金納米星的光學性質(zhì)在腫瘤診治應用的研究進展

李 燕，李 屹，白 睿，劉惠亮

金納米星的光學性質(zhì)在腫瘤診治應用的研究進展

李 燕1，李 屹2，白 睿2，劉惠亮1

隨著醫(yī)學的不斷發(fā)展，生物材料在醫(yī)學領(lǐng)域的應用逐漸成為研究熱點。金納米顆粒具有優(yōu)良的穩(wěn)定性、物理化學性質(zhì)及光學性質(zhì)等，在生物醫(yī)學診斷和治療中的應用日益增多，如藥物遞送及光熱治療等。金納米星（gold nanostars，GNSs）作為一種新型的金納米材料，因其獨特的星形結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，使其光熱效應尤為突出，越來越受到科學家們的關(guān)注。筆者就GNSs的結(jié)構(gòu)、光學性質(zhì)進行評價，并指出其在醫(yī)學領(lǐng)域尤其是腫瘤診斷與治療方面的應用前景。

金納米星；光學性質(zhì)；腫瘤診斷；光熱治療

醫(yī)學發(fā)展與現(xiàn)有材料的優(yōu)化和新材料的產(chǎn)生有著密切關(guān)系。納米材料因其獨特的物理、化學特性，促使其在醫(yī)學生物領(lǐng)域得到廣泛應用。癌癥的傳統(tǒng)治療方法雖有確切療效，但副作用不可避免，光熱治療是將特定的光能轉(zhuǎn)化為熱能傳遞到腫瘤組織，具有近紅外光熱效能和靶選擇性的優(yōu)點，可破壞腫瘤組織和減少不良反應，可能成為癌癥治療方法[1]。具有獨特光學性質(zhì)的各種納米材料已經(jīng)應用于光熱治療，例如碳納米管[2]、氧化石墨烯[3]和金納米結(jié)構(gòu)[4]。其中金納米星（gold nanostars, GNSs）是具有尖狀結(jié)構(gòu)的星形金納米材料，光熱轉(zhuǎn)換性能突出，在腫瘤診斷與治療方面的應用受到關(guān)注[5]。本研究主要從GNSs光學性質(zhì)及用途兩方面探討該材料的應用前景。

1 GNSs的制備、結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)

1.1 GNSs的制備 GNSs的傳統(tǒng)制備方法分為種子生長法和合成法，但是GNSs的進一步使用受到以下限制：（1）十六烷基三甲基溴化銨（hexadecyl trimethyl ammonium bromide, CTAB）的潛在毒性；（2）多次洗滌后誘導聚集；（3）在生物功能化期間替換表面活性劑聚乙烯吡咯烷酮（polyvinyl pyrrolidone, PVP）或CTAB[6]。最近，使用檸檬酸鹽/氫醌作為還原劑/表面活性劑合成GNSs，提高了生物相容性，增加了GNSs在表面增強拉曼散射（surface enhanced raman scattering, SERS）成像應用的潛力[7]。Liu 等[8]也通過獨特的種子介導方法，無需使用有毒的表面活性劑CTAB，在劇烈攪拌下將15 ml 1%檸檬酸鹽溶液加入到100 ml沸騰的1 mM四氯金酸（HAuCl4）溶液中制備種子溶液，合成了GNSs，實現(xiàn)無表面活性劑的GNSs合成方法，可以潛在地避開這些問題，并且為進一步的應用提供顯著的幫助。Tian等[9]則將4-羥乙基哌嗪乙磺酸（HEPES）作為還原劑、誘導劑，能夠生產(chǎn)高度生物相容性和穩(wěn)定的GNSs。

1.2 GNSs的結(jié)構(gòu) 金納米顆粒（gold nanoparticles，AuNPs），也稱金膠體，是最穩(wěn)定的金屬納米顆粒，并且其具有磁性，力學特性，光學性質(zhì)（量子尺寸效應）以及催化和生物學作用等，多種類型還可組裝，發(fā)揮更多功能[10]。GNSs是一種高度各向異性的AuNPs，由中央核心和許多尖銳的尖端組成，直徑大約在50～100 nm，其獨特的星形圖案狀結(jié)構(gòu)，顯著增加比表面積，并且GNSs獨有的尖端在改變力學環(huán)境上具有調(diào)節(jié)作用。

