納米載體系統(tǒng)在核醫(yī)學(xué)的應(yīng)用

姚 寧，王榮福

(北京大學(xué)第一醫(yī)院 核醫(yī)學(xué)科，北京 100034)

納米材料一維空間尺寸小于100納米[1]，其特殊的體積及結(jié)構(gòu)使其具有一些特殊性質(zhì)，比如較好表面活性中心、較高催化能力、高表面可修飾性、低毒性以及不易受體內(nèi)和細(xì)胞內(nèi)各種酶降解等，使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如藥物運(yùn)輸、生物顯像、疫苗制備等[2]。近年來(lái),基于納米材料技術(shù)的快速發(fā)展，納米載體系統(tǒng)在分子核醫(yī)學(xué)[3]領(lǐng)域中的研究受到廣泛且深入的關(guān)注。

納米材料種類(lèi)繁多，用于核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的納米材料在不斷更新，目前已不單純是脂質(zhì)體[4]，還包括聚合物泡囊[5]、樹(shù)狀聚合物[6]、聚合物膠束[7]等材料。由不同材料構(gòu)成的納米顆粒將藥物包封于囊內(nèi)或在納米顆粒表面偶聯(lián)特異性配體、抗體、顯像劑等小分子物質(zhì)，可以有效調(diào)節(jié)藥物釋放的速度，同時(shí)靶向定位于病變部位，提高藥物作用的靶向性，使病變部位顯影。另外，對(duì)納米材料表面進(jìn)行修飾，改變其極性，可增加生物膜的透過(guò)性，提高藥物生物利用率。

世界衛(wèi)生組織調(diào)查表明，到2030年，癌癥患者的數(shù)量將超過(guò)1.31億。早至2005年，美國(guó)國(guó)家癌癥研究中心便提出了癌癥納米技術(shù)計(jì)劃，將納米技術(shù)、癌癥研究和分子生物醫(yī)學(xué)相結(jié)合，通過(guò)納米技術(shù)的發(fā)展，改進(jìn)癌癥預(yù)防、診斷與治療的方法。近年來(lái)，納米技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于腫瘤顯像與治療領(lǐng)域。對(duì)于腫瘤顯像和治療，理想的放射性核素應(yīng)該最大限度聚集于腫瘤部位，與正常組織形成良好的對(duì)比。放射性核素與納米載體的結(jié)合能夠使放射性核素在靶組織內(nèi)有更好的分布，同時(shí)納米負(fù)載藥物后能夠克服化療過(guò)程中的藥物對(duì)人體的毒副作用。本研究對(duì)納米材料的優(yōu)勢(shì)以及在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行闡述，并展望其在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

1 納米材料的優(yōu)勢(shì)

1.1 主動(dòng)與被動(dòng)靶向運(yùn)輸相結(jié)合

與傳統(tǒng)藥物相比，納米材料憑借其體積和材質(zhì)上的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)靶向運(yùn)輸和主動(dòng)靶向運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)合。被動(dòng)靶向產(chǎn)生的主要原因是透過(guò)性增強(qiáng)和滯留(EPR)效應(yīng)[7]，由于腫瘤組織中的血管不同于人體正常血管，其血管上毗鄰的內(nèi)皮細(xì)胞之間存在600～800 nm的空隙，且腫瘤組織內(nèi)淋巴回流不暢，造成了透過(guò)性增強(qiáng)和滯留(EPR)效應(yīng)的產(chǎn)生，納米顆粒可以通過(guò)間隙進(jìn)入腫瘤組織，實(shí)現(xiàn)納米載體的被動(dòng)靶向給藥。研究表明[8]，依靠納米材料為載體的藥物運(yùn)輸效率會(huì)提高。但是納米材料適合穿透早期腫瘤新生血管上皮細(xì)胞間隙，產(chǎn)生EPR效應(yīng)，提高藥物利用率，然而中晚期腫瘤中部分腫瘤間質(zhì)流體壓較高，導(dǎo)致藥物攝取減少，并且腫瘤類(lèi)型及解剖位點(diǎn)存在的差異也使納米藥物容易溢出。研究者通過(guò)將靶向配體和抗體偶聯(lián)于納米載體，使納米載藥系統(tǒng)靶向定位于特異性表達(dá)或過(guò)表達(dá)某種受體或抗原的腫瘤組織中，通過(guò)主動(dòng)靶向運(yùn)輸提高藥物運(yùn)載效率。例如，將參與腫瘤新生血管生成的多肽類(lèi)配體RGD序列偶聯(lián)于金納米顆粒表面，同時(shí)讓金納米顆粒攜帶紅外探針和抗癌藥物，當(dāng)該組裝好的納米顆粒進(jìn)入人體后，配體RGD特異性識(shí)別αVβ3整合素，而αV整合素在腫瘤新生血管中高度表達(dá)，金納米顆粒在腫瘤內(nèi)大量聚集，納米顆粒在配體RGD的引導(dǎo)下完成了主動(dòng)靶向運(yùn)輸過(guò)程[9]。納米顆粒利用透過(guò)性增強(qiáng)和滯留(EPR)效應(yīng)獲得了被動(dòng)靶向運(yùn)輸特性，通過(guò)靶向配體和抗體偶聯(lián)于納米載體使其獲得主動(dòng)靶向運(yùn)輸[10-11]的特性，提高納米顆粒的靶向效果。

