1. 引言
骨肉瘤是最常见的原发性恶性骨肿瘤之一，起源于间充质干细胞，特征是能够直接产生未成熟的类骨样组织。根据全球肿瘤流行病学数据，骨肉瘤的发病率约为每百万人口3~5例，其中青少年(10~20岁)为高发人群，约占全部患者的60%以上，发病部位多集中于长骨干骺端，如股骨远端、胫骨近端和肱骨近端[1]。此外，骨肉瘤在老年人群中也有一定比例发病，常与既往的Paget’s disease或放射暴露史相关[2]。
骨肉瘤的临床表现通常为持续性疼痛、局部肿块、关节活动受限，晚期可出现病理性骨折和远处转移。肺转移是骨肉瘤最常见的转移途径，占比超过80%，而一旦出现肺转移，五年生存率通常低于20% [3]。这表明，即便在综合治疗手段不断发展的今天，骨肉瘤仍是一种预后较差的恶性肿瘤。自20世纪70年代以来，随着多药联合化疗方案的应用(包括高剂量甲氨蝶呤、阿霉素、多柔比星、顺铂和异环磷酰胺等)，骨肉瘤的总体五年生存率已由不足20%提升至约60%~70% [4]。然而，对于存在转移或复发的患者，预后依旧不理想。以2019年美国SEER数据为例，局限性骨肉瘤患者的5年生存率为77%，而有远处转移的患者仅为19% [5]。目前，骨肉瘤的标准治疗模式是“新辅助化疗 + 手术切除 + 辅助化疗”。新辅助化疗的作用在于缩小肿瘤体积，降低手术切缘阳性率，同时为后续药物敏感性评估提供依据；手术切除则是根治性治疗的核心环节；术后辅助化疗则旨在消灭残余的微小病灶。然而，传统化疗药物仍然存在显著不足：1) 药物分布不均与毒副作用大：传统化疗药物通过血液循环在全身分布，缺乏特异性，导致药物在肿瘤组织中的有效浓度不足，而在心脏、肝脏、肾脏等正常组织中富集，诱发严重的毒副反应。例如，阿霉素虽是骨肉瘤一线化疗药物，但其剂量受限于累积性心脏毒性；顺铂的疗效较好，却常导致不可逆的肾功能损伤与听力下降[6]。2) 药代动力学性能差：许多药物如紫杉醇(PTX)溶解度低，体内循环半衰期短，需要使用助溶剂(如Cremophor EL)，进一步增加了过敏反应和毒副作用风险。3) 多重耐药性(multidrug resistance, MDR)：长期化疗会诱导骨肉瘤细胞表达药物外排泵(如P-糖蛋白)，使药物难以在细胞内维持有效浓度。此外，骨肉瘤细胞还可通过上调DNA修复酶和抗凋亡蛋白逃避化疗药物的杀伤作用[7]。4) 生物屏障限制：骨组织特殊的血液供应模式与骨–髓屏障，使得系统给药难以有效到达骨肿瘤部位。大量实验表明，游离药物在骨肿瘤部位的累积量往往不足其总剂量的1%，这也是化疗效果不佳的重要原因之一[8]；在这种背景下，如何提高药物的靶向性、减少毒副作用、延长体内循环时间、克服耐药性，成为骨肉瘤治疗研究的重点。近年来，纳米技术的发展为这一难题提供了新的思路。
纳米药物递送系统的优势主要体现在以下几个方面：1) 增强渗透与滞留效应：由于肿瘤血管通透性增加、淋巴回流受阻，纳米颗粒易在肿瘤部位富集，从而提高局部药物浓度。2) 靶向性递送：通过表面修饰骨靶向分子(如阿仑膦酸、透明质酸)、抗体或肽段，纳米材料能特异识别肿瘤细胞表面受体，实现主动靶向。3) 药物缓释与刺激响应释放：纳米系统可根据肿瘤微环境的pH、酶或温度变化实现控释，提高药物利用效率。4) 克服耐药性：通过高效胞内递送、协同递送siRNA或抑制剂，纳米颗粒可在一定程度上逆转MDR。多功能整合：部分纳米系统不仅能递送药物，还可兼具光热治疗(PTT)、光动力治疗(PDT)或影像学功能，实现诊疗一体化。
