基于金納米結(jié)構(gòu)材料的腫瘤診療一體化研究進展*

寇 玉 王 靜 陳春英

癌癥是危害人類健康的重大疾病。傳統(tǒng)的癌癥化療方法缺乏針對腫瘤的靶向性，故有很大的副作用。由于其獨特的理化性質(zhì)，納米材料有可能解決目前癌癥治療面臨的一些問題［1-2］。納米載藥體系不僅可利用增強的滲透和滯留（enhanced permeability and retention，EPR）效應(yīng)實現(xiàn)被動靶向，還能通過修飾靶向分子實現(xiàn)主動靶向，從而提高納米藥物在腫瘤組織的富集。此外，納米載藥系統(tǒng)的獨特優(yōu)勢還在于其能將多種功能（包括各種診斷和治療方法）整合到一個體系中，實現(xiàn)診療一體化及成像介導(dǎo)的治療［3］。

近年來，金納米材料表現(xiàn)出令人矚目的性質(zhì)和優(yōu)勢［4］。由于其良好的生物相容性以及在可見或近紅外光區(qū)可調(diào)的表面等離子體共振（surface plasmon resonance，SPR）性質(zhì)，金納米粒不僅可用于生物成像，還可通過光熱效應(yīng)在激光照射時成為局域化熱源。產(chǎn)生的熱量一方面可用于癌癥熱療，另一方面當(dāng)納米粒載帶藥物時，可觸發(fā)藥物釋放，實現(xiàn)化療。因此，金納米粒子有可能在一個載體中同時實現(xiàn)成像、化療和熱療一體化。本文介紹了金納米粒用于腫瘤診療一體化的研究進展。

1 金納米材料用作腫瘤診療一體化的藥物載體

由于SPR性質(zhì)，金納米材料顯示出獨特的尺寸和形狀依賴的光學(xué)和光熱性質(zhì)。通過近紅外激光激發(fā)金納米材料的SPR效應(yīng)，光子-電子和電子-電子之間相互作用產(chǎn)熱，可以用于光熱治療、促進藥物釋放和光聲造影等。利用金納米材料對近紅外光的散射，可進行暗場成像和光學(xué)相干斷層掃描。此外，金納米材料還能進行非線性的光學(xué)成像，比如雙光子成像。文獻中已經(jīng)報道了很多尺寸和形貌可控的金納米材料，特別是金納米殼（Gold Nanoshells，AuNSs）、金納米棒（Gold nanorods，AuNRs）、中空金納米球（Hollow Gold Nanospheres，HAuNSs）、金納米籠（Gold Nanocages，AuNCs）和 金 納 米 星（Gold Nanostars）（圖1），它們的SPR吸收峰從可見區(qū)到近紅外區(qū)可以任意調(diào)控，在腫瘤診療一體化中顯示出很好的應(yīng)用前景［6-7］。

圖1 典型金納米材料的透射電子顯微鏡圖片F(xiàn)igure1 Transmission electron microscopy images of typical gold nanomaterials

1.1 金納米殼

以二氧化硅為內(nèi)核表面覆有金殼的AuNSs，是首先用于光熱治療的金納米粒子，目前已經(jīng)進入到頭頸腫瘤治療的一期臨床試驗階段［8］。Barhoumi等［9］將熒光標(biāo)記的雙鏈DNA通過Au-S鍵連接到AuNSs表面，在近紅外光照射下，DNA雙鏈中的一條單鏈釋放，并進入細(xì)胞核，結(jié)合到細(xì)胞內(nèi)源性DNA上，為光控的基因治療提供了參考。

Liu等［10］制備了中空介孔結(jié)構(gòu)的夾心二氧化硅為內(nèi)核的AuNSs，其中空介孔結(jié)構(gòu)包載多西紫杉醇的載藥率達52%。這種新型的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)在體外和體內(nèi)實驗中都表現(xiàn)出熱療和化療的協(xié)同效應(yīng)。中空介孔結(jié)構(gòu)還可包載熒光染料-羅丹明B，用于觀察材料在細(xì)胞內(nèi)的定位?？梢?，這種診療載體可以同時在腫瘤細(xì)胞中實現(xiàn)成像、熱療和化療。Liu等［11］還在金納米殼表面修飾了靶向分子-轉(zhuǎn)鐵蛋白，并在小鼠乳腺癌模型中實現(xiàn)了腫瘤的完全消退，該復(fù)合納米結(jié)構(gòu)主要通過糞便和尿液從小鼠體內(nèi)清除。

