多模態(tài)納米探針在乳腺癌分子影像與精準(zhǔn)治療中的研究進(jìn)展△

洛小珺，周純武

國家癌癥中心/國家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心/中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院腫瘤醫(yī)院影像診斷科，北京100021

乳腺癌是嚴(yán)重威脅女性生命健康的惡性腫瘤，過去20年，其發(fā)病率不斷增加[1]。早期乳腺癌無任何癥狀，通常當(dāng)患者查體或影像學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)明確腫塊時，可能已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)移。因此，檢出未形成結(jié)節(jié)的乳腺癌對于提高患者預(yù)后有重要意義[2]。乳腺癌通常采取綜合治療，可以集外科治療、放化療、內(nèi)分泌治療、靶向治療為一體，但是選擇方案時應(yīng)參考腫瘤病理分子分型以指導(dǎo)或預(yù)測腫瘤對不同治療方案的反應(yīng)性。治療的同時還要考慮到治療抵抗與腫瘤復(fù)發(fā)，因此在治療過程中應(yīng)緊密隨訪臨床表現(xiàn)、影像學(xué)檢查結(jié)果，必要時病理學(xué)活檢取得組織學(xué)標(biāo)志以評估療效。從病理學(xué)角度分析，傳統(tǒng)影像學(xué)檢查難以發(fā)現(xiàn)的早期乳腺癌、轉(zhuǎn)移灶及腫瘤治療后改變已經(jīng)在基因和細(xì)胞水平發(fā)生了顯著變化[3]。目前，傳統(tǒng)治療使用的大多數(shù)藥物水溶性差、代謝高，使它們不具有生物相容性，并且導(dǎo)致全身不良反應(yīng)[4]。乳腺癌藥物治療的另一主要缺點是對腫瘤細(xì)胞靶向性不足，導(dǎo)致藥物對正常組織也具有殺傷作用，是腫瘤產(chǎn)生耐藥性的根源[5]。近年來，納米粒子（nanoparticle，NP）廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，被修飾加工成為高效低毒的腫瘤分子影像造影劑或藥物遞送載體[6]，為解決以上乳腺癌精準(zhǔn)診療相關(guān)問題帶來了希望。本文通過回顧近年來多模態(tài)納米探針在乳腺癌方面的研究，闡述納米探針的概念和機制，列舉納米探針在乳腺癌精準(zhǔn)診療中的應(yīng)用，并提供對其發(fā)展前景、研究方向和臨床應(yīng)用局限性等方面的見解。

1 納米探針的概念及原理

納米探針是將不同材料（如金屬、有機物及半導(dǎo)體粒子等）作為平臺，制成大小與生物大分子相似的結(jié)構(gòu)[7]。NP表面常常被親水聚合物聚乙二醇（polyethyleneglycol，PEG）包被或被兼性離子基團(tuán)官能化，以抵御血清蛋白的吸附[8]。修飾過的NP可以偶聯(lián)多種分子，包括靶向分子、熒光基團(tuán)、放射性同位素及治療藥物等。

NP在乳腺癌方面的研究大多處于臨床前階段，主要依靠動物模型。目前特定的細(xì)胞株可以提供較常見的臨床亞型：Luminal A型（如MCF-7、T47D）、Luminal B型（如BT474、MDA-MB-361），人表皮生長因子受體2（human epidermal growth factor receptor 2，HER2）陽性（如SKB-R3、HCC202）和三陰性（如BT20、MDA-MB-231及MDA-MB-468），但不是所有的細(xì)胞株都可以建立動物模型[9]。

NP通過乳腺癌新生血管時發(fā)生增強滲透與駐留（enhanced permeability and retention，EPR）效應(yīng)，從血管孔隙滲出，而腫瘤的淋巴系統(tǒng)不完善，無法及時清除。因此，NP較長時間富集于腫瘤組織，被腫瘤細(xì)胞吞噬，當(dāng)進(jìn)入溶酶體后，電荷發(fā)生逆轉(zhuǎn)，裝載物質(zhì)釋放[10]。此外，納米探針應(yīng)具備以下條件：①表面具有足夠多的官能團(tuán)以偶聯(lián)功能性分子；②流體動力學(xué)尺寸為10～100 nm，以防止被肝、腎清除；③Zeta電位接近中性，以減少與非靶細(xì)胞的非特異性相互作用；④在活體中穩(wěn)定性高[11]。設(shè)計具有特定理化性質(zhì)（如粒徑大小、界面性質(zhì)及表面修飾等）的NP是實現(xiàn)乳腺癌分子影像和精準(zhǔn)靶向治療的基礎(chǔ)。