以阿霉素(DOX)为例，已有研究表明，DOX包载于PEG修饰的脂质体(Doxil®)后，其血浆半衰期由20分钟延长至55小时以上，在肿瘤局部的药物累积量提升了4~6倍，同时心脏毒性显著降低[9]。这一案例充分体现了纳米技术在优化传统药物方面的潜力。随着材料科学与肿瘤学的交叉融合，研究者已开发出多种类型的纳米材料，包括有机纳米材料(脂质体、高分子、碳基材料)、无机纳米材料(介孔二氧化硅、羟基磷灰石、金属纳米颗粒)等，它们在骨肉瘤化疗中均展现出积极前景。然而，不同研究团队在纳米系统设计、药物负载效率、体内分布、抗肿瘤效果和安全性等方面结果存在差异，尚需系统性总结与对比。因此，本文将综述近十年来纳米材料在骨肉瘤化疗中的研究进展，重点介绍不同类型纳米材料的设计思路、实验结果与临床转化潜力，并对未来的发展方向进行展望。
2. 纳米载体分类与作用机制
骨肉瘤化疗的纳米体系：
1) 有机纳米载体
① 脂质体(Liposomes)是最早进入临床的纳米药物系统。Doxil® (PEG化阿霉素脂质体)已在临床应用多年，能显著降低游离DOX的心脏毒性。研究显示，脂质体包载DOX后其体内循环半衰期延长约10倍，且在肿瘤部位的浓度显著升高。在骨肉瘤研究中，Wu 等设计了阿仑膦酸(ALN)修饰脂质体递送DOX。ALN对骨组织具有高亲和性，使药物在骨病灶局部的累积量提高了约2.5倍，同时联合低分子量肝素(LMWH)增强了抗转移效果，实验表明在小鼠模型中肺转移灶数量减少超过60% [10]。
② 聚合物纳米粒(PNP)：具有较高稳定性，能避免药物突释。纳米结构脂质载体(NLCs)：由固体脂质与液体脂质组成，能进一步提高药物包载效率。脂质-聚合物杂化纳米颗粒(LPNs)：兼具脂质体的生物相容性与聚合物的稳定性。例如，Duan等开发的LPNs同时递送紫杉醇(PTX)与依托泊苷(ETP)，在MG-63骨肉瘤细胞中表现出协同杀伤作用，细胞凋亡率由单药的约25%提升至50%以上[11]。Yang等制备了ZSM-5/CS复合纳米盘负载DOX，药物负载率达90%以上。在体外实验中，处理Saos-2细胞48小时，细胞凋亡率提高约70%。透明质酸(HA)：Xu等合成了HA-PEG/nHA纳米颗粒负载唑来膦酸，能特异结合骨肉瘤细胞的CD44受体。体内实验显示，与游离药物相比，肿瘤抑制率提高了近2倍[12]。Heyder等将吉西他滨(GEM)化学修饰后嵌入聚酐酯骨架，药物负载量高达58% w/w，是传统包载方法的3~5倍。这种系统在体内能完全降解，药物逐步释放[13]。
③ 水凝胶(hydrogel)：如刺激响应型水凝胶能够根据温度、pH或磁场变化调节药物释放。例如，将铁氧体纳米颗粒包埋于明胶水凝胶中，可在外加磁场作用下实现局部控释。在动物实验中，药物在肿瘤组织的浓度是对照组的3倍，而在心脏中的浓度显著降低。双药胶束NP-PTX-DOX在K7荷瘤小鼠中抑瘤率 > 80%，显著优于单药[14]。
2) 碳基纳米材料：
石墨烯氧化物(GO)因其大比表面积和π-π堆积作用，成为常用的药物负载平台。Huang等构建了GO-PEG-叶酸/吲哚菁绿复合物，不仅能递送DOX，还可在808 nm近红外照射下产热和产生活性氧，实现化疗 + 光动力联合治疗。在小鼠模型中，该系统抑瘤率达到85%以上，显著优于单一治疗。Niu等设计了Fe3O4-石墨烯树枝状复合物，联合递送DOX与褪黑素(MLT)。结果显示，该系统在MG-63细胞中诱导的凋亡率比单纯DOX提高约40%，并显著降低心脏毒性[15]。再如氧化石墨烯(GO)：π-π堆叠负载DOX，负载量 > 1000 mg/g；光热转换效率η ≈ 28%，实现化疗–光热协同。以及磁性GO-树状大分子通过共载DOX + 褪黑素(MLT)，MLT降低DOX心脏毒性并逆转MDR。而介孔碳的孔径5~10 nm，则适合负载芳香族药物，但需表面聚合物封孔防止泄漏。
