综述:共价有机框架作为多功能纳米平台在精准癌症治疗中的应用:设计原则、应用前景与未来发展

《Coordination Chemistry Reviews》:Covalent organic frameworks as multifunctional nanoplatforms for precise cancer therapy: design principles, applications, and future perspectives

【字体: 时间:2025年10月17日 来源:Coordination Chemistry Reviews 23.5

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  肿瘤治疗面临系统毒性、靶向性不足和耐药性问题,共价有机框架(COFs)凭借可调孔隙结构、高结晶性和化学稳定性成为新型纳米平台。COFs可集成光热/光动力、超声动力、酶催化及免疫调节等多模态治疗,同时作为高效载体实现药物精准递送与协同作用。

  
张宝刚|苏曦|康菊|陈龙
吉林大学中日联合医院内镜中心,中国长春130033

摘要

癌症仍然是一个重大的全球健康挑战,因为现有的治疗方法受到系统毒性、特异性有限以及耐药性出现等因素的限制。传统的纳米载体往往难以克服肿瘤异质性、多重耐药性、免疫抑制性微环境以及多模式治疗整合等重大障碍,从而限制了其整体临床疗效。在这种背景下,共价有机框架(COFs)——一类由轻元素通过强共价键构成的结晶多孔材料——作为一种多功能平台应运而生,其特点是孔隙率可调、结晶度高且化学稳定性优异。它们可调的框架结构有助于实现多功能整合,实现精确的肿瘤靶向、可控的药物释放和协同的多模式治疗。本综述总结了COFs在肿瘤治疗中的设计原理和多样化应用,涵盖了多种治疗方式。接下来,我们系统地介绍了COFs作为生物分子载体的能力,强调了它们的优异负载能力和生物相容性。此外,我们还探讨了基于COFs的多功能治疗平台的开发,重点关注其在联合治疗、纳米诊疗和纳米酶方面的创新应用。最后提供了简洁的总结和展望。

引言

癌症仍然是一个严重的全球健康负担,每年约有1930万新病例和近1000万死亡病例[[1], [2], [3], [4]]。尽管包括手术、化疗和放疗在内的传统治疗方法取得了一定的进展,但其临床疗效受到系统毒性、缺乏肿瘤特异性以及多重耐药性和缺氧驱动的放射抵抗等内在耐药机制的根本限制[5,6]。免疫疗法已经改变了肿瘤治疗模式;然而,由于其较低的响应率和与免疫相关的毒性以及肿瘤微环境的免疫抑制性质,其广泛应用受到了限制[7,8]。总体而言,这些限制凸显了迫切需要开发新的治疗策略,以提高肿瘤选择性、减少脱靶效应并克服耐药机制。
纳米医学为克服这些挑战提供了有希望的途径[[9], [10], [11], [12]]。具体来说,工程化的纳米颗粒可以通过增强局部浓度、延长循环半衰期和促进肿瘤积聚来改善药物递送,这主要得益于增强的渗透性和滞留效应(EPR)[13,14]。然而,传统的纳米药物(包括脂质体、聚合物纳米颗粒和金属有机框架(MOFs)存在显著的限制,如药物负载能力有限、靶向效率低、金属离子泄漏或载体不稳定带来的潜在生物相容性问题,以及在单一平台上整合多模式诊断和治疗功能的挑战[15,16]。这些限制凸显了开发精确设计、生物相容性和多功能纳米平台的必要性。
共价有机框架(COFs)是一类旨在克服这些限制的结晶多孔材料(表1)[[17], [18], [19], [20]]。COFs由通过强共价键连接的轻元素组成,具有明确的结构、优异的孔隙率、可调的孔径几何形状以及出色的化学/热稳定性[[21], [22], [23], [24]]。它们的关键优势在于内在的结构可设计性和分子层面的多功能整合。COFs定义明确的大孔为高容量负载多种生物分子提供了理想的结构,包括化疗药物、光敏剂(PSs)、酶和放射敏化剂;丰富的内部表面和可修饰的功能基团促进了复杂的合成后工程[[25], [26], [27], [28]]。这种结构模块化使得COFs能够作为多功能纳米平台,超越传统的单一疗法。重要的是,COFs允许多种模式治疗的无缝融合,包括光动力/光热疗法(PDT/PTT)、化学动力学疗法(CDT)和酶驱动的干预[[29], [30], [31], [32]]。此外,COFs可以通过诱导免疫原性细胞死亡(ICD)或递送免疫佐剂来重新编程免疫抑制的肿瘤微环境,从而增强协同免疫疗法的效果[33,34]。
尽管具有这些有前景的特性,基于COFs的纳米药物的合理从头设计仍处于初级阶段,指导原则尚未完全阐明。本综述总结了COFs在肿瘤治疗中的设计原理和多样化应用,涵盖了PTT、PDT、声动力疗法(SDT)和放疗等多种治疗方式。接下来,我们系统地介绍了COFs作为生物分子载体的能力,强调了它们的优异负载能力和生物相容性。此外,我们还探讨了基于COFs的多功能治疗平台的开发,重点关注其在联合治疗、纳米诊疗和纳米酶方面的创新应用。最后提供了简洁的总结和展望。

部分摘录

COFs在肿瘤治疗中的设计原理和应用

利用其结构精确性、优异的孔隙率和化学可调性,COFs成为下一代肿瘤治疗纳米平台[35,36]。它们的结晶框架和明确的孔径能够实现高容量的治疗负载,并携带克服传统治疗限制的功能基团(图1)。本节总结了基于COFs的纳米医学背后的合理设计原理及其在PTT、PDT、SDT等领域的应用。

基于COFs的生物分子载体

除了直接的治疗应用外,COFs还因其有序的多孔结构和较大的表面积而表现出作为药物、酶和催化剂载体的优异能力[94]。它们在系统运输过程中的结构稳定性,加上递送后的可降解性,使其成为通过宿主-客体相互作用进行靶向分子传输的理想平台[94]。以下部分重点讨论了COFs在肿瘤治疗中的载体应用,包括药物递送、酶

基于COFs的多功能治疗平台

近年来,基于COFs的多功能治疗平台作为纳米医学领域的革命性进展而出现[113,114]。通过将COFs的固有结构优势与多种功能模块(如靶向配体、纳米酶和光敏剂)相结合,这些平台实现了高效协同的肿瘤治疗,超越了单一模式治疗的局限[115]。

总结与展望

总之,COFs被认为是一类多功能且具有潜力的纳米材料,适用于肿瘤治疗,这归功于其独特的结构模块性、可调的孔隙率和优异的生物相容性。本综述简要讨论了COFs的合理设计原理及其多样的生物医学应用。此外,还强调了COFs作为药物、酶和生物大分子的高效载体的能力,以及多功能治疗平台的开发。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国吉林省自然科学基金YDZJ202501ZYTS112)的财政支持。
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