功能納米材料在腫瘤光學(xué)治療中的應(yīng)用*

程亮汪超劉莊

功能納米材料在腫瘤光學(xué)治療中的應(yīng)用*

程亮汪超劉莊

劉莊 教授，現(xiàn)為蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院博士生導(dǎo)師。2004年北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位，2008年美國(guó)斯坦福大學(xué)獲得化學(xué)博士學(xué)位，研究方向?yàn)榧{米生物材料與腫瘤納米技術(shù),較系統(tǒng)地探索了包括碳納米材料、稀土發(fā)光納米晶、有機(jī)納米顆粒、光磁復(fù)合納米材料等在內(nèi)的多種功能納米材料在生物影像、藥物輸送和癌癥光學(xué)治療等方面的應(yīng)用，并對(duì)其生物學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了研究。2005年以來(lái)發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，其中2009年在蘇州大學(xué)獨(dú)立建立課題組后發(fā)表通信作者論文60余篇，論文他引超過(guò)8 000次，SCI'H-index'為42。目前主持的主要項(xiàng)目包括國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年基金（編號(hào)：51222203），科技部973項(xiàng)目課題（編號(hào)：2012CB932601）和江蘇省杰出青年基金（編號(hào)：BK20130005）。

目前在癌癥的治療中，藥物化療和手術(shù)對(duì)正常的組織易產(chǎn)生一定程度的損傷，且治療效果有較大局限。腫瘤光學(xué)治療主要采用近紅外光有選擇性地殺死腫瘤細(xì)胞，不會(huì)對(duì)正常的組織造成明顯的不良作用。隨著納米材料和納米科技的發(fā)展，腫瘤光學(xué)治療如光熱治療、光動(dòng)力治療和光促進(jìn)聯(lián)合治療等得到了快速的發(fā)展。本綜述總結(jié)了近年來(lái)功能納米材料在腫瘤光學(xué)治療應(yīng)用中的最新進(jìn)展。

腫瘤光學(xué)治療 納米材料 光熱治療 光動(dòng)力治療

癌癥已經(jīng)成為21世紀(jì)威脅人類(lèi)健康的最大問(wèn)題之一，目前常用的治療方式主要集中于手術(shù)治療、化學(xué)藥物治療和放射性治療。然而手術(shù)治療很難去除體內(nèi)所有的癌細(xì)胞，化學(xué)治療和放射治療會(huì)給正常的組織帶來(lái)不良反應(yīng)，且容易誘發(fā)癌細(xì)胞的抗藥性［1］。光學(xué)治療通常采用近紅外光作為光源，具有很強(qiáng)的組織穿透能力，不會(huì)對(duì)正常的組織造成損傷。目前基于光學(xué)的療法主要分為兩種類(lèi)型，即光熱治療和光動(dòng)力治療。光熱治療主要是具有光吸收能力的物質(zhì)在激光的照射下產(chǎn)生熱量而殺死腫瘤細(xì)胞。光動(dòng)力治療主要是利用光敏分子在光照條件下產(chǎn)生單線態(tài)氧或活性氧自由基，從而殺死腫瘤細(xì)胞［2］。納米材料和納米科技的發(fā)展進(jìn)一步為光敏分子在光動(dòng)力治療中提供了藥物載體，并賦予其一些新的功能。本文主要綜述功能納米材料在腫瘤光學(xué)治療中的應(yīng)用和發(fā)展。