3) 无机纳米载体
① 如介孔二氧化硅(MSN)，Zhou等合成了锰掺杂金核介孔二氧化硅纳米颗粒，其表面修饰ALN以实现骨靶向。该系统在递送DOX的同时，Mn2+可通过类芬顿反应产生活性氧，从而杀伤细胞。在143B骨肉瘤小鼠模型中，肿瘤体积缩小率达70%，并可进行CT/MR成像监测[16]。Yao等开发的RGD修饰MSN-Bi₂S3纳米颗粒，药物包载率高达99.85%，结合近红外光热治疗，实现了线粒体途径诱导的细胞凋亡[17]。
② 钙基材料羟基磷灰石(HAp)：与骨矿同质，可掺杂Zn、Fe、Mn调控降解与成骨。羟基磷灰石(HAp)：Liu等构建的HAp/BSA/PTX三元系统，能持续释放Ca2+，同时抑制143B细胞的G2/M周期，降低迁移能力。碳酸钙(CaCO3)：Fu等利用贝壳提取的生物源性文石CaCO3纳米颗粒负载DOX，在大鼠原位骨肉瘤模型中表现出与游离DOX相似的抗肿瘤效果，但系统毒性明显降低[18]。
③ 金属及金属氧化物：铁氧体(Fe3O4)：Wu等合成了硅酸盐/碳双层包覆的SPIONs，在外加磁场下能显著富集于肿瘤部位。在MG-63细胞中，联合DOX处理后凋亡率提高近一倍[19]。也有研究表明ZnO纳米颗粒能通过诱导线粒体自噬和ROS积累触发细胞死亡，声学法合成的ZnO表现出更高的选择性，能降低正常成骨细胞损伤。Hu等制备的果糖修饰AgNPs (9.38 ± 4.11 nm)在骨肉瘤裸鼠模型中，比顺铂更有效地抑制肿瘤生长和肺转移，机制与ROS依赖性凋亡相关[20]。也有大量研究报道超顺磁Fe3O4材料可通过磁靶向 + 交变磁场产热，实现药物释放可控。
3. 靶向策略汇总
我们也在表1中归纳了20余种骨或肿瘤特异性配体：ALN (阿仑膦酸钠)、RGD (整合素)、CD133/EGFR适配体(CSC)、FA (叶酸受体)、YSA (EphA2)等，联合被动EPR效应，可将药物富集提高5~15倍。光热治疗(PTT)：AuNPs、石墨烯等材料在NIR照射下产热，使肿瘤局部温度升至42℃~45℃，诱导肿瘤细胞坏死，并增强化疗敏感性。光动力治疗(PDT)：通过光敏剂(如吲哚菁绿)与纳米载体结合，在光照下产生活性氧，破坏肿瘤细胞膜和线粒体。基因治疗：如YSA肽修饰纳米脂质体递送DOX与siRNA双重组合，靶向EphA2受体并沉默耐药相关基因，提高骨肉瘤细胞敏感性[10] [21] [22]。免疫治疗：利用纳米颗粒递送免疫调节剂或抗PD-L1抗体，重塑肿瘤免疫微环境，增强免疫治疗效果。
Table 1. Examples of osteosarcoma-targeting strategies in nanomaterials for drug delivery
表1. 用于药物递送纳米材料中的骨肉瘤靶向策略实例
纳米粒子类别 |
靶向配体 |
靶向受体 |
负载药物 |
Liposome |
ALN |
Skeleton |
DOX |
Liposome |
siRNA |
JIP1 |
DOX, siRNA |
Liposome |
YSA |
EphA2 |
DOX, siRNA |
Lipid-polymer NPs |
FA |
FR |
DOX, EDL |
Lipid-polymer NPs |
CD133 aptamers |
CD133 + OS cells |
All-trans retinoic acid |
Lipid-polymer NPs |
CL4 |
EGFR |
Salinomycin |
Natural polymer NPs |
HA |
CD44 + OS cells |
Zoledronic acid |