2 基于NP的乳腺癌顯像

2.1 磁共振成像

磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）因其具有較高的空間分辨率而廣泛應(yīng)用于臨床。臨床應(yīng)用較多的MRI對比劑是釓噴酸葡胺（Gd-DTPA），釓是高順磁物質(zhì)，可以增加T1弛豫率，與不同類型的NP結(jié)合可以增加探針聚集區(qū)域T1加權(quán)像對比度[12]。Turino等[13]在MCF-7乳腺癌動物模型中利用載有釓對比劑的NP進(jìn)行腫瘤體外監(jiān)測。超順磁性氧化鐵納米粒子（superparamagnetic iron oxide，SPION）也是最受歡迎的MRI造影劑之一，SPION的高磁敏感性縮短了T2弛豫時間，在T2加權(quán)像上呈低信號，因此，常作為T2對比造影劑。

Kohler等[14]利用自組裝單分子層技術(shù)使SPION與葉酸受體靶向藥甲氨蝶呤（MTX）共價結(jié)合，當(dāng)NP進(jìn)入溶酶體，酸性環(huán)境促使其裂解并釋放MTX，以實現(xiàn)MRI實時監(jiān)測化療藥物的遞送。多種乳腺癌標(biāo)志物如HER2/neu受體[11]、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體[15]和整合素[16]等也已經(jīng)作為SPION診療乳腺癌的靶點。

2.2 CT成像

NP也可以攜帶CT造影劑，如鋇或碘化物，提高病變CT對比度。部分NP自身也可以作為對比劑，如納米金，具有更高的X線吸收系數(shù)，造影效果約是碘的3倍[17]。

2.3 放射性核素顯像

基于NP的放射性核素顯像已被多次應(yīng)用于乳腺癌，對于正電子發(fā)射斷層顯像（positron emission tomography，PET），經(jīng)常使用的放射性核素有18F、124I和64Cu，對于單光子發(fā)射斷層顯像（single photon emission computerized tomography，SPECT）常用的放射性核素包括99mTc、111In[18]及125I[19-21]。有報道應(yīng)用配體-受體的活體血流動力學(xué)模型來定量評估PET圖像腫瘤區(qū)域的受體密度[22]。近期，一種19F標(biāo)記的納米乳已被美國食品藥品監(jiān)督管理局（food and drug administration，F(xiàn)DA）批準(zhǔn)用于臨床[23]。

2.4 光學(xué)顯像

光學(xué)顯像（optical imaging，OI）通常包括紅外、紫外和可見光，有時也將光聲成像（photoacoustic imaging，PAI）包括在內(nèi)。因其侵襲性小，允許重復(fù)檢測，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于臨床前研究。與可見光相比，近紅外熒光的組織穿透性好。有研究將組織穿透深度為21 mm的近紅外顯像用于乳腺癌動物模型保乳術(shù)中，以指導(dǎo)腫瘤切除[24]。Chernomordik等[25]發(fā)現(xiàn)腫瘤區(qū)域熒光程度可以與乳腺癌HER2表達(dá)程度相關(guān)，并建立了數(shù)學(xué)模型。但當(dāng)探針的血流動力學(xué)較快時，腫瘤區(qū)域的熒光強度與受體表達(dá)程度不相關(guān)，而主要取決于造影劑的劑量和清除時間。此外，通過注射偶聯(lián)有不同種類的抗體和熒光染色劑的納米探針，選擇不同頻率的激發(fā)光，采集不同頻率的發(fā)射光，可以實現(xiàn)多靶點實時監(jiān)測[18]。PAI是一種相對新興的顯像方式，納米探針吸收脈沖激光的能量，被吸收的能量因熱彈性膨脹而產(chǎn)生聲壓波，利用超聲波換能器檢測，形成聲像圖。如果使用非脈沖激光激發(fā)，則稱為熱聲成像（thermoacoustic imaging，TAI）。近年來有多個以乳腺癌為導(dǎo)向的PAI的研究發(fā)表[26-27]。