1.2 金納米棒

AuNRs具有橫向和縱向兩個SPR吸收峰，其中縱向SPR峰的位置取決于其長軸與短軸之比（長徑比），因此制備不同長徑比的金納米棒，可以得到從可見光區(qū)到近紅外區(qū)可調(diào)的縱向SPR吸收峰。文獻已有很多關(guān)于金納米棒用于診斷檢測、基因/藥物運輸以及腫瘤治療方面的報道［3，12-15］。

Xiao等［13］在AuNRs表面修飾了DNA雙鏈結(jié)構(gòu)，并利用其CG堿基序列載帶了抗腫瘤藥物阿霉素（Doxorubicin，Dox）。應(yīng)用人口腔表皮樣癌腫瘤動物模型，瘤內(nèi)注射結(jié)果表明，這種多功能的診療載體在近紅外激光照射下能有效抑制腫瘤生長，腫瘤相對體積在熱化療作用下（1.82+0.25）比空白組（5.21+0.42）減少了65%。

Ren等［14］在AuNRs表面修飾了一端是11-巰基十一酸的聚乙二醇，利用其疏水部分載帶疏水性的抗腫瘤藥物-紫杉醇（paclitaxel，PTX）。AuNR-PTX復(fù)合物在體外實驗中，通過熱療和化療作用對頭頸癌細(xì)胞和肺癌細(xì)胞都顯示出了高效的殺傷作用。

由于金納米棒自身的表面積較小，載帶的藥物有限，我們課題組［3］制備了金納米棒核/介孔二氧化硅殼的雜化納米結(jié)構(gòu)（mesoporous silica-coated gold nanorods，Au@SiO2），并利用介孔二氧化硅的高比表面積實現(xiàn)了化療藥物阿霉素的高效載帶。通過雙光子成像技術(shù)可明確Au@SiO2在細(xì)胞內(nèi)的定位。通過近紅外激光照射，Au@SiO2包載阿霉素實現(xiàn)了兩種癌癥治療模式：低功率激光誘導(dǎo)阿霉素釋放而產(chǎn)生化療模式，高功率激光通過光熱效應(yīng)而直接實現(xiàn)的化療和熱療雙重模式，可通過改變激光功率而遠程精確調(diào)控這兩種治療模式。新型Au@SiO2載體不僅保留了介孔二氧化硅納米粒子和金納米棒各自的獨特性能，而且還創(chuàng)生出了激光控制藥物釋放這個新功能（圖2）。最近，Shen等［15］進行了Au@SiO2載帶Dox后的體內(nèi)研究，結(jié)果表明在近紅外激光照射下，Au@SiO2-Dox產(chǎn)生了熱療和化療的協(xié)同作用，熱化療聯(lián)用對小鼠腫瘤的抑制率明顯高于單獨的熱療或者化療。

1.3 中空金納米球

HAuNSs也可以作為多功能的腫瘤診療一體化載體。與AuNSs（直徑＞120 nm）相比，更小尺寸的HAuNSs（直徑≈40 nm）能更多地從腫瘤血管中滲出進入到腫瘤組織，更容易被腫瘤細(xì)胞攝?。?6］。

Li課題組在HAuNSs用于腫瘤成像及靶向治療方面做了一系列工作［16-19］。Melancon等［17］制備了表皮生長因子受體的抗體修飾的HAuNSs，以poly（L-glutamic acid）-Gd-NIR813作為模式藥物，結(jié)合磁共振成像、超聲和光學(xué)成像的方法研究了熱療對腫瘤血管滲透性及藥物攝取的影響。結(jié)果表明激光介導(dǎo)的基于金納米材料的熱療能同時提高血管滲透性，進而提高藥物在腫瘤的積累。You等［18］在HAuNSs表面修飾了一種環(huán)狀靶向肽并包載了Dox（T-DOX@HAuNS），體外和體內(nèi)實驗都證實了載體的靶向效果，在治療實驗中T-DOX@HAuNS+激光組的8只小鼠中有6只小鼠的腫瘤完全消失。

圖2 金納米棒的透射電鏡圖Figure2 Transmission electron microscopy image of gold nanorods and their application in cancer theranostics