Polypeptide nanogel |
peptide |
OS cells (143B) |
SHK |
GO |
FA |
FR |
MTH1, DOX |
PHBV |
peptide |
OS cells (Saos-2) |
DOX |
MSNs |
ALN |
Hydroxyapatite |
DOX |
4. 临床转化现状与挑战
目前已上市产品有：脂质体制剂：Doxil®、Myocet®、Onivyde®用于多种实体瘤，但尚未获批骨肉瘤专属适应症。尽管纳米药物在实验室和临床前研究中展现出显著优势，但在临床转化方面依然存在诸多严峻挑战，这些瓶颈制约着纳米药物从“实验室”走向“床旁”的进程：
1) 长期毒性与生物安全性评估不足：
金属纳米材料(如金、银、铁氧化物)在体内的长期蓄积可能引发潜在基因毒性、溶血反应和慢性免疫激活。目前大多数研究的观察周期仅为数周至数月，缺乏2年以上的长期毒理学数据。
纳米颗粒在网状内皮系统(肝、脾)的蓄积率可达给药剂量的30%~50%，其降解产物和代谢途径尚不明确，可能存在器官毒性累积风险。
部分无机纳米材料(如某些金属氧化物)在酸性环境下可能释放过量金属离子，诱发氧化应激和炎症反应，这一风险在临床应用中需要系统评估。
2) 规模化生产与质量控制的技术壁垒：
实验室小批量制备(毫克–克级)与工业化大规模生产(公斤级)之间存在显著的工艺差异，批间差异可达20%~30%，难以保证产品质量的一致性。
纳米药物的粒径分布、表面电位、载药效率等关键质量属性对生产条件极为敏感，温度、pH、搅拌速度的微小变化都可能影响最终产品性能。
灭菌工艺是重大挑战：高温高压灭菌可能破坏纳米结构，辐照灭菌可能引发脂质过氧化，无菌过滤又受限于纳米颗粒尺寸，目前尚无统一的标准方案。
长期稳定性问题突出：多数纳米制剂在4℃储存条件下仅能维持3~6个月稳定，难以达到常规药物2~3年的货架期要求，这严重制约了商业化应用。
3) 法规体系缺失与审评标准不明确
现有药物审评体系主要针对传统小分子和生物大分子药物，缺乏专门针对纳米药物的指导原则，特别是骨肿瘤纳米制剂的特殊性尚未得到充分认识。
纳米药物的表征参数(如粒径分布、表面修饰密度、载体–药物相互作用)与临床疗效的关联性研究不足，缺乏明确的质量标准和检测方法。
临床试验设计面临困境：传统药代动力学参数(如Cmax、AUC)难以全面反映纳米药物的体内行为，肿瘤局部药物浓度的测定技术仍不成熟，疗效评价终点的选择存在争议。
4) 体内代谢与清除机制的认知不足：
纳米颗粒在体内的分布、代谢和清除途径极为复杂，受粒径、表面性质、蛋白冠形成等多因素影响。研究显示，粒径 < 10 nm的颗粒主要经肾脏清除，而>200 nm的颗粒则主要被肝脾截留，但50~150 nm范围内的行为规律尚不明确。
PEG修饰虽能延长循环时间，但重复给药可能诱发“加速血液清除”(ABC)现象，导致药效下降和过敏反应风险增加。
骨组织的特殊微环境(高钙、低pH、致密矿化基质)对纳米颗粒的渗透和滞留具有显著影响，但目前缺乏系统的骨内药代动力学研究数据。
5. 针对性解决策略与现实评估
1) 建立系统的临床前安全性评价体系(预计时间：5~8年)：
开发骨肉瘤人源化小鼠(PDX)和比格犬大动物模型，进行至少12~24个月的长期毒性观察，重点监测心脏、骨髓、肝肾功能及免疫系统变化。
采用先进的影像学技术(PET/CT、MRI)和组织病理学分析，实时追踪纳米颗粒的体内分布和代谢过程。
建立纳米材料毒性数据库，为风险评估提供基准数据。但需注意，动物模型与人体的差异可能导致部分毒性风险被低估。
2) 优化生产工艺与质量控制体系(预计时间：3~5年)：
