光動力療法的抗腫瘤作用及其機制的研究進展

孫 旭，孟憲瑛，王瑤琪，楊 帥，逄仁柱，李 勇，石 亮

(吉林大學第一醫(yī)院甲狀腺外科，吉林 長春 130021)

腫瘤的治療是目前醫(yī)學領域最為棘手的難題之一。據(jù)統(tǒng)計，2016年美國約有1 685 210例新診斷出來的惡性腫瘤患者，其中約595 690例腫瘤患者死亡。對于早期診斷的實體腫瘤，手術的治療效果較好，但對有轉移的腫瘤，則需要手術聯(lián)合放化療。某些化療藥物對細胞分裂有影響，主要對毛囊、胃腸黏膜等方面有一定的不良反應。放射治療是治療腫瘤的重要手段，可以治療全身轉移的腫瘤，但是正常組織器官暴露在放射治療中會產(chǎn)生嚴重的不良反應。因此，盡管手術、化療和放療是臨床應對腫瘤的主要治療手段，但是這些傳統(tǒng)的治療方法對于一些惡性腫瘤難以治愈，并且在治療過程中給患者帶來極大的痛苦。光動力療法(photodynamic therapy，PDT)是一種聯(lián)合利用光敏劑、光和氧分子，通過光動力學反應選擇性地治療惡性病變的非侵入性腫瘤治療方法，能通過光敏劑結合在腫瘤部位，在特定波長的激光照射下產(chǎn)生大量的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，從而殺傷腫瘤細胞，抑制腫瘤生長[1]。血卟啉和替莫泊芬等光敏劑已經(jīng)應用于臨床腫瘤的治療。PDT已成為一種有巨大應用潛力的治療晚期腫瘤的新手段，其優(yōu)勢包括：①毒性小。給藥后對局部病變區(qū)域的激光照射治療才能產(chǎn)生ROS，誘導細胞凋亡,降低全身用藥產(chǎn)生的不良反應;②無耐藥性。PDT對局部有針對性;③保護其他器官。對有嚴重心腦等其他疾病不適宜手術治療的患者，PDT是更好的治療手段；④治療更徹底?？杀苊膺z漏手術過程中肉眼看不到的微小病灶，提高預后，以防復發(fā)[2]。

1 PDT的作用機制

1.1 ROS的產(chǎn)生PDT治療中，光敏劑在近紅外線的作用下可產(chǎn)生ROS，局部的ROS爆發(fā)具有促細胞凋亡作用[3]。ROS作為細胞新陳代謝的產(chǎn)物，起初被認為是有毒物質(zhì)，引起許多人類疾病。ROS是細胞信號通路中重要信號分子，調(diào)控多種生理過程。ROS不僅可以產(chǎn)生還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸(NADPH)氧化物質(zhì)傳遞信號，而且是許多信號途徑的第二信使，比如蛋白激酶B(AKT)途徑、細胞周期蛋白調(diào)控的抑制細胞增殖途徑、線粒體介導含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(caspase)的細胞凋亡途徑等。ROS對細胞的生長具有雙重作用：一方面，低水平的ROS能促進細胞的有絲分裂來誘導細胞增殖，在一定范圍內(nèi)，ROS這種促細胞增殖的能力與其水平呈正相關關系；另一方面，過多的ROS會導致細胞通過凋亡或壞死途徑死亡，ROS的水平越高，細胞通過壞死途徑死亡的比例也越高。研究[4-5]表明:腫瘤細胞內(nèi)的ROS水平相對于正常細胞較高，這可能是由于腫瘤的剌激、細胞內(nèi)代謝的改變以及線粒體的紊亂，升高的ROS能刺激細胞增殖，導致突變的發(fā)生頻率增加，誘導基因的不穩(wěn)定性，改變細胞內(nèi)抗腫瘤物質(zhì)的敏感性。大量的ROS可激活線粒體通透性孔道，而開放的線粒體通透性孔道又可釋放大量ROS，兩者之間的正反饋使凋亡信號放大。線粒體外膜的可滲透性又與Ca2+含量有密切關聯(lián)。氧化壓力增高可以使細胞質(zhì)內(nèi)的Ca2+升高，從而導致線粒體內(nèi)Ca2+的超載，進一步增加細胞內(nèi)的ROS，繼而又會使細胞內(nèi)鈣庫中Ca2+釋放增多，Ca2+因清除系統(tǒng)損害而積累增多，細胞內(nèi)ROS增多，誘導細胞凋亡和壞死[6-7]。PDT治療中，局部用激光照射，通過上述途徑，產(chǎn)生過量的ROS，破壞細胞，從而達到治療病灶的目的。