1.2 表面可修飾性強(qiáng)

納米材料是指三維空間中至少有一維處于納米尺寸范圍的任何材質(zhì)，因而注定了其種類(lèi)繁多且性能多樣。由于采用不同的原始材料和制作方法，形成了形狀和大小各異的納米顆粒，可用于不同的科研和臨床使用，例如脂質(zhì)體、聚合物藥物軛合物、聚合物微泡、膠束等[12-14]。20世紀(jì)90年代中期，國(guó)際材料會(huì)議提出了納米微粒表面工程的概念，即利用物理和化學(xué)的方法改變納米微粒表面的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，從而賦予微粒新的性能并使其物理形狀得到完善。通過(guò)修飾后的納米微粒，可以提高微粒的表面活性，改善組織相容性，增溶難溶性藥物，實(shí)現(xiàn)體內(nèi)長(zhǎng)循環(huán)，增加藥物作用時(shí)間，提高生物利用率等[15-16]。

1.3 減少或逆轉(zhuǎn)多藥耐藥現(xiàn)象

在腫瘤治療過(guò)程中，多藥耐藥現(xiàn)象是影響癌癥治療效果的主要因素之一，主要表現(xiàn)為抗腫瘤治療后腫瘤大小未出現(xiàn)明顯變化或腫瘤再次復(fù)發(fā)。由于機(jī)體一些天然屏障如血腦屏障、腫瘤內(nèi)的酸性環(huán)境對(duì)抗癌制劑的中和作用以及腫瘤組織間液的高壓力狀態(tài)等產(chǎn)生了多藥耐藥現(xiàn)象。此外，腫瘤組織中一些酶活性的改變，細(xì)胞凋亡調(diào)節(jié)路徑的改變以及藥物外排的增加等都使腫瘤產(chǎn)生了多藥耐藥現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了抗癌藥物的治療效率。納米載體系統(tǒng)可提高抗癌效率，已有研究[17-19]證實(shí)抗癌藥物能夠在納米載體的運(yùn)載下有效地通過(guò)血腦屏障到達(dá)顱內(nèi)腫瘤。另外，使用納米材料對(duì)抗癌藥物進(jìn)行包裹，例如使用多聚氰基丙烯酸烷酯納米顆粒包裹抗癌藥物阿霉素，阻止阿霉素在進(jìn)入細(xì)胞前與腫瘤組織的酸性環(huán)境有過(guò)多接觸，一旦納米顆粒運(yùn)載阿霉素進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，氰基丙烯酸烷酯水解其產(chǎn)物與阿霉素就會(huì)形成離子對(duì)克服細(xì)胞膜上外排泵的作用[20-21]實(shí)現(xiàn)藥物外流的逆轉(zhuǎn)，與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的隱性對(duì)照組相比，以納米顆粒為載體的抗癌藥物抗癌效果更明顯。除此之外，研究者通過(guò)納米載體偶聯(lián)的配體與細(xì)胞膜上的受體特異性結(jié)合，通過(guò)受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用，有效減少多藥耐藥現(xiàn)象的發(fā)生。

