛地证实。研究发现，纳米晶的磷酸钙陶瓷较微米晶材料可以显著地上调细胞成骨基因表达（图1-19）。纳米磷酸钙粒子由于结晶的不完整性，更易于降解为钙、磷粒子，从而为成骨细胞增殖提供营养。纳米粒子对于细胞增殖和凋亡的选择性作用具有重要的临床应用价值，可望发展出兼具组织再生和重大疾病防治功能的生物材料。