1 光熱治療

1.1 無(wú)機(jī)納米材料用于光熱治療

常用于光熱治療的無(wú)機(jī)納米材料（表1）。

1.1.1 金基納米材料用于光熱治療 近年來(lái)，金納米材料在生物檢測(cè)、生物成像和生物治療中得到了廣泛的應(yīng)用。大部分應(yīng)用主要是基于金納米結(jié)構(gòu)的等離子體共振，通過(guò)調(diào)控金納米材料的尺寸和形態(tài)可以改變金納米材料的光學(xué)性質(zhì)。常見(jiàn)的有金納米棒、金納米殼、金納米籠、金納米星等。2006年Huang等［3］最早將金納米棒應(yīng)用于細(xì)胞成像和治療，取得了很好的治療效果。同時(shí)在活體水平上，EI-sayed課題組［4］將聚乙二醇修飾的金納米棒通過(guò)尾靜脈注射到小鼠體內(nèi)，在808 nm近紅外激光的照射下，腫瘤的抑制生長(zhǎng)率達(dá)到57%，而對(duì)照組腫瘤持續(xù)生長(zhǎng)。許多課題組將金納米棒應(yīng)用于腫瘤光熱治療中，并取得了很好的治療效果。2002年，夏幼南教授課題組［5］采用一種簡(jiǎn)單的化學(xué)置換的方法合成金納米籠狀結(jié)構(gòu)（圖1），該結(jié)構(gòu)的金在近紅外區(qū)具有很好的等離子體吸收。同時(shí)將anti-HER-2抗體修飾在金納米籠表面，在脈沖激光的照射下，5 min內(nèi)取得了很好的靶向光熱治療效果。同時(shí)將聚乙二醇修飾在金納米籠表面，尾靜脈注射到小鼠體內(nèi)，3天后，在連續(xù)激光（808 nm，0.7 W/cm2，10 min）照射下，腫瘤區(qū)域的溫度升高到50℃，從而達(dá)到治療目的。金納米星結(jié)構(gòu)是由金納米球表面連接一些金納米針?biāo)鶚?gòu)成，在近紅外區(qū)具有很好的吸收，同樣也用于腫瘤光熱治療［6］。Yuan等［7］最近采用人類(lèi)免疫缺陷病毒1型（TAT）-短肽修飾的金納米星用于靶向的光熱治療，在較低的激光功率下（808 nm，0.2 W/cm2），對(duì)乳腺癌細(xì)胞（BT549）進(jìn)行很好的殺滅。金納米殼層結(jié)構(gòu)由于在近紅外區(qū)具有很好的吸收，同樣被廣泛應(yīng)用在光學(xué)成像和光熱治療中［8］。2003年Dolmans等［2］最早將anti-HER-2抗體修飾在納米殼層上用于SKBR3細(xì)胞的暗場(chǎng)模式成像和光熱治療，之后進(jìn)一步用于光學(xué)相干斷層掃描成像和光聲成像。最近他領(lǐng)導(dǎo)的小組已經(jīng)將金納米殼層應(yīng)用于二期臨床前期。同時(shí)，基于金納米殼層的功能復(fù)合納米材料也可用于成像模式指導(dǎo)下的光熱治療。Kim等［9］通過(guò)化學(xué)金晶種生長(zhǎng)的方法合成Fe3O4@Au核殼層結(jié)構(gòu)，用于磁共振成像和光熱治療。Zhou等［10］采用同樣的策略合成了Fe3O4@hybrid@Au殼層和Au納米殼層@Fe3O4@Si@Si殼層兩種不同結(jié)構(gòu)的功能復(fù)合納米材料，并將其利用于成像模式指導(dǎo)下的光熱治療。稀土摻雜的上轉(zhuǎn)換納米材料由于具有近紅外區(qū)激發(fā)、沒(méi)有背景熒光干擾、光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等性能而被廣泛應(yīng)用在納米生物醫(yī)學(xué)中。本課題組采用上轉(zhuǎn)換納米材料為基底，在其表面吸附上磁性納米顆粒，然后在其表面原位生長(zhǎng)出金的殼層，從而應(yīng)用于細(xì)胞和活體上平上磁靶向作用下的成像模式指導(dǎo)的光熱治療（圖 2）［11］。

1.1.2 碳基納米材料用于光熱治療 碳基材料，如富勒烯、碳納米管和石墨烯，近年來(lái)在生物醫(yī)學(xué)中得到快速的發(fā)展，同樣在腫瘤光熱治療中得到廣泛的應(yīng)用。2005年，斯坦福戴宏杰課題組［12］采用DNA修飾的碳納米管用于細(xì)胞水平上的光熱治療。之后，許多課題組開(kāi)始研究不同的靶向分子修飾的碳納米管用于細(xì)胞和活體光熱治療。石墨烯是二維的納米碳結(jié)構(gòu)，在納米生物醫(yī)學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用［13］。由于其在近紅外區(qū)具有很好的光學(xué)吸收，因此也可用于光熱治療。2010年本課題組第一次研究了聚乙二醇修飾的氧化石墨烯在活體水平上的光熱治療（圖3）［14］。之后，其他的研究小組展開(kāi)納米石墨烯在體內(nèi)和體外的光學(xué)治療實(shí)驗(yàn)。為了提高治療效果，氧化石墨烯可以進(jìn)一步被還原成還原石墨烯，其在近紅外的吸光度比氧化石墨烯提高近7～8倍［15］。同樣經(jīng)過(guò)聚乙二醇修飾之后，通過(guò)尾靜脈注射到小鼠體內(nèi)實(shí)現(xiàn)超低功率下的光熱治療（0.15 W/cm2）［16］。另外，碳基納米材料可以和其他無(wú)機(jī)納米材料復(fù)合并應(yīng)用在光熱治療中。本課題組將Au修飾在碳納米管的表面，實(shí)現(xiàn)表面增強(qiáng)拉曼與光熱治療結(jié)合［17］；將磁性納米顆粒Fe3O4修飾在石墨烯的表面，實(shí)現(xiàn)磁共振成像模式指導(dǎo)下的光熱治療［18］。臺(tái)灣清華大學(xué)陳三元課題組將量子點(diǎn)QDs修飾在石墨烯的表面，實(shí)現(xiàn)熒光成像與光熱治療結(jié)合［19］。

