基于碳納米管的靶向超聲造影劑在腫瘤中的應(yīng)用進展

胡 琦，溫朝輝

(哈爾濱醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科腦超聲室，黑龍江 哈爾濱 150001)

超聲成像現(xiàn)已成為成熟的成像模式，具有非侵入、非電離、可實時成像等優(yōu)點。為更好地觀察特定組織，靶向超聲造影劑應(yīng)運而生。靶向超聲造影劑是指能夠與靶組織特異性結(jié)合并聚集的超聲造影劑，相比傳統(tǒng)超聲造影劑具有更高的敏感度和特異度，可對早期腫瘤及轉(zhuǎn)移病灶進行定位和顯影，還可作為藥物或生物分子的載體而用于直觀評估治療效果，實現(xiàn)從血管內(nèi)成像到血管外成像、從單模態(tài)到多模態(tài)的轉(zhuǎn)變，正在逐漸從單一成像造影劑向集診斷與治療為一體的多功能造影劑發(fā)展。碳納米管(carbon nanotube， CNT)具有獨特結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，可增強細胞對藥物的攝取及靶向特異性[1-2]，用于各種生物工程、醫(yī)學診斷及治療領(lǐng)域；其固有的近紅外(near infrared， NIR)熒光、拉曼和光聲信號使其可作為非侵入性和高敏感的成像輔助工具[3]。研制基于CNT的集成像功能與治療作用于一體的多功能靶向超聲造影劑是當前超聲醫(yī)學研究的熱點和方向。本研究對基于CNT的靶向超聲造影劑在腫瘤中的應(yīng)用進展進行綜述。

1 CNT的特性

1.1 基本性質(zhì) CNT是由石墨烯片卷曲形成的中空圓柱形納米結(jié)構(gòu)，分為單壁CNT(signal-walled CNT，SWCNT)和多壁CNT(multi-walled CNT，MWCNT)，具有獨特的機械性能及高比表面積、導(dǎo)電等屬性。原始CNT具有疏水性，可在細胞和分子水平產(chǎn)生毒性[4]，但可通過表面修飾即氧化、硝化及酰化而被最小化。 通過表面活性劑涂層或與其結(jié)合，可以改善CNT的水分散性和生物相容性。

1.2 光聲特性 光聲成像(photoacoustic imaging， PAI)是快速興起的成像模式，其檢測對象是聲音而非光，并將聲音轉(zhuǎn)換為二維或三維圖像[5]。與傳統(tǒng)熒光成像相比，PAI可避免成像中發(fā)射光的吸收和散射，增強組織穿透力及空間分辨率[6]。CNT在NIR區(qū)域具有強光學活性，并可產(chǎn)生強拉曼信號[3]，具有光聲和回聲性質(zhì)；經(jīng)激光照射后可顯著增強超聲顯像，提高對腫瘤的診斷效能。CNT還可通過與其他吸收光的納米結(jié)構(gòu)或分子耦合進行增強PAI或多路PAI。XIE等[7]提出多功能白蛋白/氯霉素e6(chlorin e6， Ce6)負載的基于伊文思藍(Evans blue， EB)/CNT的遞送系統(tǒng)(簡稱ACEC)，ACEC處理后腫瘤區(qū)光聲信號隨時間而增加，而經(jīng)游離Ce6處理者未發(fā)現(xiàn)明顯的光聲信號變化。WANG等[8]成功制備了基于吲哚菁綠(indocyanine green，ICG)-透明質(zhì)酸納米顆粒(hyaluronic acid nanoparticles， HANP)/SWCNT的納米復(fù)合物(簡稱IHANPT)，并發(fā)現(xiàn)經(jīng)IHANPT干預(yù)的腫瘤組織的光聲對比度隨時間推移而增加，而注射游離ICG后未見明確光聲信號改變。NGUYEN等[9]研究證實，向豬膀胱組織注射與ICG結(jié)合的SWCNT后，其吸光度較注射未與ICG結(jié)合者增加20倍，光聲圖像對比度增加2倍，膀胱癌診斷效能提高。

