金属-有机框架材料在癌症诊疗中的应用

doi:10.7503/cjcu20220575

摘要/Abstract

摘要：

成像技术的迅速发展使科学家和临床医生能够准确地了解癌症的发病机制和病理过程, 并根据患者的情况制定个性化的治疗策略. 将各种成像与治疗试剂整合为一体的癌症诊疗平台, 可以同时用于癌症的诊断和治疗, 受到了广泛的关注. 金属-有机框架材料(MOFs)是由有机配体和金属离子/离子簇自组装而成的一种有趣而独特的多孔有机-无机杂化材料. 由于其易于后修饰、孔隙和结构可设计、功能可调等特点, 已被证明具有成为癌症诊疗药物负载平台的巨大潜力. 本文介绍了将诊疗药物负载到MOFs中的策略, 并综合评述了在磁共振成像、计算机断层扫描成像、正电子发射断层扫描成像、光学成像和光声成像等多种成像技术指导下, MOFs作为癌症诊断和治疗平台的发展概况. 此外, 还讨论了MOFs在癌症诊疗和临床转化方面当前面临的挑战和发展前景.

关键词: 癌症诊疗, 金属-有机框架材料, 成像, 纳米药物

Abstract:

The rapid development of imaging technologies allows scientists and clinicians to understand the pathogenesis and pathological processes of cancer accurately and to personalize treatment strategies based on a patient’s condition. Cancer theranostic platforms combining various imaging and therapeutic agents into one entity for the diagnosis and treatment of cancer simultaneously have attracted great attention and been widely studied. Metal-organic frameworks（MOFs） are an interesting and unique porous organic-inorganic hybrid materials constructed by the self-assembly of organic linkers and metal ions/ion clusters. It has demonstrated great potential to be a platform for carrying cancer theranostic agents due to its unique characteristics， such as easy post-modification， adjustable porosity， tunable functionality， and designable topology. In this review， we focused on the strategies of incorporating theranostic agents into MOFs carriers and summarized the developments of MOFs as cancer theranostic platforms for diagnosis and treatment of cancer guided by various imaging technologies， including magnetic resonance imaging， X-ray computed tomography imaging， positron emission tomography imaging， optical imaging， and photoacoustic imaging. Moreover， the current challenges and perspectives of MOFs for cancer theranostics and their clinical translation were also addressed.

Key words: Cancer theranostics, Metal-organic frameworks, Imaging, Nanomedicine

中图分类号:

O611

TrendMD:

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图/表 12

Fig.1 Schematic illustration of MOFs as cancer theranostic nanoplatforms

Fig.2 Four common strategies for loading theranostic agents into MOFs

Fig.3 MRI imaging properties of ([Mn2(Cmdcp)2(H2O)2]·H2O) n (1) and [Gd(Cmdcp)(H2O)3](NO3)·3H2O) n[43]（A） T1-weighted MRI images of ｛［Mn2（Cmdcp）2（H2O）2］·H2O｝ n （1），｛［Gd（Cmdcp）（H2O）3］（NO3）·3H2O｝ n （2） and Gd-DTPA of varying concentrations in water；（B） 1/T1-concentration plots of ｛［Mn2（Cmdcp）2（H2O）2］·H2O｝ n （1），｛［Gd（Cmdcp）（H2O）3］（NO3）·3H2O｝ n （2） and Gd-DTPA；（C） MR signal intensity from a dynamic study of normal kidneys after intravenous administration of ｛［Mn2（Cmdcp）2（H2O）2］·H2O｝ n （1）.Copyright 2017， American Chemical Society.

Fig.4 CT imaging properties of UiO⁃PDT[55]（A） Schematic diagram of the fabrication of UiO-PDT and its application for CT imaging in rat orthotopic hepatoma model；（B） relations between CT values of UiO-PDT and its different concentrations.Copyright 2017， the Royal Society of Chemistry.

Fig.5 Synthesis and PET imaging properties of 89Zr⁃UiO⁃66/Py⁃PGA⁃PEG⁃F3[58]（A） Scheme for the synthesis of 89Zr-UiO-66/Py-PGA-PEG-F3 conjugates；（B） coronal PET images of MDA-MB-231 tumour bearing mice at different time points after being injected with 89Zr-UiO-66/Py-PGA-PEG-F3， 89Zr-UiO-66/Py-PGA-PEG， and 89Zr-UiO-66/Py-PGA-PEG-F3 with excess F3 peptide for blocking.Copyright 2017， American Chemistry Society.

Fig.6 Schematic illustration of the synthesis process and theranostic features of A⁃NUiO@DCDA@ZIF⁃Cu[66]（A） Synthesis process of A-NUiO@DCDA@ZIF-Cu；（B） A-NUiO@DCDA@ZIF-Cu features relating to TME stimuli-responses， enhancing tumor accumulation， and combination therapy.Copyright 2022， American Chemical Society.

Fig.7 Synthesis, PA imaging and tumor therapy properties of DBBC⁃UiO[70]（A） Schematic illustration of the preparation of DBBC-UiO and its application for PA imaging and tumor therapy；（B） the concentration-dependent PAI of DBBC-UiO in vitro and in vivo PAI with and without injection of DBBC-UiO；（C） photographs of tumor-bearing mice received different treatments after 15 d.Copyright 2019， Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA， Weinheim.

Fig.8 Synthesis, MRI imaging and chemotherapy properties of Fe3O4@UiO⁃66@WP6[71]（A） Schematic description of the construction of Fe3O4@UiO-66@WP6 and the application for MRI and chemotherapy；（B） magnetic hysteresis curves of Fe3O4 NPs（black） and 5-Fu-loaded Fe3O4@UiO-66@WP6（red）， and T2-weighted transverse relaxivity of Fe3O4@UiO-66@WP6 with a series of Fe concentrations.Copyright 2018， Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA， Weinheim.

Fig.10 Synthesis, PA imaging and chemo/photothermal tumor therapy properties of MCH NPs[79]（A） Schematic illustration for the construction and applications of MIL-100（Fe） for photoacoustic imaging-guided chemo-/photothermal combinational tumour therapy；（B） PA intensity of the nanoparticles at different concentrations；（C） corresponding in vitro PA images；（D） PA images of HeLa tumour-bearing mice at different time points after intravenous injection with the nanoparticles.Copyright 2018， American Chemical Society.

Fig.11 Synthesis, MRI imaging and PDT properties of MCOPP⁃Ce6[81]（A） Synthesis procedure of MCOPP nanozyme and postloading of Ce6 photosensitizer；（B） schematic illustration of mesoporous MCOPP nanozyme for enhanced PDT of cancer；（C） ESR spectra of 1O2 trapped by TEMP after different treatments under near- infrared irradiation；（D） T2-weighted magnetic resonance imaging of murine breast tumor-bearing mouse after administration of MCOPP nanozyme. Tumor is marked with white dashed line.Copyright 2019， Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA， Weinheim.

Fig.12 Synthesis, PA imaging and PDT/PTT tumor therapy properties of ZCNs[83]（A） Schematic representation of the synthesis and applications of ZIF-8-derived carbon nanoparticles（ZCNs） for PAI-guided photothermal/photodynamic combined therapy；（B） PA imaging of A549 tumour-bearing mice at different times after intravenous injection with ZCNs. The images display the tumour region of the mice.Copyright 2018， American Chemical Society.

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