1.4 金納米籠

AuNCs是一種空心立方的金納米結(jié)構(gòu)，有著薄而多孔的壁和截斷的角。改變AuNCs的尺寸及壁的厚度，可以調(diào)節(jié)AuNCs的SPR吸收峰位于600～1 200 nm內(nèi)的任意波長。SPR吸收峰在800 nm處的AuNCs的邊寬大約在45～50 nm。

夏幼南課題組首先報道了AuNCs的制備方法［20］，并研究AuNCs在生物成像、光熱治療和藥物輸運方面的應(yīng)用。其中最具影響力的工作是Yavuz等［21］制備了溫度敏感的聚合物包被的AuNCs，在近紅外激光照射下，AuNCs的光熱效應(yīng)使使聚合物構(gòu)象改變而發(fā)生崩解，暴露出AuNCs的孔洞，實現(xiàn)近紅外激光控制的藥物釋放。

最近，Shi等［22］也研究了AuNCs在熱化療中的應(yīng)用，他們在AuNCs的孔洞上修飾了CaP包被的磁納米粒子Fe3O4作為孔堵塞物，阻止包載的Dox過早釋放。這種藥物輸送系統(tǒng)同時結(jié)合了磁靶向、熱療和化療。此外，這種納米復(fù)合材料中的磁性部分還可用作磁共振成像的造影劑，實現(xiàn)診斷和監(jiān)測的功能。

1.5 金納米星

由于粒子的多分散性，金納米星溶液的吸收峰通常是一個很寬的峰。通過理論計算和實驗技術(shù)繪制金納米星的SPR空間分布，發(fā)現(xiàn)電子會在金納米星的尖端聚集，因而可能產(chǎn)生更高的溫度。近年來，金納米星在腫瘤診療中的應(yīng)用也成為一個研究熱點［23-25］。

Yuan等［23］在金納米星表面修飾了一種反式激活轉(zhuǎn)錄肽（trans-activator of transcription peptide，TAT peptide），發(fā)現(xiàn)其比裸露的和PEG修飾的金納米星被細(xì)胞攝入的量更多。TAT-AuNP孵育BT549乳腺癌細(xì)胞后，用功率密度是0.2W/cm2的脈沖激光照射腫瘤細(xì)胞即可實現(xiàn)熱療，比文獻中報道的功率密度都要低?？梢姡@種TAT修飾的金納米星結(jié)構(gòu)不僅能提高腫瘤治療療效，還有助于提高腫瘤治療的安全性。

光動力治療（photodynamic therapy，PDT）也是近年迅速發(fā)展的一種腫瘤選擇性治療技術(shù)。Wang等［24］在金納米星的表面共價修飾了光敏劑二氫卟吩E6（Chlorin e6，Ce6），用一種連續(xù)波長的近紅外激光照射同時實現(xiàn)了PDT和光熱治療。這種方法極大地簡化了處理過程，并且與以前報道的光敏劑修飾的納米材料相比明顯地提高了抗癌效果。

最近，Chen等［25］在金納米星表面修飾了靶向分子精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（arginine-glycine-aspartic acid，RGD）、近紅外熒光探針和抗腫瘤藥物Dox，實現(xiàn)了腫瘤靶向、成像、熱療和化療多種診療功能。

2 結(jié)語

綜上所述，基于金納米材料的藥物輸運體系，能在一個載體上同時實現(xiàn)多種診療功能，這種集多種功能、協(xié)同增效的診療一體化納米載體，是納米藥物的一個重要發(fā)展方向。

盡管上述研究結(jié)果鼓舞人心，這些金納米粒子在高功率激光照射下會發(fā)生形變，導(dǎo)致近紅外區(qū)域SPR吸收的損耗。雖然剛性介孔二氧化硅包覆的AuNRs已經(jīng)克服了這一問題對光熱應(yīng)用的阻礙，但對于其他金納米顆粒而言，仍需要新方法來解決這個問題。尺寸、形狀、表面修飾和表面電荷都是決定材料生物相容性的關(guān)鍵因素［26-28］。此外，合理設(shè)計納米載藥體系，使其能提高納米材料和藥物在腫瘤部位的積累，對于提高成像質(zhì)量和治療效果都有重要的意義［29］。在對癌癥患者進行臨床試驗之前，這些納米材料在體內(nèi)的行為包括藥效、穩(wěn)定性、毒性、分布、代謝等問題仍然需要系統(tǒng)研究。

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