熒光上轉(zhuǎn)換納米材料在光動力學治療癌癥中的應用*

鄭曉鵬 田 甘 谷戰(zhàn)軍

1 引言

光動力治療癌癥是現(xiàn)代癌癥治療的一種重要手段，具有微創(chuàng)性、不良反應小、靶向性高等優(yōu)點［1-4］。光動力學治療中將光敏劑，一類本身穩(wěn)定無毒性，但可以在特定波長光束照射下生成強氧化性物質(zhì)單線態(tài)氧的有機分子，預先注入機體，由于腫瘤組織高吸收、低代謝，經(jīng)一段時間特異性沉積在腫瘤組織。再以特定波長的光輻射激活藥物，產(chǎn)生單線態(tài)氧和自由基等殺死腫瘤細胞，達到治療目的。光動力學療法機理示意圖如圖1所示［5-6］。

然而，目前光動力治療癌癥仍然存在一些不足，主要包括以下幾個方面：

1）目前常用的光敏劑主要是卟啉衍生物，這些分子對腫瘤組織缺乏靶向性，在病灶難以富集達到有效濃度，影響治療效果。2）光敏劑分子多為疏水性分子，易團聚，在體內(nèi)不易傳輸?shù)讲≡睢?）理論上光動力療法適用于所有腫瘤的治療，但目前主要用于體表惡性腫瘤、食管癌、胃腸道腫瘤、口腔腫瘤、膀胱癌等的治療。這主要因為是光敏劑需要吸收可見光，而可見光在人體組織的穿透能力較差，治療不能深入到組織內(nèi)部，多局限于表皮或淺組織區(qū)域的腫瘤部位。

以上這些缺點極大地限制了癌癥光動力治療的臨床應用，而納米技術(shù)的飛速發(fā)展為解決上述難題提供了新思路。近年來，越來越多的研究表明利用熒光上轉(zhuǎn)換納米材料最有可能解決上述難題。采用熒光上轉(zhuǎn)換納米粒子作為光敏劑載體進行癌癥光動力治療具有以下優(yōu)勢：1）由于實體瘤的高通透性和滯留效應（enhanced permeability and retention effect，EPR），上轉(zhuǎn)換納米粒子可以在腫瘤部位富集，并且可以在上轉(zhuǎn)換納米粒子表面修飾靶向分子，從而從被動靶向效應和主動靶向效應兩個方面克服傳統(tǒng)光動力學治療靶向性不強的問題。2）經(jīng)過表面修飾，可以得到親水性的上轉(zhuǎn)換納米粒子。因而上轉(zhuǎn)換納米粒子可以作為載體負載疏水性的光敏劑分子，解決光敏劑易團聚及難以輸運的問題。3）近紅外光（波長通常在700～1 000 nm的范圍）穿透深度比可見光的穿透深度大一個數(shù)量級，而且對正常組織和細胞具有較低的光毒性，因此是理想的光動力學治療的光源。熒光上轉(zhuǎn)換納米粒子可以被近紅外光激光激發(fā)（980 nm），然后轉(zhuǎn)換為可見光，再由可見光激發(fā)其負載的光敏劑，近紅外光在體內(nèi)的穿透能力強，可以克服光動力治療難以深入組織內(nèi)部的難題。4）通過改變摻雜稀土離子，熒光上轉(zhuǎn)換納米粒子的發(fā)光從紫光到近紅外都可調(diào)控（如Yb，Er：650 nm，550 nm；Yb，Tm：365，480，800 nm），這樣可以匹配不同吸收波長的光敏劑，充分利用現(xiàn)有光敏劑資源。5）近紅外連續(xù)激光器小巧緊湊，能量高，價格便宜，為這種熒光上轉(zhuǎn)換納米粒子的在光動力治療實際應用提供了良好條件。由此可見，將以熒光上轉(zhuǎn)換納米粒子為基礎(chǔ)的復合多功能光敏納米粒子引入光動力療法，最有可能克服目前制約光動力治療的諸多難題，推動光動力治療癌癥的發(fā)展。