1.3 GNSs的光學性質(zhì) AuNPs的光學性質(zhì)表現(xiàn)在特定波長的光源照射下，能夠激發(fā)其表面自由電子的集體共振，從而產(chǎn)生熱能。GNSs的核心和尖端結(jié)構(gòu)使其具有兩個等離子體共振峰，光學性質(zhì)突出。而其光學性質(zhì)強烈依賴于突出的尖端的尺寸，從而導致吸收峰的波長變化，并且由于核心的等離子體和尖端的組合而在近紅外區(qū)域（650 nm≤λ≤900 nm）顯示出高吸收截面，生物組織對這一區(qū)域光具有高透射率[11]。Wang等[12]通過金鹽化學還原法，將HAuCl4儲備溶液（3.4 ml）加到HEPES溶液（140 mM，10 ml），制備了GNSs，粒徑為（124.8±2.1） nm。經(jīng)過紫外可見消光光譜分析，GNSs的吸收峰在810 nm，表明在近紅外區(qū)域具有優(yōu)異的光吸收能力。此外，通過使用532 nm、808 nm激光在不同時間和濃度下檢測溫度發(fā)現(xiàn)，GNSs的加熱效率強烈依賴于輻射時間和GNSs的濃度，并且808 nm較532 nm的激光溫度上升更快，增長率更高。Rodríguez-Oliveros等[13]通過三維格林定理方法對GNSs的光學性質(zhì)進行數(shù)值計算，以獲得具有不同對稱性和尖端數(shù)量的GNSs的吸收和散射截面。結(jié)果顯示，GNSs尖端越尖銳，吸收截面在局部表面等離子體共振處越大，較金納米球相比提供了更好的加熱效率，體現(xiàn)了其在癌癥熱療法的適用性。并且散射截面同樣得到增強，由于散射截面是增加光學對比度的關(guān)鍵特征，使GNSs應用于光學相干增強斷層掃描成為可能。王小翠[14]通過種子合成法分別合成了金納米棒和GNSs，并且通過離散偶極近似方法對兩者的光學性質(zhì)進行理論模擬，研究發(fā)現(xiàn)，具有相近等離子體共振峰的兩種AuNPs，摩爾升溫速率、摩爾消光系數(shù)均是GNSs優(yōu)于金納米棒，光熱轉(zhuǎn)換效率兩者相近。其中摩爾升溫速率是表現(xiàn)一種溶液升溫快慢的物理量，可以得出GNSs在電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的應用上具有更大的優(yōu)勢。

2 GNSs在腫瘤診治方面的應用

2.1 在腫瘤分子檢測和診斷方面 癌癥已經(jīng)成為世界上人口死亡的主要原因之一，據(jù)估計每年有超過1270萬癌癥病例和760萬人死亡[15]。癌癥的高病死率很大程度上歸因于發(fā)現(xiàn)腫瘤的時間較晚，失去了最佳治療時期，所以檢測手段的靈敏度和選擇性對于生物感測和臨床診斷有著重要的意義。尺寸小于100 nm的GNSs可以通過增強的滲透壓和滯留效應在腫瘤中選擇性地累積，這是由于腫瘤中血液脈管系統(tǒng)的滲漏的增加[16,17]。除了被動的滲透壓和滯留效應，由于癌細胞表面過度表達的特異性標記物，經(jīng)過抗體標記的GNSs也可通過化學鍵與抗原識別、結(jié)合，從而增強其在腫瘤部位的聚集[18,19]。因此，GNSs用于癌癥診斷的靶向多模態(tài)成像，包括表面增強SERS，雙光子發(fā)光（two-photon luminescence, TPL），磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI），正電子發(fā)射斷層掃描（positron emission tomography, PET）和電子計算機X線斷層掃描（computed tomography, CT）成像，應用于分子檢測和生物醫(yī)學成像[20]。

