氧化铈纳米材料的合成及其在癌症治疗方面的研究进展

氧化铈纳米材料的合成及其在癌症治疗方面的研究进展

作者：杨馨雨林焦敏杨仕平

来源：《上海师范大学学报·自然科学版》2021年第06期

摘要：近年来，氧化铈纳米颗粒（CeO2 NPs）材料的合成及其在生物医学，尤其是在癌症治疗方面的应用研究引起了研究者们的广泛关注.一方面，CeO2 NPs对癌细胞具有明显的细胞毒性，能用于光动力治疗（PDT）和化学药物治疗（CHT）等方面，并且能够使癌细胞对放射治疗（RT）敏感;另一方面，CeO2 NPs能保护正常细胞，具有抗氧化活性.这种具有差异细胞毒性的材料为开发新型癌症治疗试剂提供了新的思路.文章系统地介绍了近年来CeO2 NPs的合成及其在癌症治疗方面的研究进展，希望对该材料将来的研究工作起到一定推动作用.

关键词：氧化铈纳米颗粒（CeO2 NPs）; 光动力治疗（PDT）; 放射治疗（RT）; 联合治疗

中图分类号： O 611.62 文献标志码： A 文章编号： 1000-5137（2021）06-0754-10

Abstract： In recent years， the synthesis of cerium oxide nanoparticles（CeO2 NPs） and their application in biomedicine， especially in cancer treatment， have attracted wide attention from scientists. On the one hand， with obvious cytotoxicity to cancer cells， CeO2 NPs can be used in photodynamic therapy（PDT）， chemotherapy（CHT）， etc， and can make cancer cells sensitive to radiotherapy（RT）. On the other hand， CeO2 NPs can protect normal cells and have antioxidant activity. The material with differential cytotoxicity provides a new idea for the

development of cancer treatment reagents. The synthesis of CeO2 NPs in recent years and the research progress in cancer treatment are summarized.

Key words： cerium oxide nanoparticles（CeO2 NPs）; photodynamic therapy（PDT）; radiotherapy（RT）; synergistic therapy

0 引言

稀土元素具有鑭系收缩现象，即镧系元素的原子半径和离子半径，在总的趋势上随着原子序数的增大而减小.稀土元素的许多通性是电子层结构的反映，其独特的电子构型使其出现独特的光电磁现象.例如，丰富的可跃迁的电子能级和长寿命的激发态能级能使其产生可见‒红外发射光谱.由于稀土元素具备特殊的4f电子排布，其纳米氧化物在癌症治疗方面引起了极大的关注，氧化铈纳米颗粒（CeO2 NPs）便是其中之一.CeO2 NPs在工业上被用作催化剂、紫外线吸收剂和抛光材料，同时也是气体传感器、光学设备、燃料电池的重要成分[1].由于价格低廉且具有高附加值的特性，吸引了科学家将它应用于癌症治疗方面，其在光动力治疗（PDT）[2]、光热治疗（PTT）[3]、化学药物治疗（CHT）[4]和放射治疗（RT）[5]等癌症治疗方面显示出广阔的应用前景.

1 二氧化铈（CeO2）的结构与特点

铈（Ce）是稀土元素中含量最为丰富的元素，CeO2是Ce最稳定的存在形式，具有萤石结构[4].有趣的是，Ce3+/Ce4+氧化还原对共存于CeO2表面，随着Ce3+被氧化成Ce4+，在CeO2表面产生了氧空位，这些氧缺陷可以成为催化活性的位点，并随着颗粒尺寸的减小而增加.混合价态的存在以及氧缺陷的特性使其在癌症治疗的氧化和抗氧化等方面产生重要的作用[6].

研究表明，活性氧（ROS）既可以驱动癌症发展的进程，又可以下调与自由基产生反应的抗氧化酶的水平.因此，在健康细胞中ROS的细胞水平受到严格控制.CeO2 NPs由于具有

Ce3+/Ce4+共存以及氧缺陷的特性，能调节细胞的氧化还原状态，被用于治疗ROS水平失调的疾病 [5，7].有文献指出，CeO2 NPs既对癌细胞具有先天的细胞毒性，又具有抗侵袭性[8]，能保护正常组织.聚合物涂布的CeO2 NPs可通过肿瘤‒基质相互作用来杀死癌症细胞，并抑制肿瘤转移进程.无化学修饰的CeO2 NPs可通过启动线粒体介导的凋亡信号通路来诱导肿瘤细胞的凋亡[3].