1.2 PDT對血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)的調(diào)節(jié)作用氧和營養(yǎng)物質(zhì)通過血液循環(huán)運輸?shù)浇M織和腫瘤，當腫瘤直徑小于0.1 cm時，血管主要用來運輸氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，但是當腫瘤體積變大，腫瘤血管開始增生，腫瘤細胞向遠處轉移。PDT作用于血管，一方面，PDT可以通過減少腫瘤所需氧和營養(yǎng)物質(zhì)來阻止腫瘤血管重建，使血管形態(tài)改變，因為光照在光敏劑上，能量會從氧轉移到單線態(tài)氧，能進入組織內(nèi)的氧氣就會減少；另一方面，脈管系統(tǒng)中VEGF是血管重建的重要蛋白信號分子，是在細胞內(nèi)和細胞外基質(zhì)中被發(fā)現(xiàn)的一種分泌蛋白。VEGF是缺氧細胞的主要信號分子，PDT治療后氧減少，刺激VEGF重建腫瘤血管[8-9]。2007年，Bhuvaneswari等[10]在鼻咽癌裸鼠模型血清和腫瘤組織中檢測到VEGF，PDT治療可下調(diào)VEGF表達，破壞腫瘤血管，并且是一個急性反應。

1.3 ROS對細胞凋亡的作用ROS可以通過不同的信號途徑引起細胞凋亡。主要分為細胞內(nèi)途徑和細胞外途徑。在細胞內(nèi)，正常情況下線粒體膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜以及核膜上的Bcl-2抗凋亡家族可抑制細胞色素C(cytochrome c)的釋放，在PDT的作用下，ROS可以通過改變線粒體膜的通透性促進線粒體膜釋放cytochrome C,與細胞內(nèi)的凋亡蛋白酶活化因子Apaf-1結合，從而導致ATP/dATP上的caspase 9釋放，進而激活caspase 3和caspase 7，通過清除細胞內(nèi)基質(zhì)導致細胞凋亡[11-12]。隨著cytochrome C的釋放，其他的凋亡誘導因子，如AIF和HtrpA2等也大量釋放，HtrpA2也是通過激活caspase系統(tǒng)導致細胞凋亡，AIF則主要是改變核染色質(zhì)，產(chǎn)生大量DNA碎片導致細胞凋亡。在細胞外，ROS可以促進Ⅰ型跨膜糖蛋白受體(Fasl)、腫瘤壞死因子α(TNF-α)和腫瘤壞死因子相關凋亡誘導配體(Trail)等死亡配體與細胞膜表面的受體結合，激活胞外的死亡受體，活化含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解前酶(procaspases) 8和10，激活procaspases 3和7，導致細胞凋亡[13]。

1.4 ROS對細胞壞死及自噬的作用壞死是核固縮、細胞質(zhì)腫脹導致的細胞膜破裂，細胞內(nèi)基質(zhì)流出的過程。大量的ROS通過腫瘤壞死因子(TNF)直接引起細胞壞死，也可通過受體相互作用蛋白1(RIRP1)作用于Fas受體引起細胞壞死[14-15]。細胞自噬是引起細胞死亡的又一重要途徑。Weyergang等[16]認為：在有凋亡能力的細胞中，ROS介導的細胞自噬是通過抑制Bcl-2和mTOR等細胞自噬負調(diào)節(jié)蛋白導致的。同時，Xue等[17]認為：細胞有無凋亡能力都存在細胞自噬現(xiàn)象，但其誘導細胞自噬的機制尚不明確，有待進一步研究。