1.1.3 其他無(wú)機(jī)納米材料 除了金基、碳基納米材料外，其他的無(wú)機(jī)納米材料在近紅外區(qū)具有很好的光學(xué)吸收也可以用于光熱治療。2009年廈門(mén)大學(xué)鄭南峰課題組利用一氧化碳作為表面控制試劑合成了“鈀藍(lán)”［20］，在近紅外區(qū)具有很好的光學(xué)吸收，在激光照射下對(duì)QGY-7703人肝癌細(xì)胞具有很好的光熱治療效果（圖4）。為了促進(jìn)其進(jìn)入細(xì)胞的能力，他們又發(fā)展了Pd@SiO2、Pd@Ag和Pd@Ag@SiO2等鈀基納米材料用于光熱治療［10］，都取得了良好的治療效果。

表1 常用的無(wú)機(jī)納米材料用于光熱治療Table 1 Use of common inorganic nanomaterials for photothermal therapy

?圖1 A.Au納米籠（45 nm長(zhǎng)×3.5 nm厚度）的激發(fā)、吸收和散射光譜圖。B.Ag納米立方塊的SEM圖。C.Ag納米立方塊和不同濃度的HAuCl4刻蝕的紫外吸收?qǐng)D（歸一化）。D.Ag納米立方塊和HAuCl4刻蝕后的Au納米籠的SEM圖Figure 1 A.Extinction（Cext），absorption（Cabs），and scattering（Csca）cross-sections（note that Cext=Cabs+Csca）were calculated using the DDA method for a gold nanocage of 45 nm in edge length and 3.5 nm in wall thickness.B.SEM images of Ag nanocubes prepared by sulfide-mediated polyol synthesis.C.Normalized vis-NIR extinction spectra recorded from aqueous suspensions of nanostructures after titrating Ag nanocubes with different amounts of a HAuCl4 aqueous solution.D.SEM image of Au nanocages prepared by refluxing an aqueous solution containing both silver nanocubes and HAuCl4.（Copyright from American Chemical Society，2007）

圖2 功能復(fù)合納米材料用于成像模式指導(dǎo)下的光熱治療Figure 2 Multifunctional composite nanoparticles used for imaging-guided cancer therapy

圖3 A.PEG修飾石墨烯的結(jié)構(gòu)示意圖并在其表面標(biāo)記熒光染料Cy7。B.PEG修飾石墨烯的AFM照片。C-E.PEG修飾的石墨烯在活體水平上的光熱治療。C.不同組的腫瘤生長(zhǎng)曲線。D.不同組的小鼠的存活曲線。E.經(jīng)過(guò)不同方式處理小鼠的照片F(xiàn)igure 3 A.Scheme of a nano-graphene sheet（NGS）with PEG functionalization and Cy7 labeling.B.AFM image.C-E.In vivophotothermal therapy study using intravenously injected NGS-PEG.C.Tumor growth curves of different groups after various treatments indicated.D.Survival curves of mice bearing 4T1 tumor after various treatments indicated.E.Representative photos of tumors on mice after various treatments indicated.（Copyright from American Chemical Society，2010）

硫化銅（CuS）是最近幾年發(fā)展的新型的光熱治療試劑。Li等［21］首次報(bào)道了CuS納米顆粒在近紅外區(qū)具有很好的光學(xué)吸收并用于光熱治療。為了進(jìn)一步提高其光熱轉(zhuǎn)換效率，東華大學(xué)胡俊杰教授課題組合成了不同尺寸大小花狀的CuS納米片，在低功率的近紅外激光照射下，對(duì)腫瘤細(xì)胞具有很好的殺傷作用［22］。最近他們課題組還合成了Fe3O4@Cu2-xS核殼功能復(fù)合納米材料，用于磁共振成像和光熱治療［23］。

另外，拓?fù)浣^緣體與石墨烯類(lèi)似，屬于層狀化合物，具有特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)，同樣在生物醫(yī)學(xué)中得到進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用［24］。最近Chou等［25］首次報(bào)道硫化鉬（MoS2）納米片作為一種新的光熱治療試劑。Chen等將表面經(jīng)過(guò)修飾的硒化鉍（Bi2Se3）納米片進(jìn)行活體水平上的CT成像和光熱治療。

圖4 A.合成的Pd納米片分散在乙醇中。B.合成的Pd納米片的HRTEM照片。C.成的Pd納米片的SAED照片。D.合成的Pd納米片垂直于銅網(wǎng)的TEM照片F(xiàn)igure 4 A.TEM image of the palladium nanosheets.Inset：photograph of an ethanol dispersion of the as-prepared palladium nanosheets in a cuvette.B.HRTEM image of a palladium nanosheet flat lying on the TEM grid.C.SAED pattern of a single palladium nanosheet（shown in the inset）.D.TEM image of the assembly of palladium nanosheets perpendicular to the TEM grid.（Copyright from NPG，2009）