CeO2 NPs通过转换Ce3+/Ce4+两种价态，可以像金属酶一样作用.一方面，CeO2将Ce3+转换为Ce4+，并将超氧化物还原为过氧化氢（H2O2），它可以像超氧化物歧化酶（SOD）一样发挥作用，减少羟基自由基（·OH）和超氧自由基（·O2-）等自由基的含量[9].多项研究表明，CeO2 NPs的抗氧化活性可用于减轻ROS介导的疾病，例如糖尿病、慢性炎症、神经退行性疾病、视网膜炎和癌症等[10].另一方面，CeO2 NPs可作为过氧化物酶，Ce4+在中性环境下

可以促进H2O2分解，生成水（H2O）和氧气（O2）.其中，pH值是决定CeO2 NPs在肿瘤中充当氧化剂还是抗氧化剂的条件之一，在酸性环境下它促进H2O2分解生成·OH等自由基[11].由于在肿瘤微环境中H2O2是过表达和呈现酸性的，这使CeO2 NPs可以作为一种有效的化学动力学试剂来对抗肿瘤，而不会对正常组织造成额外的毒性，因而在癌细胞中起氧化剂作用，在正常细胞中起抗氧化剂的作用，具有差异细胞毒性[12].此外，铈离子的价态循环，可以在体内长时间发挥生物活性，因而可以通过极少的剂量实现最优的效果.

2 CeO2的制备方法

目前，制备CeO2 NPs的方法可以分为固相法、液相法和气相法.其中液相法是制备该材料的主要方法.液相法是通过控制液相体系中的化学反应条件（反应物浓度、反应温度、反应pH 值、反应时间和搅拌速度等）来形成前驱体的方法，主要包括化学沉淀法、喷雾热分解法、电化学法、微波法、溶剂热法、溶胶‒凝胶法、水热法、喷雾反应法、超声波化学法、微乳液法等，其中沉淀法是目前制备CeO2的主要方法.此外，其他液相法如模板法、溶胶‒凝胶法、水热法等也被广泛利用[13].相比于固相法和气相法，液相法具有成本低、工艺及设备简单、成核快、易控制、产量高、产品纯度高等一系列优点，因此在工业化生产和实验室科研中是制备CeO2 NPs的首选方法.

沉淀法[14]是一种用沉淀操作从溶液中制备纳米量级水不溶化合物的液相制备方法.沉淀法具有操作简单、对设备技术要求较低、产品纯度高和成本较低的优点.例如NOURMOHAMMADI[1]通过共沉淀法合成了CeO2 NPs，将固体硝酸铈（Ce（NO3）3）溶解于去离子水中，并添加硝酸（HNO3）和氨水（NH3·H2O），将pH值维持在10左右进行沉淀，洗涤、干燥、煅烧后制备出平均直径为31.84 nm的CeO2 NPs.粉末X射线衍射（PXRD）图谱中的布拉格峰显示的米勒指数为（111），（200），（220），（311），（222），（400），（331），（420）和（422），可以以萤石立方结构进行索引.

另外模板法也常用于制备CeO2 NPs.例如XU等[15]采用模板法制备了中空的CeO2 NPs，其以145 nm左右的二氧化硅（SiO2）球为模板，将Ce（NO3）3·6H2O加入到SiO2纳米球和聚乙烯吡咯烷酮的混合水溶液中，收集沉淀并在氩气（Ar）中煅烧后，得到CeO2沉积在

SiO2表面的纳米球.用2 mol·L-1的氢氧化钠（NaOH）溶液蚀刻SiO2模板，并用去离子水洗涤数次，在60 ℃下干燥后得到了直径为（170±12） nm的空心CeO2 NPs.如图1所示，通过比表面积测试可知，空心CeO2 NPs的比表面积和平均孔径分别为199.13 m2·g-1和3.82 nm，表明了其具有潜在高效的药物传递和释放特性.

3 CeO2 NPs在癌症治疗方面的应用

CeO2 NPs对正常细胞表现出的抗氧化活性以及对癌细胞具有氧化作用的特性，已被广泛应用于肿瘤的CHT，PDT，PTT和RT等研究中.然而单一的治疗方法不足以杀死癌症细胞，联