2 光敏劑

2.1 傳統(tǒng)光敏劑光敏劑在PDT中有重要的作用，受到廣大研究者的關注。傳統(tǒng)光敏劑主要分為第一代光敏劑和第二代光敏劑。伊紅是第一個被使用的光敏劑，在印度、埃及等國家應用于皮膚癌的治療。早在20世紀50年代，藥品監(jiān)管部門就意識到光卟啉在腫瘤組織中的擴散及治療作用，并批準其用于臨床治療[18]。第一代光敏劑主要是光卟啉，可用于肺癌、膀胱癌、食管癌和早期宮頸癌的治療，但其對腫瘤的特異性差，在血液內(nèi)循環(huán)時間過長，吸收峰的波長較短，皮膚毒性大，并且其疏水不容易代謝，從而會不可避免地損傷其他組織，因此努力研究一種能夠親水，對不同腫瘤有特異性，且皮膚毒性小的光敏劑成為PDT發(fā)展的必然趨勢。第二代光敏劑主要包括卟啉衍生物、葉綠素、染料及一些化合物，可以在正常組織和血漿中快速清除，并且相對富集于腫瘤組織內(nèi)，提高治療效果。5-氨基酮戊酸(5-aminolevulinic acid， ALA)是最早上市的第二代光敏劑，其激發(fā)光波長相對固定，毒性較??；有研究[19]證明：ALA能更多地進入腫瘤組織內(nèi)。血卟啉和替莫泊芬等其他第二代光敏劑很多已經(jīng)上市，主要應用于頭頸部腫瘤和肺癌等的臨床治療，但其選擇性仍然較弱，在腫瘤內(nèi)的濃度并不理想，遠不能滿足臨床需求。為此，近年來研究者們致力于修飾光敏劑來改進其治療效果。

2.2 應用納米顆粒修飾的光敏劑很多研究者提出了應用納米載體遞送光敏劑。大分子物質(zhì)和脂質(zhì)不易透過血管壁是由于正常組織中的微血管內(nèi)皮間隙致密連續(xù)，而實體瘤組織中血管豐富、血管內(nèi)皮間隙稀疏不完整，因此大分子物質(zhì)和脂質(zhì)可選擇性通過滯留[20]，故光敏劑可以借助納米載體進入腫瘤組織，提高濃度，增強治療效果。Molina等[21]利用納米沉淀法將人血清白蛋白制成了直徑為(295±5) nm的納米顆粒，用來包載光敏劑Ce6，人血漿白蛋白在血液中含量豐富，在新陳代謝和藥物運輸方面起到很大作用；其所研究的納米顆粒可以減少在細胞外的滯留，同時細胞內(nèi)環(huán)境的谷胱甘肽可以使納米顆粒崩解，釋放出光敏劑；研究者利用人的宮頸癌細胞系HeLa細胞、肺癌細胞系A549和正常的臍靜脈上皮細胞HUVEC細胞在體外進行藥物毒性實驗，在黑暗環(huán)境下，分別轉染光敏劑Ce6和經(jīng)人血清白蛋白納米顆粒包載的光敏劑Ce6，孵育24 h后，后者的細胞活力較高，說明經(jīng)納米顆粒包載的光敏劑未受到激光激發(fā)時，對正常組織細胞的毒性較小，產(chǎn)生的不良反應比較小。Wen等[22]將豌豆莢病毒和光敏劑聯(lián)合起來，制成球狀的納米顆粒，由于豌豆莢病毒良好的安全性，較易進行改造，并且有較好的組織相容性，用黑色素瘤細胞系B16F10進行實驗，用MTT法檢測細胞活力，結果顯示：豌豆莢病毒修飾光敏劑的納米顆粒毒性較單獨應用光敏劑大，對黑色素瘤細胞系B16F10治療的效果也較好；流式細胞術和共聚焦顯微鏡的結果顯示：應用豌豆莢病毒修飾光敏劑的納米顆粒更容易被巨噬細胞吞噬，進入細胞內(nèi)。應用納米顆粒包載光敏劑，有減輕皮膚毒性，增加藥物濃度，提高療效等優(yōu)勢，成為近年來研究的熱點。