2 納米材料在核醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

2.1 多模態(tài)顯像

分子影像學(xué)是采用影像學(xué)技術(shù)對(duì)活體內(nèi)參與生理或病理過(guò)程的分子進(jìn)行可視化檢測(cè)，活體狀態(tài)下對(duì)分子、細(xì)胞和基因的變化進(jìn)行定性和定量研究的一門(mén)科學(xué)。核磁共振成像、活體光學(xué)成像及核素顯像是該領(lǐng)域的三大主要技術(shù)，三種成像方式在單一成像時(shí)各有利弊。多模態(tài)成像即是多種成像模式的結(jié)合，能夠?qū)⒉煌@像模式的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，是分子影像學(xué)未來(lái)發(fā)展的方向。實(shí)現(xiàn)多模態(tài)成像的關(guān)鍵是多模態(tài)分子探針。單靶點(diǎn)分子探針檢測(cè)準(zhǔn)確度較差且容易造成假陽(yáng)性，多模態(tài)分子探針可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)靶點(diǎn)的同時(shí)識(shí)別，能夠提高腫瘤診斷的靈敏度和準(zhǔn)確度。納米材料因?yàn)槠洫?dú)特的性能而成為多模態(tài)分子探針的最佳選擇之一。納米顆粒在組裝過(guò)程中可以形成球狀、柱狀、環(huán)狀等形狀各異的內(nèi)部空間，將不同的顯像劑載入儲(chǔ)存空間內(nèi)部或外部，也可同時(shí)使用有磁性的納米材料，如鐵納米顆粒，制成多模態(tài)分子探針，例如[22]將超順磁性氧化鐵置于納米顆粒內(nèi)部，在該納米顆粒進(jìn)入體內(nèi)到達(dá)相應(yīng)靶器官后，納米顆粒攜帶的不同配體與腫瘤細(xì)胞相結(jié)合，一次給藥即可同時(shí)進(jìn)行SPECT/CT及MRI成像，從不同的角度了解探針在體內(nèi)分布、排除情況和生理病理情況，同時(shí)，將靶向基團(tuán)偶聯(lián)于納米顆粒外部基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)多靶點(diǎn)同時(shí)識(shí)別活體多模態(tài)成像，例如[23]，制備放射性核素碘標(biāo)記的脂質(zhì)體表面同時(shí)攜帶熒光探針，該雙功能探針通過(guò)SPECT顯像和熒光顯像來(lái)研究在腫瘤微環(huán)境中納米顆粒如何突破各種屏障抵抗多藥耐藥現(xiàn)象，追蹤腫瘤血管的侵犯情況和腫瘤血管的滲透性，發(fā)現(xiàn)納米顆粒的滯留情況取決于局部血流及納米顆粒本身的大小，較大的納米顆粒在局部血流較快區(qū)域容易出現(xiàn)耐藥現(xiàn)象，而較小納米顆粒在局部血流較慢區(qū)域相對(duì)不易出現(xiàn)耐藥現(xiàn)象；另外，表面含有配體的納米顆粒通過(guò)主動(dòng)運(yùn)輸能夠有效克服納米顆粒由間質(zhì)液重新回流到血液系統(tǒng)。一些放射性核素標(biāo)記的磁性微泡[24]，例如99Tcm標(biāo)記的功能化微泡，通過(guò)功能基團(tuán)DTPA、TOPA等修飾形成磁性微泡，進(jìn)行一次SPECT/CT/MR顯像即可從不同角度獲得疾病的解剖和功能信息，對(duì)疾病的診斷效率有明顯的提升。