1.3 生物相容性 在生物醫(yī)學工程中，生物材料及其降解產(chǎn)物將不可避免地進入循環(huán)系統(tǒng)，與血液發(fā)生相互作用。作為新型造影劑的載體，CNT具有薄且長的纖維狀形狀，其縱橫比(長度/直徑)>3。根據(jù)WHO用于描述石棉纖維毒性的標準，CNT符合“纖維毒理學范例”[10]。ZHAO等[11]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過修飾后，CNT的毒性明顯降低，且長度<300 nm的MWCNT經(jīng)聚乙二醇(polyethylene glycol， PEG)修飾后具有較好的生物相容性。YU等[12]指出，以殼聚糖及透明質(zhì)酸修飾的SWCNT裝載紫杉醇生成的復(fù)合物對A549人肺癌細胞系具有顯著毒性，對正常細胞表現(xiàn)出低毒性，證實SWCNT具有良好的生物相容性。此外，RATHOD等[13]采用3-氨基苯基硼酸(3-aminobenzeneboronic acid hemisulfate salt， PBA)和碳二亞胺(carbodiimide， EDC)修飾CNT，使其溶血率降低，提示其具有良好的生物安全性，可作為多功能納米載體用于靶向治療腫瘤。

2 基于CNT的靶向超聲造影劑在腫瘤中的應(yīng)用

腫瘤新生血管結(jié)構(gòu)不完整、管壁薄，其通透性顯著高于正常血管[14]，成為超聲造影的主要適應(yīng)證。目前用于腫瘤的常規(guī)包膜微泡超聲造影劑直徑為2～4 μm，不能自由通過血管內(nèi)皮，故僅能進行血管內(nèi)成像，臨床應(yīng)用存在局限性。隨著超聲成像與分子生物學及納米技術(shù)的結(jié)合，超聲造影劑逐漸步入納米級。納米超聲造影劑粒徑更小、穿透力更強，能夠自由通過血管內(nèi)皮，經(jīng)過靶向配體修飾，還可在靶區(qū)特定聚集[15]，實現(xiàn)腫瘤靶區(qū)的特異性顯影及治療。CNT為無機材料，具有高比表面積、高負載能力和易于修飾的特性，是成為靶向超聲造影劑的理想材料。

2.1 功能化CNT的靶向性 目前治療惡性腫瘤的主要方法包括手術(shù)、放射治療、化學治療及多種方法聯(lián)合，但均不能保證在破壞癌細胞時不影響正常細胞。開發(fā)能靶向癌組織的納米載藥系統(tǒng)，以最大限度減少不良反應(yīng)，提高細胞毒性藥物的療效和耐受性，是臨床的急迫需要。YAN等[16]開發(fā)了新型主動靶向和pH值響應(yīng)的MWCNT-PEI.Ac-FI-PEG-FA納米系統(tǒng)，以葉酸(folate， FA)修飾阿霉素(doxorubicin， DOX)遞送至腫瘤部位，對FA受體高表達的癌細胞具有高特異性和高親和力。GU等[17]采用PEG和抗前列腺特異性膜抗原(prostate specific membrane antigen， PSMA)修飾MWCNT，與傳統(tǒng)造影劑相比，經(jīng)修飾的MWCNT具有更好的可視性和靶向性，能夠更有效地靶向前列腺癌細胞。SU等[18]開發(fā)了基于MWCNT的雙重靶向和共同遞送系統(tǒng)——iRGD-PEI-MWCNT-SS-CD/pAT2，經(jīng)體內(nèi)外實驗證明，該復(fù)合物具有良好的尺寸分布和較高的生物相容性，并表現(xiàn)出優(yōu)異的靶向釋放藥物能力，具有高腫瘤特異性。

