《Biomacromolecules》：Self-Assembled Nanomaterials for ER-Targeted Cancer Therapy: From Molecular Design to Therapeutic Applications
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本文综述了自组装纳米材料在癌症内质网（ER）靶向治疗中的最新进展，涵盖原位组装与预组装两种核心策略。文章系统阐述了如何利用肽、聚合物和小分子等构建单元，通过响应肿瘤微环境刺激（如酶、GSH、pH）实现ER精准定位，从而诱导内质网应激（ERS）、未折叠蛋白反应（UPR）和免疫原性细胞死亡（ICD），为开发高效低毒的精准癌症疗法提供了创新思路与设计框架。
癌症细胞因其旺盛的代谢需求和氧化压力，长期处于内质网应激状态，并通过重编程相关通路来支持其生长、存活和耐药。这种独特的状态使内质网成为一个极具潜力的癌症治疗靶点。近年来，自组装纳米材料凭借其可精准定位至亚细胞器的优势，在ER靶向癌症治疗领域展现出巨大前景。它们主要通过非共价相互作用（如静电、氢键、疏水、π-π堆积）自发组装成结构明确的纳米粒子、纤维或其他形态，其组装过程可通过选择合适的单体（构建单元）和控制环境条件（如pH、酶活性、活性氧、谷胱甘肽浓度）进行精细调控，从而实现对特定细胞内刺激的响应。
1. 靶向内质网的策略
高效的ER靶向是治疗成功的关键。目前主要有四种机制：被动积累、配体/肽介导靶向、应激诱导滞留和摄取后原位组装。小分子配体（如含磺酰胺基团的分子）凭借其对磺酰脲受体的亲和力实现ER靶向。肽序列，如KDEL（Lys-Asp-Glu-Leu）可通过结合KDEL受体并利用COPI介导的逆向转运途径促进ER定位；而阳离子多肽Pardaxin（FAL）则通过非溶酶体的细胞内运输途径直接靶向ER。此外，还可利用ER驻留酶（如羧酸酯酶）的活性，通过水解酯或酰胺键的前药，实现治疗载荷在ER内的位点特异性积累。这些策略为设计杂化自组装系统提供了清晰的分类，避免了概念混淆，并展示了从被动进入到配体定位，再到应激滞留，最终在ER原位激活的协同顺序，是理想的混合自组装设计基础。
2. 自组装纳米材料的治疗应用
根据组装行为，用于ER靶向治疗的自组装纳米材料主要分为两大类：原位组装系统和预组装纳米结构。每种方法都利用肽、聚合物或小分子等构建单元，具有独特优势。
2.1. 用于ER靶向癌症治疗的原位组装
原位组装是指由癌细胞中普遍存在的特定内源性线索引导，直接在细胞或亚细胞环境中触发形成纳米结构。该策略利用病理性特征，如异常的酶活性、活性氧水平升高、酸性pH、异常氧化还原电位和内质网应激，来启动生物可利用前体（肽、聚合物或小分子）向功能活性纳米结构的受控转化。在ER靶向癌症治疗中，原位组装具有多种优势，包括实现对ER的精准靶向、防止脱靶效应、通过多价性和增强滞留实现更强结合、刺激引导治疗剂激活、诱导内质网应激作为癌症治疗策略，以及作为多功能递送平台用于联合疗法。
肽基原位组装策略
肽构建基元（通常是短的可编程序列）的原位自组装能够在细胞内靶点（如ER）以高时空精度形成多样且结构明确的纳米结构。这些组装由局部刺激触发，包括氧化还原梯度、酶活性或pH变化。关键优势包括固有的生物相容性、可与ER靶向基序结合的可调化学性质，以及在单一平台内共递送治疗剂和成像探针的能力。例如，Xu等人报道了酶指导的自组装，利用碱性磷酸酶介导的去磷酸化反应，引导磷酸化肽前体在活细胞内形成超分子纳米纤维网络，并主要定位于ER区域。他们后来将该系统发展为短肽的超分子原位组装，以破坏细胞膜并靶向ER进行癌症治疗。该肽包含一个生物稳定的NapFF自组装基序、一个D-磷酸酪氨酸ALP底物和一个用于膜相互作用的精氨酸残基。酶促去磷酸化将前体转化为新月形纳米结构，与膜牢固结合，诱导LDH释放，优先积累于ER，并显示出高细胞毒性。蛋白质印迹分析进一步揭示了BiP、IRE1α和CHOP表达增加，证实了ER应激介导的癌细胞功能障碍。