2 上轉(zhuǎn)換納米材料在癌癥光動力學治療中的應用

Zhang等［7］第一次闡述了利用熒光上轉(zhuǎn)換納米粒子在癌癥光動力學治療中應用的機理。他們制備了摻有光敏劑Merocyanine-540（M-540）的二氧化硅薄層包覆的上轉(zhuǎn)換納米材料（NaYF4：Yb/Er@SiO2），然后用靶向癌細胞的抗體修飾，再與膀胱癌細胞共孵育來衡量其光動力學治療的效果。但是，因為致密的二氧化硅阻礙了周圍氧分子的進入，從而減少了與光敏劑作用的氧分子的量，并且致密的二氧化硅也阻礙了生成的活性氧的擴散，所以致密二氧化硅層包覆的上轉(zhuǎn)換納米材料體系（NaYF4：Yb/Er@SiO2）的光動力學治療的效率較低［8-9］。為了克服以上缺點，有研究運用介孔二氧化硅包覆的上轉(zhuǎn)換納米材料負載光敏劑酞菁鋅（zinc phthalocyanine，ZnPc）［10-11］。他們發(fā)現(xiàn)裝載在介孔硅中的光敏劑ZnPC不僅不會從介孔二氧化硅中游離出來，并且能夠不斷的與上轉(zhuǎn)換納米材料發(fā)出光發(fā)生相互作用產(chǎn)生單線態(tài)氧，因此提高了對癌癥細胞的殺傷效果；為了增加光敏劑在納米載體上的穩(wěn)定性，有學者利用共價接枝的方法把孟加拉紅（Rose Bengal，RB）光敏劑分子修飾到上轉(zhuǎn)換納米材料上，并且在材料上修飾了葉酸靶向分子［12］。細胞實驗表明，葉酸受體陽性的細胞活性明顯降低，而葉酸受體陰性的細胞沒有明顯的變化。共價接枝的方法可以增加光敏劑的裝載量，并且減小了光敏劑分子與上轉(zhuǎn)換納米材料之間的距離，有利于上轉(zhuǎn)換納米材料與光敏劑之間的能量轉(zhuǎn)移，從而從“質(zhì)與量”上增加了光敏劑與上轉(zhuǎn)換納米材料之間的相互作用，提高活性氧產(chǎn)生的量。

目前和光敏劑結(jié)合應用于光動力治療領(lǐng)域的稀土摻雜氟化物（NaYF4：Yb/Er）上轉(zhuǎn)換材料均為綠光發(fā)射峰占主導，而現(xiàn)在商用的第二代高效光敏劑的有效吸收峰大多分布在紅光區(qū)（650～670 nm），光譜上的不吻合大大降低了體系的能量共振轉(zhuǎn)移效率，進而影響單線態(tài)氧生成的能力。因此，為達到高效的光動力治療效果，制備紅光發(fā)射占主導的上轉(zhuǎn)換材料是目前這類材料面臨應用的瓶頸，也是制備新材料面臨的挑戰(zhàn)。本課題組采用一種巧妙的摻雜路線，將二價錳離子（Mn2+）引入至NaYF4：Yb/Er體系中，Mn2+的摻入大大提升了紅光產(chǎn)生的幾率，隨著Mn2+摻雜量的增加，能夠得到發(fā)射單色紅光的上轉(zhuǎn)換納米材料。此外，Mn2+的摻入能夠同時影響NaYF4：Yb/Er上轉(zhuǎn)換納米晶的尺寸和相態(tài)，得到尺寸在20 nm左右的紅光上轉(zhuǎn)換納米晶材料。本課題組以紅光上轉(zhuǎn)換納米顆粒為載體，通過物理吸附將三種常用的第二代光敏劑分子，酞菁鋅（ZnPc）、二氫卟吩（Ce6）以及亞甲基藍（MB）分別進行負載，得到多種負載有光敏劑的上轉(zhuǎn)換納米材料復合物。在980 nm近紅外光的照射下，這些復合物能有效地產(chǎn)生單線態(tài)氧并殺死癌細胞。此外，在癌癥的治療中，藥物協(xié)同治療是很重要的一種提高療效降低副作用的方法。我們首次將化療藥物阿霉素（DOX）和光敏劑（Ce6）共同負載于熒光上轉(zhuǎn)換納米顆粒上用于對癌細胞的殺傷，結(jié)果表明藥物共運輸體系的癌細胞殺傷效果明顯提高，協(xié)同效應顯著，為光動力治療癌癥提供了新思路（圖2）［13-15］。此外，本課題也制備了發(fā)射藍光的上轉(zhuǎn)換納米材料（Tween20-NaGdF4@NaYbF4），并與竹紅菌素相結(jié)合，作為新型納米復合光敏劑。在此之前，藍光激發(fā)的光敏劑受到藍光穿透性不強的限制阻礙了其臨床治療腫瘤的應用也發(fā)展了藍光上轉(zhuǎn)換納米材料用來拓展藍光激發(fā)光敏劑在癌癥光動力學治療中的應用。用Tween 20來修飾上轉(zhuǎn)換納米材料不僅可以使上轉(zhuǎn)換納米材料具有更好的水溶性，而且可以通過疏水相互作用來裝載疏水的光敏劑以及其他藥物。裝載有竹紅菌素的Tween 20-NaGdF4@NaYbF4不僅具有良好的光動力學治療的效果，而且具有良好的磁共振成像（MRI）及計算機層析成像（CT）的性能［16］。