1.2 有機(jī)納米材料用于光熱治療

常用于光熱治療的有機(jī)納米材料（表2）。

1.2.1 近紅外染料用于光熱治療 吲哚青綠（ICG）是美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）所批準(zhǔn)用于臨床的藥物，廣泛應(yīng)用在納米生物醫(yī)學(xué)中，同樣在光熱治療中也發(fā)揮巨大的優(yōu)勢(shì)［26］。Yu等［27］將anti-EGFR偶聯(lián)在ICG表面并實(shí)現(xiàn)了對(duì)1 483癌細(xì)胞很好的光熱治療效果。Zheng等［28］設(shè)計(jì)了磷脂聚乙二醇（PL-PEG）修飾的ICG分子，并在其表面偶聯(lián)上葉酸（FA）和整合素RGD雙重靶向分子，實(shí)現(xiàn)了對(duì)U87腫瘤細(xì)胞很好的光熱治療。與ICG分子類(lèi)似，七甲吲哚菁染料在近紅外區(qū)也具有吸收高、量子產(chǎn)率低的特點(diǎn)，因此也可以用于光熱治療。最近，本課題組合成了吲哚菁染料IR-825分子［29］，并在其表面修飾上兩親性高分子，形成納米膠束IR825-PEG，使其具有很好的水溶性和生物相容性（圖5）。通過(guò)尾靜脈注射到小鼠體內(nèi)，在腫瘤區(qū)域具有很高的富集能力，并在近紅外激光808 nm照射下，腫瘤完全殺滅。

1.2.2 共軛高分子納米材料用于光熱治療 共軛高分子納米材料廣泛用于物理器件中。由于其在近紅外具有很好的光學(xué)吸收，最近也被用于納米生物醫(yī)學(xué)中。Yang等［30］首次報(bào)道聚苯胺聚合物在808 nm激光作用下可以殺死腫瘤細(xì)胞。本課題組采用簡(jiǎn)單的化學(xué)方法合成聚吡咯分子，在細(xì)胞和活體水平上研究其光熱治療效果［10］。通過(guò)瘤內(nèi)注射的方式將聚吡咯注射到小鼠體內(nèi)，在極低的功率下（808 nm，0.25 W/cm2），達(dá)到100%消除腫瘤的目的。本課題組又報(bào)道了另外一種共軛高分子納米材料PEDOT：PSS經(jīng)過(guò)表面修飾后通過(guò)尾靜脈注射后在腫瘤區(qū)域富集并在激光照射下腫瘤完全消滅（圖6）［31］。另外，Mac-Neill等［32］也報(bào)道了低帶隙的給體-受體電子空穴的導(dǎo)電高分子ECP用于細(xì)胞水平上的光熱治療。

1.3 其他有機(jī)納米材料

加拿大多倫多大學(xué)鄭鋼教授課題組采用磷脂包裹的卟啉有機(jī)納米高分子最早用于光熱治療［33］，同時(shí)由于其在體內(nèi)能夠降解，在納米生物醫(yī)學(xué)中的得到廣泛的應(yīng)用。最近他們課題組系統(tǒng)研究磷脂包裹的卟啉環(huán)結(jié)構(gòu)在活體水平上的光熱和光動(dòng)力治療［34］。另外，F(xiàn)u等［35］合成了普魯士藍(lán)納米粒子，在近紅外區(qū)具有很好的光學(xué)吸收和光學(xué)熱穩(wěn)定性，在細(xì)胞水平上取得了很好的光熱治療效果。Liu等［36］采用簡(jiǎn)單的化學(xué)方法合成的多巴胺包裹的黑色素有機(jī)納米粒子同樣在近紅外區(qū)具有很好的光學(xué)吸收。其主要的優(yōu)點(diǎn)是在生物體內(nèi)可以降解，并具有很好的光熱轉(zhuǎn)換效率，且在活體水平上取得了很好的光熱治療效果。

表2 常用的有機(jī)納米材料用于光熱治療Table 2 Use of common organic nanomaterials for photothermal therapy

圖5 PEG修飾的IR825有機(jī)小分子納米顆粒用于活體水平上的光熱治療Figure 5 IR825-PEG nanoparticles used forin vivophotothermal therapy.（Copyright from Willy，2013）

2 光動(dòng)力治療

光動(dòng)力治療主要是選用一些光敏分子，在光照射下產(chǎn)生活性氧自由基來(lái)殺死腫瘤細(xì)胞。而傳統(tǒng)的光敏分子由于其親水性差、容易聚集，限制了其在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用，因此也需要對(duì)其表面進(jìn)行合適的化學(xué)修飾，使其具有更好的水溶性和生物相容性。納米材料的發(fā)展，為光敏分子提供新的藥物載體，許多無(wú)機(jī)納米材料應(yīng)用在光動(dòng)力治療中（表3）。

圖6 PEG修飾的PEDOT：PSS導(dǎo)電高分子納米材料用于活體水平上的光熱治療Figure 6 PEDOT：PSS-PEG conductive polymers used forin vivophotothermal therapy

表3 常用的功能納米材料用于光動(dòng)力治療Table 3 Use of common functional nanomaterials for photothermal therapy