小分子基原位组装策略
与肽基方法类似，小分子原位自组装作为一种灵活且可定制的ER靶向癌症治疗策略也备受关注。这些小分子经过工程设计，具有特定的化学特征，可响应细胞内触发因素，从而在ER内实现受控组装。这种组装会破坏蛋白质稳态、调节酶传感或激活细胞死亡途径。由于其结构多样性、易于合成和可调节的药代动力学，小分子成为开发各种有效疗法的肽基系统的有力补充。例如，Xu等人通过引入刚性芳香族氨基酸4,4′-联苯丙氨酸来促进细胞摄取和自组装，设计了一种磷酸酶响应的小分子前体。在癌细胞中经碱性磷酸酶介导去磷酸化后，该前体自组装成纳米纤维/纳米带，定位于骨肉瘤/前列腺癌细胞的ER或VCaP细胞的溶酶体，而D型类似物显示出更强的抗癌活性，突出了BiP识别和立体化学在细胞内组装和细胞器靶向抑制中的作用。
2.2. 用于ER靶向癌症治疗的预组装纳米结构
预组装纳米结构是在给药前，在严格控制的物理化学条件下构建的工程化纳米材料。与依赖内部生物刺激的原位自组装不同，这些系统是在体外形成的，从而可以精确控制颗粒大小、形态、表面电荷和载药效率等参数。这种控制水平增强了生物系统中的重现性、结构均匀性和治疗可预测性。这些纳米结构的稳定性和结构源于精心设计的非共价相互作用，包括氢键、π-π堆积、疏水效应和静电吸引。在制造过程中调整这些相互作用可以形成热力学稳定和动力学有弹性的组装体。预组装系统可由多种分子构建单元制造，包括肽、聚合物和小分子，每种类型都具有独特的优势，这种组成多样性使得纳米结构行为能够被精确调整以满足特定的治疗需求和递送挑战。
肽基预组装策略
预组装的肽基纳米结构为ER靶向癌症治疗提供了一个多功能且强大的平台。由于其序列定义的模块化和生物相容性，肽很容易通过氢键、疏水相互作用和静电力自组装成纳米纤维、纳米粒子或其他超分子结构。为了实现ER定位，需要结合靶向基序，如KDEL序列、磺酰胺基团或阳离子残基，通过受体相互作用或静电亲和力促进滞留。一旦被递送到ER，这些组装体可以破坏蛋白质稳态，激活未折叠蛋白反应，并诱导ER应激介导的细胞凋亡或ICD。与其他材料相比，肽基系统独特地结合了生物特异性、结构精确性和响应性，使其成为亚细胞靶向的理想选择。例如，Yu及其同事开发了一种多功能肽基预组装策略，可持续放大ER应激，使癌细胞对化疗敏感。一个双肽系统共同组装成富含β-折叠的纳米纤维，其带有疏水片段和用于ER滞留的KDEL基序，诱导错误折叠蛋白积累并上调GRP78、IRE1α和CHOP。虽然纳米纤维本身仅显示出中等的细胞毒性，但它们与IRE1抑制剂TOY的组合可阻断适应性UPR信号传导，并将ER应激转向促凋亡途径，显着增强化疗诱导的细胞凋亡。
聚合物基预组装策略
聚合物自组装纳米材料因其可定制的结构、多功能特性和与生物系统的良好相容性，可作为将药物递送至特定细胞器的适应性强且高效的载体。通过整合ER的靶向部分，这些聚合物可以选择性地将治疗剂直接转运至癌细胞内的ER。此类聚合物递送系统提供精确的亚细胞靶向，实现药物的受控释放，并触发对诱导癌细胞凋亡至关重要的ER应激通路。它们提高细胞摄取同时减少非预期作用的能力，使其成为解决以ER为重点的癌症治疗的有希望的候选者。这些聚合物通常具有pH响应性基团，在生理pH值下保持亲水性以稳定循环，但在酸性内吞体中质子化，转变为疏水状态，从而触发在逃逸后递送至ER的解组装或自组装。在ER界面，这会暴露出多价ER靶向配体，增强滞留和应激诱导。例如，Chen等人开发了一种超pH敏感性聚合物-PPa偶联物，其在pH 7.4时形成“关闭状态”的胶束，并在轻度酸性、组织蛋白酶B丰富的内体/溶酶体中迅速解组装，释放出ER靶向的PPa衍生物。这种从溶酶体到ER的运输实现了光触发的ER应激、Ca2+失调和caspase-3/GSDME依赖性焦亡，与溶酶体滞留类似物的比较表明，在聚合物/连接子水平编码ER定位对于将弱I型ICD转化为强效II型ICD和强大的抗肿瘤免疫力至关重要。