惡性膠質(zhì)瘤是腦部腫瘤最常見的類型，多因造影劑和治療藥物不能有效通過血腦屏障，而導致病情的復發(fā)和惡化。Liu等[8]合成了GNSs作為pH傳感納米探針，利用其增強的SERS效應，應用于局部細胞環(huán)境研究和體內(nèi)腫瘤邊界描繪，體現(xiàn)了GNSs在腫瘤分子檢測的潛力。而且團隊發(fā)現(xiàn)GNSs是一種高強度的TPL信號，可以作為強光學造影劑，提供優(yōu)越的靈活性。團隊采用多光子顯微鏡檢查GNSs在腦腫瘤內(nèi)分布的高空間分辨率。結(jié)果顯示相比于普通血管內(nèi)造影劑（例如FITC-葡萄糖）在小于30 min內(nèi)信號顯著衰減，GNSs表現(xiàn)出更長的血清半衰期（幾個小時）。組織學檢查用4', 6-二脒基-2-苯基吲哚（4',6-diamidino-2-phenylindole, DAPI）復染時，發(fā)現(xiàn)GNSs不僅累積在腫瘤血管內(nèi)皮細胞中，而且選擇性穿透腫瘤血腦屏障，說明GNSs可以作為一種優(yōu)秀的造影劑應用于腫瘤診斷。Yuan等[21]通過785 nm激光照射，比較銀球、金球及相似尺寸、濃度的GNSs作為基底材料對拉曼散射的增強情況，發(fā)現(xiàn)GNSs具有類似于銀球的SERS增強因子優(yōu)于金球，認為是GNSs的局部表面等離子體共振和多個尖端分支的獨特結(jié)構(gòu)發(fā)揮了重要的作用。

2.2 在腫瘤光熱治療方面 當惡性腫瘤深深地嵌入體內(nèi)或重要器官中使得它們不可手術(shù)切除時，非侵入性熱療法能產(chǎn)生更好的療效和比常規(guī)物理治療更少的副作用。熱療法是通過破壞細胞膜或通過變性蛋白質(zhì)和脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）來造成直接的、不可逆的癌細胞損傷，最終導致癌組織的破壞。熱療法也可用于增強癌細胞對放射和化療的敏感性。目前已經(jīng)研究了各種熱源，包括激光，微波及超聲，但是這些在殺死癌細胞的同時也損害健康組織，而納米粒子可以局限于目標組織，大大降低了副作用的發(fā)生?；诩{米粒子的熱療法分為兩大類：磁熱療法和光熱療法。磁熱療法也稱為磁熱療，是基于使用高頻交變磁場激發(fā)磁納米顆粒，從而產(chǎn)生局部加熱，經(jīng)過幾十年的探索已經(jīng)從體外研究進展至臨床前研究。光熱治療是一種更新的概念，使用適當?shù)墓饷魟淇梢杂行У匚杖肷涔?，以產(chǎn)生足夠的局部熱能[22]。在近幾年中，光熱治療已經(jīng)成為癌癥治療的替代選擇。光熱療法具有高空間時間選擇性和最小的侵襲性，因為光熱效應僅發(fā)生在光照射和光吸收共同存在的部位。

金納米粒子的強吸收，有效的熱轉(zhuǎn)化，高的光穩(wěn)定性，固有的低毒性和明確的表面化學性質(zhì)，使其作為光敏劑應用于光熱療法日益收到關(guān)注。相對于其他金納米材料，GNSs在醫(yī)學領(lǐng)域的研究較少，但通過分析GNSs的物理結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，獨特的星形結(jié)構(gòu)使其擁有較大的比表面積，從而散射能力突出，并且GNSs的尖端結(jié)構(gòu)成就了其在近紅外區(qū)域具有顯著的吸收截面，可以使入射的近紅外光更容易穿透，達到整體參與產(chǎn)熱過程的效果，更好的發(fā)揮光熱效應[18]。比如Vankayala等[23]研究發(fā)現(xiàn)金納米棒（AuNRs）在單光子近紅外線（915 nm，＜130 mW / cm2）的作用下，可以發(fā)揮顯著的光熱效應，完全破壞小鼠的實體瘤。并且在這項研究中構(gòu)建了GNSs，根據(jù)GNSs的物理形態(tài)，認為其兼具AuNPs和金納米棒的特性。Wang等[12]研究證實，在體外實驗中，經(jīng)過近紅外光照射后，GNSs能夠進入人乳腺癌MCF-7細胞的細胞質(zhì)及細胞核，表現(xiàn)在G0 / G1期阻滯細胞周期，并降低細胞內(nèi)谷胱甘肽水平，導致嚴重的細胞凋亡和細胞死亡。在體內(nèi)實驗中，向小鼠腫瘤模型注射GNSs，并且每天給予808 nm激光照射（300 mW / cm2，15 min），12 d后發(fā)現(xiàn)腫瘤的體積明顯減小。說明GNSs突出的光熱轉(zhuǎn)換性能使其在腫瘤的靶向治療方面具有廣闊的應用前景。Wang等[24]將納米氧化石墨烯、GNSs和多柔比星整合成復合納米材料，綜合了納米材料的光熱效應與化療藥物的作用，研究發(fā)現(xiàn)在近紅外線的照射下，GNSs的光熱效應使多柔比星有更高的細胞內(nèi)攝取效率，發(fā)揮更好的藥物作用，可以抑制裸鼠4T1乳腺腫瘤生長及肺轉(zhuǎn)移，并且相對于多柔比星，既增強了抗腫瘤能力也減少了化療藥物的毒性，顯示了化療與GNSs協(xié)同治療轉(zhuǎn)移性腫瘤的良好潛力。