3 基于NP的乳腺癌治療

3.1 通過偶聯(lián)化療藥物

納米載藥系統(tǒng)可以遞送多種藥物到達(dá)乳腺癌組織，常用的細(xì)胞毒性化療藥物包括蒽環(huán)類、紫杉烷類和環(huán)磷酰胺。有研究利用納米金剛石遞送多西環(huán)素（DOX）治療乳腺癌小鼠模型，NP通過受體介導(dǎo)的胞吞作用進(jìn)入腫瘤細(xì)胞，與常規(guī)的DOX治療相比，可以克服藥物外排，顯著增加細(xì)胞凋亡，并降低對正常細(xì)胞的毒性[28]。目前紫杉醇（PTX）與白蛋白合成的NP（注射用紫杉醇白蛋白結(jié)合型）已經(jīng)進(jìn)入轉(zhuǎn)移性乳腺癌Ⅲ期臨床試驗，入組454例患者中，NP使用組的治療總反應(yīng)率明顯高于單純使用紫杉醇組（33%vs 19%，P=0.001），同時不良反應(yīng)發(fā)生率較低[29]。納米探針除了遞送以上常見的化療藥物，也有運載順鉑[30]、雷帕霉素[31]和阿托伐他汀鈣[32]等方面的研究。他莫昔芬（TAM）是一種非甾體類抗雌激素藥物，可長期用于絕經(jīng)后雌激素陽性乳腺癌患者的治療。一種載有TAM的生物可降解納米探針，靜脈注射到荷有MCF-7腫瘤細(xì)胞的雌激素陽性乳腺癌動物模型后，可以使TAM的突釋期減低一半，能夠在隨后時間緩慢平穩(wěn)釋放，經(jīng)檢測釋放了TAM后的NP對正常細(xì)胞的毒性較低[33]。多種靶向藥，如血管活性藥物伐普肽、作用于整合素的骨橋蛋白、靶向HER2受體的曲妥珠單抗、靶向葉酸受體的葉酸及作用于透明質(zhì)酸受體或CD44的透明質(zhì)酸，已經(jīng)被納入了納米載藥系統(tǒng)的研究[34]。小干擾RNA（siRNA）是一種合成RNA，靶向細(xì)胞質(zhì)中的mRNA并誘導(dǎo)其降解以達(dá)到基因治療的目的。然而，siRNA在體內(nèi)血循環(huán)時間短并且容易降解。NP介導(dǎo)的siRNA具有EPR效應(yīng)，血漿清除率降低。因此，NP介導(dǎo)的siRNA在乳腺癌基因治療中的臨床前應(yīng)用越來越廣泛[35]。以上研究表明，傳統(tǒng)治療乳腺癌的藥物裝載到納米探針后有著巨大的應(yīng)用前景。

3.2 NP自身的治療作用

某些NP利用其獨特的理化性質(zhì)也具有治療作用。例如，一種由MnO2制成的NP，可以與腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生的H2O2反應(yīng)生成氧氣，并將腫瘤微環(huán)境的pH值從6.7提高到7.2，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡[36]。磁性納米顆粒能夠在交變磁場中產(chǎn)生熱量，有研究表明將偶聯(lián)曲妥珠單抗的氧化鐵納米微粒置于其中能夠促進(jìn)SK-BR-3（HER2陽性）細(xì)胞凋亡[37]。免疫治療是利用宿主自身免疫防御系統(tǒng)治療腫瘤[38]，某些NP，如硒，具有內(nèi)在免疫刺激特性，靶向腫瘤微環(huán)境并激活局部免疫應(yīng)答[39]。值得注意的是，刺激免疫的NP靜脈注射后很快會被清除，因此給藥途徑多是口服或吸入。

4 “多模態(tài)診療”及“診療一體化”

用于乳腺癌篩查、診斷、術(shù)中引導(dǎo)及療效評估的臨床前及臨床顯像方法很多，以NP為載體，聯(lián)合以上成像技術(shù)，稱為多模態(tài)顯像（multimodal imaging，MMI）。通常，MMP在乳腺癌的研究中較為常見。Kosaka等[40]用SPION和量子點（quantum dot，QD）合成探針，利用MRI/FI雙模態(tài)成像系統(tǒng)追蹤小鼠體內(nèi)乳腺癌的全身和早期微小淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移。