2.2 智能化納米載體

納米載體系統(tǒng)的發(fā)展歷程大概經(jīng)歷了三個(gè)階段，第一代納米載體主要是通過(guò)自身尺寸及結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)外表面修飾擁有親水性外殼，在腫瘤組織中產(chǎn)生透過(guò)性增強(qiáng)和滯留(EPR)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)靶向運(yùn)輸。由于部分腫瘤類(lèi)型及解剖位點(diǎn)的區(qū)別，以及晚期腫瘤間質(zhì)流體壓升高等因素，都會(huì)導(dǎo)致納米藥物不能按預(yù)期進(jìn)入腫瘤組織，主動(dòng)靶向納米載體系統(tǒng)作為第二代納米載體受到研究者的關(guān)注，通過(guò)對(duì)納米材料外殼的進(jìn)一步修飾，連接靶向多肽、受體、配體等小分子物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)納米載體的主動(dòng)靶向運(yùn)輸，提高腫瘤治療和顯像的效率。盡管納米載體實(shí)現(xiàn)了靶向運(yùn)輸，但部分藥物到達(dá)人體正常組織還是會(huì)產(chǎn)生毒副作用。為此，第三代智能型納米載體的研究逐步興起，腫瘤組織內(nèi)的pH、溫度等和正常組織存在一定差異，正是利用這些微小的差異，研發(fā)了對(duì)pH、溫度敏感的智能基團(tuán)[25-26]，如pH敏感集團(tuán)、溫敏基團(tuán)，納米載體，使納米載藥系統(tǒng)受到智能化控制，由于藥物被納米材料包裹即使少量藥物到達(dá)正常組織中，仍然得不到釋放而到達(dá)腫瘤組織的納米載體在腫瘤組織環(huán)境中受溫度、pH調(diào)控，能夠打開(kāi)外殼，釋放藥物而發(fā)揮作用，例如[25]利用腫瘤細(xì)胞周?chē)蚿H及低金屬蛋白酶2(MMP2)的特性，構(gòu)建出一種能夠在低pH及金屬蛋白酶2環(huán)境中被激活的細(xì)胞穿透肽，將這種細(xì)胞穿透肽連于納米顆粒表面，進(jìn)入人體的納米顆粒一旦感受到了周?chē)h(huán)境中pH及金屬蛋白酶2的改變，細(xì)胞穿透肽將被激活，納米顆粒在活化穿透肽作用下內(nèi)化進(jìn)入細(xì)胞，釋放納米顆粒內(nèi)包裹的抗血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子干擾RNA及阿霉素，抑制腫瘤新生血管及促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡，結(jié)果表明,該納米顆粒有良好的血管靶向性、毒副作用小且抗癌效果明顯。

2.3 納米載體系統(tǒng)在診斷治療學(xué)中的應(yīng)用

目前，腫瘤治療的主要手段有手術(shù)、放療和化療，化療藥物在體內(nèi)代謝情況及作用位點(diǎn)的評(píng)估十分重要。在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用131I進(jìn)行甲亢和甲狀腺癌的診斷和治療，最近，使用放射免疫法對(duì)某些腫瘤同時(shí)診斷和治療[27]，“診斷治療學(xué)”正越來(lái)越多受到重視。一個(gè)成熟的診斷治療學(xué)的顯像劑和藥物能夠有效運(yùn)輸?shù)桨悬c(diǎn)并且能夠提供足夠的顯像信號(hào)，靶點(diǎn)區(qū)域藥物溶度充足[28]。納米載體在顯像治療學(xué)上有著很大的優(yōu)勢(shì)，以納米載體為媒介可將化療藥物和顯像劑結(jié)合。例如[29-30]合成熒光納米膠體顆粒，將抗癌藥物阿霉素包裹在納米膠體顆粒內(nèi)部，一旦納米顆粒進(jìn)入小鼠體內(nèi)，通過(guò)活體光學(xué)成像儀器收集小鼠體內(nèi)的熒光信號(hào)，定位熒光位點(diǎn)，完成活體追蹤藥物運(yùn)輸及代謝過(guò)程、明確作用位點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)腫瘤靶向顯像，同時(shí)化療藥物釋放完成對(duì)腫瘤疾病的治療，提高了療效，在腫瘤診斷治療應(yīng)用中具有較大潛力。

3 小結(jié)

綜上所述，納米材料具有特異性、靶向性、定量準(zhǔn)確和易吸收等特點(diǎn)。近年來(lái)，基于納米材料的多模式分子顯像技術(shù)、納米顯像治療一體化技術(shù)等都取得重大進(jìn)展。但是,由于納米材料對(duì)人體長(zhǎng)期作用的影響還不是十分清楚,以及納米顆粒的毒性作用[1,31]限制了臨床應(yīng)用。納米載體系統(tǒng)在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用為腫瘤的診斷和治療帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

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