3 PDT在腫瘤治療中的應用

3.1 PDT在頭頸部腫瘤治療中的應用頭頸部腫瘤的確診一般較晚，預后差并且再發(fā)風險高，提高頭頸部腫瘤患者的生存率至關重要。Muhanna等[23]提出PDT可有效診斷和治療頭頸部腫瘤：采用兔構建頰黏膜癌模型，用光敏劑卟啉類脂蛋白進行PDT，證實不論是原發(fā)的腫瘤還是遠處轉移的淋巴結都可以得到診斷，并且治療效果明顯，有較大的應用價值，但其并未進行臨床試驗。Lou等[24]進行二期臨床試驗，研究了45例晚期頭頸部惡性腫瘤患者，該組患者對放、化療均不敏感，經(jīng)過PDT治療后，其中9例(20%)患者完全治愈，4例(9%)患者無病生存期為13～60個月，8例(18%)患者存活時間超過1年，其中有2例患者存活時間甚至達到24～31個月，剩余24例(53%)患者臨床癥狀緩解?？梢奝DT對于晚期腫瘤的治療有較大應用價值。原發(fā)或者繼發(fā)的腦部腫瘤發(fā)生率在逐年增高，其死亡率占所有惡性腫瘤的2%～3%，目前尚無有效的治療方法，急需尋找一種新的治療手段。Kaneko[25]對26個腦瘤患者共31個瘤灶進行PDT治療結果顯示：PDT治療后4周采用MRI觀察腫瘤大小，治療的31個瘤灶均有不同程度的縮小，其中20個(64%)腫瘤的上部明顯縮小，8個(26%)腫瘤的中間部分縮小，3個(10%)腫瘤的下部縮少，表明PDT對腦瘤治療有效。由此可見，PDT在頭頸部腫瘤中有很大的應用價值及前景。

3.2 PDT在其他腫瘤治療中的應用PDT因其廣泛的適用性在腫瘤治療中備受關注。Fu等[26]采用PDT對有高度感染的人乳頭瘤病毒(HPV)患者進行臨床試驗，結果顯示：PDT可以安全有效地治療高度感染HPV的患者，減少腫瘤的發(fā)生。He等[27]用光敏劑、脂質(zhì)體和高分子化合物合成了一種殼-核結構的納米顆粒，該顆粒不僅包載了光敏劑，還有化療藥奧沙利鉑及程序性細胞死亡蛋白配體1(PD-L1)抗體，在動物實驗中證實了PDT聯(lián)合化療及免疫療法，三者間有協(xié)同效應，可有效治療結腸癌，并且可以激活全身的免疫反應，治療遠處轉移的癌灶，但其尚未進行臨床試驗。He等[28]報道了1例右足汗腺癌的患者，手術聯(lián)合PDT治療后，1年內(nèi)未復發(fā)；采用單純的手術治療，汗腺癌極易復發(fā)，并向區(qū)域淋巴結轉移，聯(lián)合PDT治療可降低其復發(fā)風險。Pereira等[29]在體外用人膀胱癌細胞系HT-1376細胞進行實驗，MTT法檢測PDT治療后HT-1376細胞活性，結果表明：隨著PDT中光敏劑濃度的增加，HT-1376細胞活性降低，即PDT的治療效果與光敏劑濃度呈正相關關系，此外還提示重復激光激發(fā)光敏劑較單次激光激發(fā)的效果更好；同時，在體內(nèi)給裸鼠皮下種植HT-1376細胞，進行PDT治療，表明體外激光重復激發(fā)治療效果明顯好于單次激光激發(fā)治療。Bown等[30]將PDT用于晚期膀胱癌的臨床治療，總結了16例患者的一期臨床結果，結果表明：PDT能延長患者生存期，治療效果較單純化療大大提高。另外，也有研究[31-33]證實： PDT可廣泛應用于胰腺癌、基底細胞癌、骨肉瘤和黑色素瘤等的治療。

