综述：近年来，在协同化学驱动的金属有机框架（MOFs）领域取得了显著进展，这些框架被用于癌症药物的输送和治疗

《Contraception》：Recent advances in coordination chemistry-driven metal-organic frameworks for cancer drug delivery and therapeutics

MOFs作为新型纳米药物载体，通过独特的孔道结构和刺激响应性克服传统化疗的局限，实现精准递送。其设计结合金属节点与有机配体调控，兼顾高载药率与控释特性，但面临稳定性与生物安全性挑战。本文系统综述MOFs在癌症治疗中的合成策略、递送机制及AI辅助开发进展，探讨多模态治疗与转化医学瓶颈，为下一代智能药物载体开发提供理论框架。

　　

Arzoo Saini|Neelam Yadav

哈里亚纳中央大学跨学科与应用科学学院生物化学系，Jant-Pali，Mahendergarh 123031，印度

摘要

金属有机框架（MOFs）是一种具有多孔结构的晶体材料，展现出独特的配位化学特性。它们在工业、环境和生物医学应用领域受到了广泛关注。作为强大的药物输送系统，MOFs克服了传统癌症治疗的局限性。与传统纳米载体不同，MOFs能够精确控制有机连接剂、金属节点和孔隙环境等要素。这些智能药物输送平台的合理设计使它们能够对内部和外部刺激作出响应。出色的配位化学特性使得MOFs能够实现高药物负载量、同时输送成像和治疗物质、保护药物以及控制药物释放。尽管仍存在一些挑战，但随着研究的进展，MOFs在癌症治疗方面具有巨大的潜力。本文全面讨论了MOFs的配位化学特性，包括其合成方法、药物负载量和释放动力学。此外，文章还详细比较了MOFs在癌症治疗中的应用，以及转化研究和监管方面的情况，并探讨了人工智能（AI）的新兴作用。总体而言，本文旨在为下一代基于MOFs的癌症药物输送系统的未来研究提供全面的见解和路线图。

引言

癌症是全球主要的死亡原因之一。根据国际癌症研究机构（IARC）的最新统计，2022年约有970万人死于癌症[1]。传统癌症治疗的成功常常受到系统毒性、药物耐药性和药代动力学不佳的阻碍[2][3]。对精确药物输送系统的迫切需求推动了金属有机框架（MOFs）作为合适纳米载体的探索[4]。MOFs是一类具有晶体多孔结构的材料，其中金属离子或簇通过强配位键与称为连接剂的有机配体相连。这种独特的结构使它们比现有的多孔材料具有更好的孔径大小和表面积[5]。金属簇或节点作为配位中心，为氧化还原活性和催化潜力提供了基础。另一方面，有机连接剂提供了结构稳定性、刚性和化学可调性。不同的合成方法赋予MOFs独特的性质，影响其药代动力学潜力。有机和无机成分的互补整合使MOFs成为多种功能应用的理想平台[6]。MOFs在药物输送、生物传感、抗菌涂层、成像和诊疗一体化等领域展现出巨大潜力。MOFs的跨学科应用还扩展到了环境、能源、生物医学和工业领域[7][8]。其出色的可调性、孔隙率和表面化学特性使其成为癌症治疗中理想的药物输送载体。肿瘤微环境可以触发特定于肿瘤特征或外部刺激的复杂释放机制。

MOFs的模块化设计使其成为化疗、基因治疗、免疫治疗甚至联合治疗的理想候选材料。基于配位化学的相互作用使它们比传统纳米载体（如脂质体或其他纳米颗粒）具有明显优势[9]。MOFs具有长程有序性、高表面积、可调孔径和结构均匀性，从而能够精确控制药物封装、释放动力学和高效药物负载。相比之下，聚合物和基于脂质的系统可能存在批次差异和非晶结构[10]。某些MOFs的等网状设计策略可以控制孔径尺寸，这是大多数聚合物和基于二氧化硅的纳米载体无法实现的。此外，可降解金属离子和功能性有机连接剂的整合使MOFs更适合靶向药物输送和响应刺激。由于其物理化学特性，MOFs可以封装多种治疗物质，如药物、核酸、酶和成像探针。尽管有这些优势，MOFs与传统纳米载体相比也存在一些缺点。一些MOFs稳定性有限，导致药物过早释放和框架降解。金属离子毒性、体内清除和生物相容性等问题在MOFs中更为突出。这为开发生物相容性更强、表面功能化或聚合物包覆的MOFs提供了未来研究的方向。这些进展使得MOFs可以作为多模式癌症治疗策略中的单一诊疗平台。配位化学、纳米技术和生物医学工程的进步加速了基于MOFs的纳米载体的发展。尽管仍存在一些监管和转化问题，但未来的创新潜力巨大。