2.1 碳基納米材料用于光動(dòng)力治療

碳基納米材料由于具有巨大的比表面積，在藥物裝載方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。富勒烯是由60個(gè)碳組成的足球結(jié)構(gòu)，可吸收可見(jiàn)光并產(chǎn)生活性氧自由基，從而可以應(yīng)用在光動(dòng)力治療中。Yang等［37］報(bào)道了富勒烯及其衍生物用于HeLa宮頸癌細(xì)胞的光動(dòng)力治療。碳納米管是一維的碳材料結(jié)構(gòu)，同樣可以作為光動(dòng)力治療的藥物載體［38］。石墨烯是二維的碳材料結(jié)構(gòu)，具有特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)。Dong等［39］首先報(bào)道了基于石墨烯的光動(dòng)力治療。本課題組同樣也報(bào)道了將光敏試劑二氫卟吩（Ce6）吸附在石墨烯的表面（圖7），實(shí)現(xiàn)光熱促進(jìn)光動(dòng)力治療的效果［40］。

圖7 基于石墨烯的光熱促進(jìn)光動(dòng)力治療的示意圖Figure 7 Schemes of the experimental design in photothermally enhanced photodynamic therapy

2.2 其他無(wú)機(jī)納米材料用于光動(dòng)力治療

二氧化硅材料具有很好的生物相容性，被廣泛應(yīng)用在納米生物醫(yī)學(xué)中［41］。在2003年，Yan等［42］就開(kāi)展了二氧化硅包裹亞甲基藍(lán)納米粒子用于光動(dòng)力治療的實(shí)驗(yàn)。最近研究的重點(diǎn)主要是賦予硅其他的功能，實(shí)現(xiàn)成像與治療一體化。一些貴金屬材料如金、銀、鉑等納米材料也可以用作光敏試劑的載體實(shí)現(xiàn)光動(dòng)力治療［43］。最近Cheng等［44］合成了酞菁（PC4）裝載在聚乙二醇修飾的金納米顆粒表面，實(shí)現(xiàn)高效的藥物裝載和光動(dòng)力治療。同時(shí)，金材料本身具有很好的等離子吸收，也可以較好地實(shí)現(xiàn)光熱治療。磁性納米顆粒如四氧化三鐵在磁共振成像方面具有很好的造影效果也被廣泛應(yīng)用在藥物裝載實(shí)驗(yàn)中。許多課題組都巧妙設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)的四氧化三鐵復(fù)合納米結(jié)構(gòu)并用于光動(dòng)力治療實(shí)驗(yàn)中。上海交通大學(xué)崔大祥教授課題組同時(shí)實(shí)現(xiàn)了磁靶向作用下的光動(dòng)力治療和熒光-磁共振雙模態(tài)作用下的成像［45］。另外一些量子點(diǎn)同樣可以作為載體實(shí)現(xiàn)成像和光動(dòng)力治療相結(jié)合［46］。

2.3 上轉(zhuǎn)換納米材料用于光動(dòng)力治療

上述的光動(dòng)力治療所面臨的最大問(wèn)題是采用紫外或可見(jiàn)光做為輻照光源，其組織穿透能力差限制其在光動(dòng)力治療方面的應(yīng)用。而上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料主要采用近紅外激光激發(fā)，其組織穿透能力大大提高。并且由于其發(fā)光性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)背景熒光的干擾的優(yōu)點(diǎn)，大大提高了其在納米生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用［10］。許多課題組開(kāi)展了以上轉(zhuǎn)換納米材料（UCNPs）為基底的光動(dòng)力治療。本課題組采用光敏分子Ce6物理吸附在高分子修飾的上轉(zhuǎn)換納米材料的表面，首次在活體水平上實(shí)現(xiàn)了光動(dòng)力治療效果（圖8）［47］。在最近的一篇工作中，Idris等［48］采用二氧化硅包裹上轉(zhuǎn)換納米顆粒，然后將兩種光敏分子ZnPc和花菁素540共同吸附在介孔硅球表面，在活體水平上實(shí)現(xiàn)了很好的協(xié)同光動(dòng)力治療效果。正是由于上轉(zhuǎn)換納米材料獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在光動(dòng)力治療和生物成像等方面具有很好的發(fā)展前景。

圖8 基于上轉(zhuǎn)換納米材料的腫瘤光動(dòng)力治療Figure 8 Photodynamic therapy based on UCNPs

3 結(jié)論與展望

本文系統(tǒng)總結(jié)了功能納米材料在光學(xué)治療中的應(yīng)用，包括光熱治療光動(dòng)力治療，以及功能納米材料在光控下的聯(lián)合治療。這些功能納米材料及新型的治療方式在納米生物醫(yī)學(xué)中將發(fā)揮重要的作用，部分的功能納米材料已經(jīng)在臨床中開(kāi)展研究。雖然納米材料為腫瘤的光學(xué)治療提供了新的途徑并取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但是還有一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)需要我們?nèi)ソ鉀Q和面對(duì)，同時(shí)也有很多機(jī)遇值得我們把握：納米材料的生物安全性。無(wú)機(jī)納米材料在體內(nèi)較難降解的問(wèn)題對(duì)其將來(lái)臨床應(yīng)用而言是一個(gè)巨大的調(diào)整，因此需要發(fā)展生物可降解的安全的納米材料應(yīng)用于新型的光學(xué)治療，此外納米材料的體積和表面修飾需要進(jìn)一步的調(diào)整以優(yōu)化其在體內(nèi)的行為。