多種藥物及治療方法被批準(zhǔn)用于治療乳腺癌，基于NP的多功能性，協(xié)同多種藥物和（或）其他治療方法的技術(shù)，稱為多模態(tài)治療（multimodal therapy，MMT）。有報道將紫杉醇和吲哚箐綠（ICG）共同連接到納米探針，紫杉醇對腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞毒性的同時，外源性近紅外激光照射使ICG放熱，協(xié)同殺傷腫瘤細(xì)胞[41]。

“診療一體化”利用集影像與治療于一體的多功能納米探針，針對目前乳腺癌早期診斷困難、療效評估及治療相對滯后等臨床問題提供了有效的解決方法，這使個體化精準(zhǔn)診療向前邁出一大步。放射性核素標(biāo)記的NP通過連接特異性單克隆抗體，能夠有針對性的對腫瘤原發(fā)灶及轉(zhuǎn)移灶進(jìn)行顯像和放射治療[42]。ICG具有良好的熒光成像性能及光熱效應(yīng)，可用于腫瘤的光學(xué)成像和光熱治療，實現(xiàn)診療一體化，是目前研究常用的納米探針“診療一體化”工具之一[43]，協(xié)同化療藥物能進(jìn)一步增強NP的抗腫瘤效果[44]。

5 三陰性乳腺癌及乳腺癌腫瘤干細(xì)胞

2011年早期乳腺癌共識根據(jù)特定基因的表達(dá)程度，將乳腺癌分為4種分子分型：Luminal A型、Luminal B型、ErbB2+型及Basal-like型。Basal-like型也稱三陰性乳腺癌（triple-negative breast cancer，TNBC），即雌激素受體、孕激素受體以及HER2均陰性，缺乏有效的分子靶點，常規(guī)治療預(yù)后差[45]。有研究表明CD44在TNBC細(xì)胞中過度表達(dá)，透明質(zhì)酸對CD44有很高的親和性，可偶聯(lián)于NP，實現(xiàn)靶向治療，其生存期較單純PTX治療組明顯延長[46]。Miller-Kleinhenz等[47]討論了TNBC細(xì)胞的亞型、標(biāo)志物和潛在受體，針對基于NP的診療一體化治療TNBC進(jìn)行了綜述。腫瘤干細(xì)胞（cancer stem cell，CSC）是極少數(shù)擁有正常干細(xì)胞增殖特性的腫瘤細(xì)胞，被認(rèn)為是腫瘤放化療抵抗和復(fù)發(fā)的誘因[48]。以往的方法主要是在細(xì)胞水平對CSC進(jìn)行分離、純化及檢測，如流式細(xì)胞術(shù)，但難以對活體腫瘤干細(xì)胞進(jìn)行追蹤。隨著多功能納米探針的出現(xiàn)，使特異性配體靶向CSC的同時，利用藥物或者分化誘導(dǎo)劑等殺傷腫瘤干細(xì)胞成為可能[49]。總之，納米探針為靶向治療TNBC及CSC帶來希望。

6 局限性

雖然多模態(tài)納米探針有一定的優(yōu)勢，但尚存在局限性。多模態(tài)高分子納米探針粒徑相對較大，影響對靶細(xì)胞的穿透能力。多層組裝的納米探針結(jié)構(gòu)復(fù)雜，費用昂貴，難以應(yīng)用于臨床。由于制備方法復(fù)雜，每一批次納米探針的粒徑、連接的配體和藥物分子的數(shù)目都有所不同，進(jìn)而影響藥代動力學(xué)，引起探針在體內(nèi)循環(huán)、腫瘤靶向性、顯像和治療效果上的顯著差異。此外，NP與機體間作用機制仍然缺乏，生物毒性難以預(yù)料。

7 小結(jié)

納米醫(yī)藥技術(shù)的興起得益于生物相容性納米材料的出現(xiàn)。本文圍繞納米材料的多功能性，敘述了納米探針在乳腺癌精準(zhǔn)診療方面的應(yīng)用。盡管相比于傳統(tǒng)方法，納米探針帶來了巨大的優(yōu)勢，但大多數(shù)報道只局限于臨床前階段，真正進(jìn)入臨床應(yīng)用仍需進(jìn)行大量研究。