2.2 CNT的光熱治療 光熱療法(photothermotherapy， PTT)利用CNT在以NIR輻射激發(fā)時產(chǎn)生大量熱量的特性，將NIR輻射轉(zhuǎn)換為熱能，通過光熱消融殺死癌細胞。基于CNT的靶向藥物遞送載體，通過將化學療法與PTT相結(jié)合，在癌癥治療領(lǐng)域顯示出巨大潛力[19]。MARANGON等[20]發(fā)現(xiàn)，將CNT制劑注入腫瘤中，并將其暴露于NIR下，局部加熱至52℃持續(xù)3 min，10天后腫瘤組織開始軟化，提示CNT具有良好的光熱治療作用。WANG等[21]以SWCNT@BSA@Au-S-PEG-FA@DOX復(fù)合物處理腫瘤24 h，發(fā)現(xiàn)腫瘤生長受到抑制，而正常組織僅有輕微損傷。LI等[22]采用糖化殼聚糖修飾的SWCNT(SWCNT-GC)干預(yù)小鼠轉(zhuǎn)移性乳腺腫瘤，通過PTT實現(xiàn)了腫瘤的完全局部消融。ZHANG等[23]成功制備了MWCNT-吉西他濱(gemcitabine， Ge)-香菇多糖(lentinan，Le)復(fù)合物，以808 nm激光對MWCNT-Ge-Le復(fù)合材料進行輻照，發(fā)現(xiàn)其具有良好的PTT作用，并與藥物治療具有很強的協(xié)同作用。

2.3 CNT的載藥功能 納米載藥系統(tǒng)對腫瘤細胞具有高度靶向性，可形成腫瘤特異性生物分布模式、減少非特異性結(jié)合，將藥物精準遞送至腫瘤組織，顯著降低傳統(tǒng)化學治療引起的毒副作用。藥物載體系統(tǒng)包括脂質(zhì)體、聚合物膠束、聚合物納米粒子、聚合物-藥物綴合物、納米凝膠及CNT等[24]。CNT比表面積>1 000 m2/g，可為加載大量生物分子提供空間，藥物負載量高，且能精準遞送至細胞內(nèi)。修飾后的CNT通過去除封端獲得獨特的內(nèi)外表面，具有分散性好、不易聚集、細胞膜通透性高、載藥量大及體內(nèi)循環(huán)時間長等優(yōu)勢。YAN等[16]通過實驗證實，F(xiàn)A修飾的MWCNT具有高藥物載量和高達70.4%的包封率，且可降低游離DOX的不良反應(yīng)。WANG等[21]通過制備pH和溫度響應(yīng)的SWCNT@BSA@Au-S-PEG-FA@DOX納米系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)DOX藥物加載率達590%。FALANK等[25]認為MWCNT可在不引起毒性反應(yīng)的前提下將治療藥物遞送至肝臟。SINGH等[26]制備了載有多西他賽(docetaxel， DTX)的轉(zhuǎn)鐵蛋白偶聯(lián)MWCNT納米系統(tǒng)，體外藥物釋放曲線顯示其藥物釋放理想，且藥物包封率高達74%。SOBH等[27]制備了MWCNT/Poly(MMA-co-HEMA)納米復(fù)合材料，體外藥物釋放研究結(jié)果表明其可提高藥物傳遞效率，從而提供長期可控的持續(xù)藥物釋放，并降低藥物損失。

聚合物納米復(fù)合物中MWCNT的存在使藥物裝載量及納米復(fù)合物的熱穩(wěn)定性顯著提高。納米材料的開發(fā)有望為治療腫瘤提供新的途徑。采用納米技術(shù)開發(fā)具有更好藥理學特征的特異性載體，將在制藥和其他生物醫(yī)學領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。

3 小結(jié)與展望

CNT具有獨特的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，易于修飾，其良好的光聲及光熱效應(yīng)等使其成為制備靶向超聲造影劑的理想的納米材料。靶向超聲造影劑在生物醫(yī)學領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)：①基于CNT的靶向超聲造影劑制備過程復(fù)雜，對顯像和腫瘤治療效果造成影響，制備方法有待優(yōu)化；②如何以多重靶點修飾CNT，進一步提高對腫瘤的組織靶向性，以最小劑量達到最優(yōu)治療效果尚待研究；③CNT在治療腫瘤的同時可能存在潛在的長期毒性，其在體內(nèi)的安全降解有待觀察。

超聲造影劑正逐步向超聲分子成像及靶向治療方向發(fā)展，其與分子生物學和納米技術(shù)有效結(jié)合，用于早期診斷及治療腫瘤及轉(zhuǎn)移病灶，是未來研究的方向。