PDT對于放化療不敏感或病程晚期的惡性腫瘤均具有良好治療效果，能提高患者的生活質(zhì)量，隨著光敏劑的改進，納米顆粒遞送系統(tǒng)的發(fā)展，PDT療法的局限與不足逐步改善，并且還可以聯(lián)合化療藥物及免疫療法，容易操作，創(chuàng)傷小。但其應用于臨床還有一定的限制，針對不同患者，如何制定個體化治療方案，根據(jù)腫瘤的大小和深度確定治療范圍，以及光源的選擇、功率的大小等均需進一步研究。PDT將是一種重要的治療腫瘤的方法，在難治性腫瘤的治療及清除殘余病灶中有著巨大的應用潛力。

[1] Gong H,Chao Y,Xiang J,et al. Hyaluronidase to enhance nanoparticle-based photodynamic tumor therapy[J]. Nano Lett,2016,16(4):2512-2521.

[2] Wan MT,Lin JY.Current evidence and applications of photodynamic therapy in dermatology[J].Clin Cosmet Investigat Dermatol,2014,7(9):145-163.

[3] Yue C,Zhang C,Alfranca G,et al.Near-infrared light triggered ROS-activated theranostic platform based on Ce6-CPT-UCNPs for simultaneous fluorescence imaging and chemo-photodynamic combined therapy [J].Theranostics,2016,6(4):456-469.

[4] Gibellini L,Pinti M,Nasi M,et al.Interfering with ROS metabolism in cancer cells:the potential role of quercetin[J].Cancers,2010,2(2):1288-1311.

[5] Sosa V,Moliné T,Somoza R.et al.Oxidative stress and cancer:an overview[J].Ageing Res Rev,2013,12(1):376-390.

[6] Sena LA,Chandel NS.Physiological roles of mitochondrial reactive oxygen species[J].Mol Cell,2012,48(2):158-167.

[7] Prinz C,Vasyutina E,Lohmann G,et al.Organometallic nucleosides induce non-classical leukemic cell death that is mitochondrial-ROS dependent and facilitated by TCL1-oncogene burden[J].Mol Cancer,2015,14(1):114.

[8] Bucher F,Bi Y,Gehlsen U,et al.Regression of mature lymphatic vessels in the cornea by photodynamic therapy[J].Br J Ophthalmol,2014,98(3):391-395.

[9] Bhuvaneswari R,Gan YY,Soo KC,et al.The effect of photodynamic therapy on tumor angiogenesis[J].Cell Mol Life Sci,2009,66(14):2275-2283.

[10]Bhuvaneswari R,Gan YY,Yee KK,et al.Effect of hypericin-mediated photodynamic therapy on the expression of vascular endothelial growth factor in human nasopharyngeal carcinoma[J].Int J Mol Med,2007,20(20):421-428.

[11]Coupienne I,Fettweis G,Rubio N,et al.5-ALA-PDT induces RIP3-dependent necrosis in glioblastoma[J].Photochem Photobiol Sci,2011,10(12):1868-1878.

[12]Sülogu AK,Karacaoglu E,Selmanoglu G,et al.Evaluation of apoptotic cell death mechanisms induced by hypericin-mediated photodynamic therapy in colon cancer cells[J].Turkish J Biol,2016,40(3):539-546.

[13]Awad MM,Tovmasyan A,Craik JD,et al.Important cellular targets for antimicrobial photodynamic therapy[J].Appl Microbiol Biotechnol,2016,100(17):7679-7688.

[14]Vanden Berghe T,Grootjans S,Goossens V,et al.Determination of apoptotic and necrotic cell deathinvitroandinvivo[J].Methods，2013,61(2):117-129.

[15]Vandenabeele P,Galluzzi L,Vanden Berghe T,et al.Molecular mechanisms of necroptosis:an ordered cellular explosion[J].Nat Rev Mol Cell Biol,2010,11(10):700-714.