近來Sardo等[25]將小RNA分子（small interfering RNA，siRNA）和GNSs合成復合物，對穩(wěn)定轉(zhuǎn)染以表達螢火蟲熒光素酶基因的人乳腺癌細胞系（MCF-7 / Luc）進行生物學評價，研究發(fā)現(xiàn)，相對于siRNA，實驗組siRNA/GNSs能夠在MCF-7細胞內(nèi)更大程度的內(nèi)化，并且有效地抑制細胞內(nèi)的熒光素酶表達，而不引起嚴重的細胞毒性。說明GNSs可視為siRNA的有效和安全的細胞內(nèi)遞送載體，因為其具有共軛穩(wěn)定地捕獲和遞送細胞內(nèi)siRNA的能力，克服siRNA（小干擾RNA）的低生物利用度并提高它們的轉(zhuǎn)染效率，此研究為獲得GNSs額外的潛在治療用途開辟了新的視角。

3 展 望

GNSs因其獨特的結(jié)構(gòu)、優(yōu)越的光學性質(zhì)及低毒性等優(yōu)點，在醫(yī)學生物領(lǐng)域有著巨大的應用前景。上述研究發(fā)現(xiàn)GNSs可作為造影劑應用于生物醫(yī)學成像，而且能選擇性地穿透血腦屏障，說明GNSs作為藥物載體和造影劑的應用潛力。GNSs經(jīng)過近紅外光（650～900 nm）照射，可在腫瘤中選擇性地累積，引起腫瘤細胞的凋亡，與化療藥物配伍還可以增強其療效并減少不良反應。證明了GNSs優(yōu)異的光熱效應在腫瘤的光熱治療領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。希望在不久的將來可以將GNSs應用于臨床診療，為醫(yī)學提供更多樣、更有效的診治方法。

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（2016-12-12收稿 2017-04-14修回）

（本文編輯 宋宮儒）

Advances in the application of optical properties of gold nanostars in cancer diagnosis and therapy

LI Yan1, LI Yi2, BAI Rui2, and LIU Huiliang1. 1. Clinical School of General Hospital of Chinese People's Armed Police Force, Anhui Medical University, Beijing 100039, China; 2. Department of Cardiology, General Hospital of Chinese People's Armed Police Force, Beijing 100039, China

LIU Huiliang, E-mail: lhl518@vip.sina.com

With the continuing development of medical science, the use of biomaterials in the medical field has become a new topic of interest. Nanoparticles have been widely used in biomedical diagnosis and therapy due to their advantages including excellent stability and physical, chemical, and optical properties, such as drug delivery and photothermal therapy. As a novel kind of nanomaterial, gold nanostars (GNSs) have attracted a lot of research interest. Because of the distinctive star-shaped structure and the large surface-tovolume ratio, the photothermal effect of GNSs is outstanding. In this review, the author evaluates the structure and optical properties of GNSs and discusses the application prospects of this material in the diagnosis and therapy of tumors.

gold nanostars; optical properties; tumor diagnosis; photothermal therapy

R318.5；R392.1

10.13919/j.issn.2095-6274.2017.05.015

1. 100039 北京，安徽醫(yī)科大學武警總醫(yī)院臨床學院；2. 100039 北京，武警總醫(yī)院心內(nèi)科

劉惠亮，E-mail：lhl518@vip.sina.com