小分子基预组装策略
与肽和聚合物基预组装相比，小分子基纳米结构具有其独特的优势，源于其低分子量、合成易处理性和结构简单性。这些特性允许精确控制药代动力学和超分子组织。小分子通常具有芳香核和两亲性基团，可驱动自发自组装成明确的纳米结构，如胶束、囊泡或纳米纤维。其紧凑的尺寸有利于快速的细胞内运输，而配备ER靶向配体的π-共轭支架能够实现ER内的选择性定位，从而提高治疗特异性。例如，Basu等人开发了一种小分子两亲物，其可自组装成能够稳定负载疏水性药物（如17-AAG）的纳米颗粒。细胞摄取后，这些纳米颗粒定位于ER，释放的17-AAG抑制HSP90，驱动错误折叠蛋白积累并诱导细胞凋亡，说明了合理的自组装如何实现ER靶向癌症治疗。在另一项研究中，该小组还通过三嗪支架和5-氟尿嘧啶之间的氢键共组装开发了一个超分子纳米平台，产生六聚体玫瑰花结，进而组装成均匀的纳米颗粒。通过π-π堆积和定向氢键，该系统实现了精确的架构和ER靶向递送。在ER积累后，通过ER应激诱导细胞凋亡和自噬。与常规载体不同，该设计利用分子识别实现受控组装和功能。
3. 挑战与未来展望
自组装纳米材料已通过精确破坏内质网稳态，成为内质网靶向癌症治疗的多功能平台。由酶、氧化还原梯度、pH变化等细胞内刺激触发的原位组装，与在体外工程化的预组装纳米结构，为选择性ER定位提供了互补的方法，同时最大限度地减少了全身毒性。然而，两种策略都面临关键的局限性，需要进行平衡评估。
原位组装策略具有出色的时空精度，但其前体在循环过程中保持溶解状态，然后在癌细胞内选择性地形成纳米纤维、片层或胶束。然而，其关键缺点包括：由于肿瘤间酶表达差异导致的动力学异质性、在共享这些刺激的炎症正常组织中存在过早激活风险、前体稳定性低易受血清酯酶和蛋白酶影响、批次间重现性可变，以及由于未确定的最大耐受剂量导致的治疗窗口狭窄。酶指导系统受限于底物特异性和内源性底物的竞争性抑制，氧化还原响应策略面临过度还原耗尽GSH库以及与细胞外硫醇的交叉反应，而pH/酶混合系统则在中性ER腔中遇到缓冲限制。
相比之下，预组装纳米结构通过精确的体外尺寸、多分散指数、Zeta电位和形态控制，提供了卓越的结构重现性。聚乙二醇化可实现更长的循环时间，而标准化的配体展示确保了可靠的ER靶向。然而，这些系统面临巨大的局限性，包括良好生产规范下的可扩展性瓶颈、内吞体滞留导致摄取后有效载荷被困、合成聚合物引发补体激活的免疫原性、高生产成本，以及由于生理剪切应力下解组装动力学不明确导致的转化障碍。
超分子大分子的转化挑战在多个维度上仍然很大。可扩展性要求原位系统具有超高纯度的前体，以及用于临床规模预组装生产的连续流反应器。重现性具有挑战性，因为非共价组装关键取决于微环境因素，包括pH、GSH水平和温度波动，因此需要标准化的表征方案。药代动力学存在进一步障碍，如前体的快速肾脏清除和组装体的网状内皮系统摄取，而内吞体屏障严重限制了从细胞质到ER的递送效率。毒性问题包括ER超载在健康组织中引发脱靶UPR、持久性纳米纤维的潜在遗传毒性，以及聚合物成分通过补体激活和Toll样受体信号传导引发的先天免疫激活。监管要求提出了前所未有的要求，包括全面的组装/解组装动力学、代谢物分析和长期稳定性表征，而目前的国际标准缺乏针对超分子的具体标准。
未来的研究必须通过混合架构策略性地解决这些局限性，例如结合释放原位前体的预组装载体、具有在线光谱质量控制的精密微流控制造、结合计算药代动力学建模的预测性类器官平台、实现毒性缓解的可生物降解基序，以及促进监管批准的标准纳米医学表征档案。对这些战略权衡（既承认显著的前景，也承认关键的局限性）的严格评估，将引导自组装纳米材料从复杂的临床前工具走向临床可行的ER靶向疗法。