Liu等［17］發(fā)展了第一個應用于小鼠活體實驗的上轉(zhuǎn)換納米材料基的光動力學治療體系，通過非共價修飾的方法把Ce6裝載到聚乙二醇修飾的上轉(zhuǎn)換納米材料上，形成光動力學治療納米復合物。動物實驗中，UCNPs-Ce6復合物注射到接種有乳腺癌的小鼠體內(nèi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)70%的腫瘤被完全消融，2個月內(nèi)未重新生長。與對照組小鼠相比，經(jīng)過UCNPs-Ce6光動力學治療的小鼠的存活時間顯著延長。在體外與體內(nèi)實驗中，都證明了近紅外光可以到達更深的組織。為了增加光動力學治療的效果，Idris等［11］制備了與兩種不同光敏劑吸收波長相匹配的上轉(zhuǎn)換納米材料，從而實現(xiàn)利用單一波長光源同時激發(fā)兩種光敏劑（圖3）。通過兩個光敏劑的組合（相對于以前的單一光敏劑的方法）來增加光動力治療的效果，而不需要復雜的多波長激發(fā)。其使用了發(fā)射綠光和紅光的上轉(zhuǎn)換納米粒子，在980 nm激光光源的激發(fā)下，同時激發(fā)兩種光敏劑MC540和ZnPC增強PDT的效果。為了提高藥物靶向能力，將具有靶向作用的葉酸（FA）連接到聚乙二醇（PEG）修飾的上轉(zhuǎn)換納米顆粒（FA-PEG-UCNPs），通過尾靜脈注射，這些具有特異性識別能力的粒子能夠到達病灶，進行靶向性光動力治療。細胞實驗表明，與負載單一的光敏劑相比，裝載兩種光敏劑的上轉(zhuǎn)換納米顆粒可以產(chǎn)生更多的單線態(tài)氧，具有更高的癌細胞殺傷的效率?；铙w實驗表明，不管是腫瘤原位給藥還是靜脈注射，F(xiàn)A-PEG-UCNPs對接種有黑色素瘤的小鼠的腫瘤均有很大的抑制。Hyeon等［18］制備了Ce6和PEG修飾的上轉(zhuǎn)換納米材料作為診療一體化的體系。在這個多功能的材料體系中，多模式成像為疾病的診斷提供了基礎(chǔ)，光動力學治療為高效的治療疾病提供了保障。

3 展望

上轉(zhuǎn)換納米材料的出現(xiàn)為深層腫瘤的光動力學治療提供了可能。利用熒光上轉(zhuǎn)換納米材料作為光敏劑的載體可以有效提升光動力治療的穿透深度，改善光敏劑的靶向性及調(diào)控單線態(tài)氧的釋放。通過調(diào)節(jié)摻雜元素及改變上轉(zhuǎn)換納米材料的結(jié)構(gòu)，來調(diào)節(jié)上轉(zhuǎn)換納米材料的發(fā)光光譜與光敏劑的吸收相匹配，從而激發(fā)一種甚至多種光敏劑。此外，光動力學治療還可以與癌癥的其它治療方法結(jié)合，達到了光動力學治療與其它療法互補協(xié)同治療的效果，有重要的應用前景。

圖2 基于紅色熒光上轉(zhuǎn)換納米粒子光動力學治療癌癥的研究Figure2 Red-emitting UCNPs-based PDT study

圖3 葉酸修飾的介孔二氧化硅包覆的上轉(zhuǎn)換納米粒子(FA-PEG UCNs)活體光動力學靶向治療皮下瘤小鼠模型Figure3 Targetedin vivoPDT of a subcutaneous tumor model injected with FA-PEG-UCNPs

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