采用QbD (质量源于设计)理念，通过DOE (实验设计)系统优化关键工艺参数，建立工艺-质量关联模型，将批间差异控制在10%以内。
开发在线监测技术(如动态光散射、纳米颗粒追踪分析)，实现生产过程的实时质量控制。
探索冻干保护剂配方和低温储存方案，延长产品货架期至18~24个月。但需承认，部分复杂纳米体系(如多功能复合纳米颗粒)的工业化生产仍面临技术难题，可能需要10年以上的技术积累。
3) 推动法规体系建设与标准化(预计时间：8~10年)：
建议监管机构参考FDA的《Liposome Drug Products Guidance》和EMA的纳米药物评估框架，制定针对骨肿瘤纳米药物的专项指导原则。
建立多学科专家委员会，制定纳米药物的表征标准、质量控制方法和临床评价指标体系。
开展多中心注册临床试验(MRCT)，采用“影像学响应 + 生存获益”的双重终点评价，积累循证医学证据。但需认识到，法规制定是一个渐进过程，初期可能采用“个案审批”模式，完善的法规体系至少需要10~15年时间。
4) 开发新一代“智能”纳米体系(预计时间：10~15年)：
开发细胞外囊泡(EVs)仿生纳米颗粒，利用天然细胞膜包覆降低免疫原性，提高生物相容性。初步研究显示，仿生纳米颗粒的肝脾蓄积率可降低40%~60%，但其大规模制备和质量控制仍是挑战。
联合开发超声或磁导航设备，实现骨局部靶向给药，减少全身暴露。但这需要纳米材料、医疗器械和临床技术的协同创新，技术成熟度仍处于早期阶段。
探索口服或局部注射等非静脉给药途径，提高患者依从性。但骨肉瘤的解剖位置特殊，局部给药的可行性和安全性需要谨慎评估。
6. 未来展望
尽管纳米技术展现出巨大潜力，但从实验室研究到临床应用的转化周期通常长达15~20年，成功率低于5%。许多在动物模型中表现优异的纳米药物在临床试验中因毒性、疗效不足或生产成本过高而失败。因此，在推动纳米药物研发的同时，必须保持科学审慎的态度，加强基础研究，完善评价体系，稳步推进临床转化，避免盲目乐观和过度承诺。
在未来的研究中，纳米医学在骨肉瘤疾病治疗中将沿着“诊疗一体化–个体化–智能化–产业化”的方向进行，借助MRI/CT/荧光三模态影像的实时导航，未来化疗–光热–免疫“三位一体”协同干预有望在同一纳米平台上完成，最终实现“可视化诊断–同步治疗–疗效评估”的闭环管理；在此基础上，3D 生物打印技术可进一步将患者源性肿瘤微组织“复刻”为体外“数字孪生”模型，并通过高通量微流控芯片快速迭代筛选最优载体，进而把“一人一药”的个体化理念真正落地；另一方面，CRISPR-Cas9基因编辑工具将扮演“分子剪刀”角色，通过原位敲除MDR1耐药基因并与纳米阿霉素共递送，形成“基因 + 化疗”的协同作用，抑制肿瘤耐药性；磁驱纳米马达可凭借仿生表面修饰主动穿越血–骨髓屏障，在骨皮质–髓腔微环境中依病灶pH/酶谱触发释药，完成“导航–穿透–释放”的全流程自主操控，实现从“被动靶向”到“智能机器人”；同时需建立骨肿瘤纳米制剂的审评“指南”，制定影像–疗效双重终点的临床评价标准，并依托多中心注册试验(MRCT)打通实验室到临床的“最后一公里”，加速这一创新链条的产业化突围，使前沿科技成果真正惠及广大骨肉瘤患者。
7. 结论
纳米材料通过改善药物药代动力学、增强肿瘤靶向、克服多药耐药及降低系统毒性，为骨肉瘤化疗带来新机遇。尽管临床转化仍面临毒性、规模化与法规挑战，但随着多学科交叉与精准医学的发展，纳米药物有望成为骨肉瘤一线治疗的新标准，进一步提高患者生存率与生活质量。
基金项目
本项目由中国江西省科技创新杰出青年人才(20192BCBL23025)及国家自然科学基金项目(no. 81660443)资助。
NOTES
*通讯作者。