本文对最近开发的基于MOFs的癌症治疗药物输送系统进行了深入、全面和批判性的分析，讨论了其配位化学特性、合成技术、药物负载量和释放机制。文章还涵盖了转化研究和监管方面的内容，以及人工智能（AI）的推动作用。通过整合现有知识并展望未来前景，本文旨在为下一代基于MOFs的癌症治疗提供方向。

MOFs在药物输送中的配位化学基础

MOFs作为慢性疾病治疗的有效药物输送平台的生物医学应用取决于其配位化学特性。与其他纳米载体（如脂质体或聚合物系统）不同，MOFs的结构完整性、稳定性、孔径大小和对外部刺激的响应都由配位化学特性决定。这些特性包括金属节点和有机连接剂的选择，以及它们的配位键的几何结构和稳定性。

基于MOFs的平台在癌症治疗中的应用

癌症是一种多因素疾病，其特征是细胞不受控制地增殖，由遗传、内在和外在因素的复杂相互作用驱动。根据生物学行为和细胞特性，癌症可分为良性肿瘤和恶性肿瘤。良性肿瘤局限于一个部位，而恶性肿瘤倾向于转移或侵犯其他器官。癌症是由多种信号通路和代谢途径的复杂相互作用引起的[51]。

MOFs在药物输送之外的跨学科应用

近年来，MOFs已从多孔晶体材料发展为多功能平台[125]。独特的配位化学、金属节点的选择、配体工程和缺陷工程使得MOFs在结构上和化学上具有高度可调性。这扩展了MOFs的应用范围，使其不仅可用于药物输送，还应用于其他科学领域（如图8所示）。

MOFs的高表面积和有序多孔结构增强了其在生物传感和生物分析中的应用。

MOFs与现有纳米载体的药物输送比较

传统的药物输送系统包括片剂、糖浆、注射剂、胶囊和药膏。这些方法通常存在多种局限性，如生物利用度有限、毒性问题、需要高剂量和重复给药以及相关副作用[135]。近年来，纳米技术催生了诸如脂质体、聚合物纳米颗粒、树状大分子、无机纳米颗粒、MOFs和碳基纳米材料等新型纳米载体[136]。

MOFs在癌症药物输送中的转化研究和监管方面

尽管在开发MOFs作为癌症治疗纳米载体方面取得了显著进展，但将其从实验室应用推向临床应用仍面临挑战[141]。目前大多数MOFs仍处于技术准备阶段（TRL）2-4，仅在体外测试并在小型动物模型中进行评估。部分MOFs正在技术准备阶段5-6进行优化[142]。迄今为止，尚未有已知的基于MOFs的肿瘤学药物输送系统应用于临床。

人工智能（AI）在基于MOFs的癌症药物输送中的作用

AI在MOFs的设计、性能预测和临床转化方面发挥着越来越重要的作用。它改变了传统的试错方法。过去，新MOFs的设计一直受限于化学家的直觉和试错合成。但现在，可以利用机器学习（ML）和AI的数据驱动策略通过高通量虚拟筛选（HTVS）进行MOFs的设计[153]。AI模型可以快速

未来展望

随着配位化学、生物材料科学和精准肿瘤学的快速发展，MOFs在下一代癌症治疗中具有巨大潜力。未来的发展方向将是开发出更加智能和多响应性的MOFs。它们可以对多种肿瘤微环境刺激（如pH值、GSH、ATP水平、酶、ROS、缺氧、乳酸浓度等）作出响应。合理的结构设计可以精细调节这些响应。

结论

传统癌症治疗方法常常存在各种局限性。随着配位化学、纳米技术和精准肿瘤学的进步，这些局限性得到了显著改善。MOFs已成为下一代癌症治疗中最有前景的纳米载体平台之一。配位化学为智能MOF药物输送奠定了基础。不同的合成策略决定了它们的物理化学性质、生物相容性和应用价值。

利益冲突声明

作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：Neelam Yadav表示，哈里亚纳中央大学提供了行政支持。论文发表后不存在任何利益冲突。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

Arzoo Saini和Neelam Yadav衷心感谢印度大学拨款委员会（UGC）提供的初级研究奖学金（UGC-JRF，授权号221610196566），以及Anusandhan国家研究基金会（ANRF）和印度科学技术部（DST）（编号ANRF/ECRG/2024/002226/LS）为本文的发表提供的财务支持。

伦理问题

无需特别说明。