發(fā)展新的儀器提高光學(xué)治療的穿透性。光學(xué)治療中最大的限制是光組織穿透能力的局限，哪怕近紅外光的穿透能力仍然有限。因此，將來(lái)臨床腫瘤治療中光學(xué)治療的進(jìn)一步發(fā)展必須結(jié)合新型介入治療醫(yī)療器械的發(fā)展，這樣的器械需要能有效地將光導(dǎo)入深部腫瘤病灶，實(shí)現(xiàn)均勻照射，并在照射探頭中整合成像功能以實(shí)時(shí)監(jiān)控治療的過(guò)程（如組織溫度等）。

發(fā)展多功能復(fù)合納米材料實(shí)現(xiàn)診療一體化。診療一體化在光學(xué)治療中尤為重要。由于光療試劑（如納米材料）在腫瘤的富集量隨時(shí)間會(huì)發(fā)生較大變化，如何判斷治療的最佳時(shí)機(jī)（光療試劑在腫瘤部分富集達(dá)到峰值時(shí)）顯得尤為重要。此外，治療過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和治療后的療效判斷也需要成像的功能。因此通過(guò)化學(xué)方法將不同功能的材料有機(jī)結(jié)合在一起以發(fā)展成像模式指導(dǎo)下的腫瘤光學(xué)治療很可能將是該領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要方向。

發(fā)展腫瘤聯(lián)合治療。盡管腫瘤光學(xué)治療具有許多優(yōu)勢(shì)，但未來(lái)的臨床應(yīng)用中很可能光學(xué)治療會(huì)作為一種輔助治療出現(xiàn)（如手術(shù)后的治療等）。如何將新型的光學(xué)治療和傳統(tǒng)的治療方式（手術(shù)、化療、放療）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)1+1＞2的協(xié)同效應(yīng)，以提高腫瘤治愈的可行性并防止轉(zhuǎn)移復(fù)發(fā)，將為未來(lái)腫瘤治療新方法的發(fā)展帶來(lái)巨大的機(jī)遇。

1 Peer D,Karp JM,Hong S,et al.Nanocarriers as an emerging platform for cancer therapy[J].Nat Nanotechnol,2007,2(12)：751-760.

2 Dolmans D,Fukumura D,Jain RK.Photodynamic therapy for cancer[J].Nat Rev Cancer,2003,3(5)：380-387.

3 Huang X,El-Sayed IH,Qian W,et al.Cancer Cell Imaging and Photothermal Therapy in the Near-Infrared Region by Using Gold Nanorods[J].J Am Chem Soc,2006,128(6)：2115-2120.

4 Dickerson EB,Dreaden EC,Huang X,et al.Gold nanorod assisted near-infrared plasmonic photothermal therapy(PPTT)of squamous cell carcinoma in mice[J].Cancer Lett,2008,269(1)：57-66.

5 Skralak SE,Chen J,Sun Y,et al.Gold Nanocages：Synthesis,Properties,and Applications[J].Accounts Chem Res,2008,41(12)：1587-1595.

6 Chen J,Glaus C,Laforest R,et al.Gold nanocages as photothermal transducers for cancer treatment[J].Small,2010,6(7)：811-817.

7 Yuan H,Khoury CG,Wilson CM,et al.In vivo particle tracking and photothermal ablation using plasmon-resonant gold nanostars[J].Nanomedicine,2012,8(8)：1355-1363.

8 Fekrazad R,Hakimiha N,Farokhi,E,et al.Treatment of oral squamous cell carcinoma using anti-HER2 immunonanoshells[J].Int J Nanomedicine,2011,6：2749-2755.

9 Kim J,Park S,Lee JE,et al.Designed Fabrication of Multifunctional Magnetic Gold Nanoshells and Their Application to Magnetic Resonance Imaging and Photothermal Therapy[J].Angew Chem Int Ed,2006,118(46)：7918-7922.

10 Zhou J,Liu Z,Li F.Upconversion nanophosphors for small-animal imaging[J].Chem Soc Rev,2012,41(3)：1323-1349.

11 Cheng L,Yang K,Li YG,et al.Multifunctional nanoparticles for upconversion luminescence/MR multimodal imaging and magnetically targeted photothermal therapy[J].Biomaterials,2012,33(7)：2215-2222.

12 Liu X,Tao H,Yang K,et al.Optimization of surface chemistry on single-walled carbon nanotubes for in vivo photothermal ablation of tumors[J].Biomaterials,2011,32(1)：144-151.

13 Allen MJ,Tung VC,Kaner RB,Honeycomb carbon：a review of graphene[J].Chem Rev,2009,110(1)：132-145.

14 Yang K,Zhang S,Zhang G,et al.Graphene in Mice：Ultrahigh In Vivo Tumor Uptake and Efficient Photothermal Therapy[J].Nano Lett,2010,10(9)：3318-3323.