[16]Weyergang A,Berg K,Kaalhus O,et al.Photodynamic therapy targets the mTOR signaling networkinvitroandinvivo[J].Mol Pharm,2009,6(1):255-264.

[17]Xue LY,Chiu SM,Azizuddin K,et al.Protection by Bcl-2 against apoptotic but not autophagic cell death after photodynamic therapy[J].Autophagy,2008,4(1):125-127.

[18]Seshadri M,Bellnier DA,Vaughan LA,et al.Light delivery over extended time periods enhances the effectiveness of photodynamic therapy[J].Clin Cancer Res,2008,14(9):2796-2805.

[19]Silva P,Fonseca SM,Arranja CT,et al.A new nonconjugated naphthalene derivative of meso-tetra-(3-hydroxy)-phenyl-porphyrin as a potential sensitizer for photodynamic therapy[J].Photochem Photobiol,2010,86(5):1147-1153.

[20]Maeda H.Toward a full understanding of the EPR effect in primary and metastatic tumors as well as issues related to its heterogeneity[J].Adv Drug Deliv Rev,2015,9(1):3-6.

[21]Molina AM,Morales-Cruz M,Benítez M,et al.Redox-sensitive cROSs-linking enhances albumin nanoparticle function as delivery system for photodynamic cancer therapy[J].J Nanomed Nanotechnol,2016,6(3):294-302.

[22]Wen AM,Lee KL,Cao P,et al.Utilizing viral nanoparticle/dendron hybrid conjugates in photodynamic therapy for dual delivery to macrophages and cancer cells[J].Bioconjug Chem,2016,27(5):1227-1235.

[23]Muhanna N,Cui L,Chan H,et al.Multimodal image-guided surgical and photodynamic interventions in head and neck cancer:from primary tumor to metastatic drainage[J].Clin Cancer Res,2016,22(4):961-970.

[24]Lou PJ,J?ger HR,Jones L,et al.Interstitial photodynamic therapy as salvage treatment for recurrent head and neck cancer[J].Br J Cancer,2004,91(3):441-446.

[25]Kaneko S.Recent advances in PDD and PDT for malignant brain tumors[J].Rev Laser Engineer,2008,36(36):1351-1354.

[26]Fu Y,Bao Y,Hui Y,et al.Topical photodynamic therapy with 5-aminolevulinic acid for cervical high-risk HPV infection[J].Photodiagnosis Photodyn Ther,2016,13:29-33.

[27]He C,Duan X,Guo N,et al.Core-shell nanoscale coordination polymers combine chemotherapy and photodynamic therapy to potentiate checkpoint blockade cancer immunotherapy[J].Nat Commun,2016,7:12499.

[28]He X,Yang Y,Yang Y,et al.Treatment of sweat gland carcinoma with topical aminolevulinic acid photodynamic therapy:An effective treatment method to improve surgical outcomes[J].Photodiagnosis Photodyn Ther,2017,17:233-235.

[29]Pereira PM,Silva S,Bispo M,et al.Preclinical study on mitochondria-targeted photodynamic therapy using a galactodendritic chlorin for bladder cancer[J].Bioconjug Chem,2016,27(11):2762-2769.

[30]Bown SG,Rogowska AZ,Whitelaw DE,et al.Photodynamic therapy for cancer of the pancréas[J].Acta Endoscopica,2003,33 (4):531-538.

[31]Lu K,He C,Lin W.A Chlorin-Based Nanoscale Metal-Organic Framework for Photodynamic Therapy of Colon Cancers[J].J Am Chem Soc,2015,137(24):7600-7603.

[32]Wan MT,Lin JY.Current evidence and applications of photodynamic therapy in dermatology[J].Clin Cosmet Investig Dermatol,2014,7:145-163.

[33]Yokoyama Y,Shigeto T,Miura R,et al.Differences in the sensitivity of ovarian cancer to photodynamic therapy and the mechanisms for those differences[J].Oncol Lett,2017,13(6):4933-4938.