15 Robinson JT,Tabakman SM,Liang Y,et al.Ultrasmall Reduced Graphene Oxide with High Near-Infrared Absorbance for Photothermal Therapy[J].J Am Chem Soc,2011,133(17)：6825-6831.

16 Yang K,Wan J,Zhang S,et al.The influence of surface chemistry and particle size of nanoscale graphene oxide on photothermal therapy of cancer using ultra-low laser power[J].Biomatreials,2012,33(7)：2206-2214.

17 Wang X,Wang C,Cheng L,et al.Noble Metal Coated Single-Walled Carbon Nanotubes for Applications in Surface Enhanced Raman Scattering Imaging and Photothermal Therapy[J].J Am Chem Soc,2012,134(17)：7414-7422.

18 Yang K,Hu L,Ma X,et al.Multimodal Imaging Guided Photothermal Therapy using Functionalized Graphene Nanosheets Anchored with Magnetic Nanoparticles[J].Adv Mater,2012,24 (14)：1868-1872.

19 Hu SH,Chen YW,Hung WT,et al.Quantum-Dot-Tagged Reduced Graphene Oxide Nanocomposites for Bright Fluorescence Bioimaging and Photothermal Therapy Monitored In Situ[J].Adv Mater,2012,24(13)：1748-1754.

20 Huang X,Tang S,Mu X,et al.Freestanding palladium nanosheets with plasmonic and catalytic properties[J].Nat Nanotechnol,2011,6(1)：28-32.

21 Li Y,Lu W,Huang Q,et al.Copper sulfide nanoparticles for photothermal ablation of tumor cells[J].Nanomedicine,2010,5(8)：1161-1171.

22 Tian Q,Tang M,Sun Y,et al.,Hydrophilic Flower-Like CuS Superstructures as an Efficient 980 nm Laser-Driven Photothermal Agent for Ablation of Cancer Cells[J].Adv Mater,2011,23(31)：3542-3547.

23 Tian Q,Hu J,Zhu Y,et al.Sub-10 nm Fe3O4@Cu2-xS Core-shell Nanoparticles for Dual-modal Imaging and Photothermal Therapy[J].J Am Chem Soc,2013,135(23)：8571-8577.

24 Huang X,Zeng Z,Zhang H.Metal dichalcogenide nanosheets：preparation,properties and applications[J].Chem Soc Rev,2013,42(5)：1934-1946.

25 Chou SS,Kaehr B,Kim J,et al.Chemically Exfoliated MoS2 as Near-Infrared Photothermal Agents[J].Angew Chem Int Ed,2013,52(5)：4160-4164.

26 Kim JW,Galanzha EI,Shashkov EV,et al.Golden carbon nanotubes as multimodal photoacoustic and photothermal high-contrast molecular agents[J].Nat Nanotechnol,2009,4(10)：688-694.

27 Yu J,Javier D,Yaseen MA,et al.Self-Assembly Synthesis,Tumor Cell Targeting,and Photothermal Capabilities of Antibody-Coated Indocyanine Green Nanocapsules[J].J Am Chem Soc,2010,132(6)：1929-1938.

28 Zheng X,Xing D,Zhou F,et al.Indocyanine green-containing nanostructure as near infrared dual-functional targeting probes for optical imaging and photothermal therapy[J].Molecular Pharmaceutics,2011,8(2)：447-456.

29 Cheng L,He W,Gong H,et al.PEGylated Micelle Nanoparticles Encapsulating a Non-Fluorescent Near-Infrared Organic Dye as a Safe and Highly-Effective Photothermal Agent for In Vivo Cancer Therapy[J].Adv Funct Mater,2013,doi：10.1002/adfm.201301045.

30 Yang J,Choi J,Bang D,et al.Convertible Organic Nanoparticles for Near-Infrared Photothermal Ablation of Cancer Cells[J].Angew Chem Int Ed,2011,50(2)：441-444.

31 Cheng L,Yang K,Chen Q,et al.Organic Stealth Nanoparticles for Highly Effective in Vivo Near-Infrared Photothermal Therapy of Cancer[J].ACS nano,2012,6(6)：5605-5613.

32 MacNeill CM,Coffin RC,Carroll DL,et al.Low Band Gap Donor-Acceptor Conjugated Polymer Nanoparticles and their NIR-mediated Thermal Ablation of Cancer Cells[J].Macromolecular Bioscience,2013,13(1)：28-34.

33 Lovell JF,Jin CS,Huynh E,et al.Porphysome nanovesicles generated by porphyrin bilayers for use as multimodal biophotonic contrast agents[J].Nat Mater,2011,10(4)：324-332.

34 Jin CS,Lovell JF,Chen J,et al.Ablation of Hypoxic Tumors with Dose-Equivalent Photothermal,but Not Photodynamic,Therapy Using a Nanostructured Porphyrin Assembly[J].ACS Nano,2013,7(3)：2541-2550.

35 Fu G,Liu W,Feng S,et al.Prussian blue nanoparticles operate as a new generation of photothermal ablation agents for cancer therapy[J].Chem Comm,2012,48(94)：11567-11569.

36 Liu Y,Ai K,Liu J,et al.Dopamine-Melanin Colloidal Nanospheres：An Efficient Near-Infrared Photothermal Therapeutic Agent for In Vivo Cancer Therapy[J].Adv Mater,2013,25(9)：1353-1359.

37 Yang XL,Fan CH,Zhu HS.Photo-induced cytotoxicity of malonic acid[C60]fullerene derivatives and its mechanism[J].Toxicology in vitro,2002,16(1)：41-46.

38 Erbas S,Gorgulu A,Kocakusakogullari M,et al.Non-covalent functionalized SWNTs as delivery agents for novel Bodipy-based potential PDT sensitizers[J].Chem Comm,2009,(33)：4956-4958.

39 Dong H,Zhao Z,Wen H,et al.Poly(ethylene glycol)conjugated nano-graphene oxide for photodynamic therapy[J].Sci China Chem,2010,53(11)：2265-2271.

40 Tian B,Wang C,Zhang S,et al.Photothermally Enhanced Photodynamic Therapy Delivered by Nano-Graphene Oxide[J].ACS Nano,2011,5(9)：7000-7009.

41 Tang F,Li L,Chen D.Mesoporous silica nanoparticles：synthesis,biocompatibility and drug delivery[J].Adv Mater,2012,24(12)：1504-1534.

42 Yan F,Kopelman R.The Embedding of Meta-tetra(Hydroxyphenyl)-Chlorin into Silica Nanoparticle Platforms for Photodynamic Therapy and Their Singlet Oxygen Production and pH-dependent Optical Properties[J].Photochemistry and Photobiology,2003,78(6)：587-591.

43 Vankayala R,Sagadevan A,Vijayaraghavan P,et al.Metal Nanoparticles Sensitize the Formation of Singlet Oxygen[J].Angew Chem Int Ed,2011,50(45)：10640-10644.

44 Cheng Y,C Samia A,Meyers JD,et al.Highly Efficient Drug Delivery with Gold Nanoparticle Vectors for in Vivo Photodynamic Therapy ofCancer[J].JAm Chem Soc,2008,130 (32)：10643-10647.

45 Huang P,Li Z,Lin J,et al.Photosensitizer-conjugated magnetic nanoparticles for in vivo simultaneous magnetofluorescent imaging and targeting therapy[J].Biomaterials,2011,32(13)：3447-3458.

46 Gandra N,Chiu PL,Li W,et al.Photosensitized Singlet Oxygen Production upon Two-Photon Excitation of Single-Walled Carbon Nanotubes and Their Functionalized Analogues[J].J Phys Chem C Nanomater Inerfaces,2009,113(13)：5182-5185.

47 Wang C,Tao H,Cheng L,et al.Near-infrared light induced in vivo photodynamictherapy ofcancerbased on upconversion nanoparticles[J].Biomaterials,2011,32(26)：6145-6154.

48 Idris NM,Gnanasammandhan MK,Zhang J,et al.In vivo photodynamic therapy using upconversion nanoparticles as remote-controlled nanotransducers[J].Nat Med,2012,18(10)：1580-1585.

（2013-09-28收稿）

（2013-10-31修回）

Functional nanomaterials for phototherapies of cancer

Liang CHENG,Chao WANG,Zhuang LIU

Zhuang LIU;E-mail:zliu@suda.edu.cn
Institute of Functional Nano&Soft Materials(FUNSOM)and Collaborative Innovation Center of Suzhou Nano Science and Technology,Soochow University,Suzhou 215123,China.

Current cancer therapies,including chemotherapies and radiotherapies,can induce toxic side effects to normal tissues with low specificity to cancer cells and usually have limited efficacy as results of drug resistance.Phototherapies kill cancer cells under irradiation of light,preferably near-infrared light with high tissue penetration,and would normally show little toxic effect in the dark.Over the past decade,nanomaterial-based phototherapies have made tremendous progress worldwide.These therapies show remarkable results against cancer in many preclinical studies.This study reviews the recent achievements in the use of functional nanomaterials for photothermal therapy,photodynamic therapy,and photo-controlled therapeutic platforms and discusses future prospects and challenges in this field.

phototherapy of cancer,nanomaterials,photothermal therapy,photodynamic therapy

10.3969/j.issn.1000-8179.20131829

蘇州大學(xué)功能納米與軟物質(zhì)研究院（江蘇省蘇州市215123）

*本文課題受?chē)?guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：51302180，51222203，51002100，51132006），國(guó)家973項(xiàng)目（編號(hào)：2011CB911002，2012CB932601）和江蘇省自然科學(xué)基金（編號(hào)：BK20130005，BK20130305）資助

劉莊 zliu@suda.edu.cn

This work was supported by The National Natural Science Foundation of China(No.51302180,51222203,51002100,and 51132006),The National 973 Project(No.2011CB911002 and 2012CB932601),and The Natural Science Foundation of Jiangsu Province(No.BK20130005 and BK20130305).

（本文編輯：鄭莉）