納米光熱劑在腫瘤診斷及治療一體化的研究進(jìn)展

劉勤敏綜述，金觀橋?qū)徯?/p>

0 引 言

光熱治療作為一種新型非侵入性的治療技術(shù)，自20世紀(jì)80年代以來(lái)發(fā)展十分迅速。由于外科手術(shù)治療、化療、放療或其聯(lián)合治療在腫瘤治療中的局限性，光熱治療越來(lái)越被眾多研究者所關(guān)注[1]。光熱治療的原理是首先通過(guò)靶向技術(shù)將光熱治療劑聚集于腫瘤組織或腫瘤細(xì)胞周圍，再由光熱治療劑吸收光能(主要為近紅外光輻照)并將其轉(zhuǎn)換為熱能之后，對(duì)周圍腫瘤組織或細(xì)胞造成光熱損傷，最終導(dǎo)致腫瘤組織的壞死或腫瘤細(xì)胞的凋亡[1]。當(dāng)由光熱治療劑轉(zhuǎn)換近紅外光的溫度達(dá)到41 ℃時(shí)，其周圍的腫瘤細(xì)胞開始出現(xiàn)熱損傷[2]。在乏氧環(huán)境下，中等度溫度(41.8～45 ℃)的熱療即可對(duì)腫瘤細(xì)胞造成影響，在該環(huán)境和溫度下的熱療不但不會(huì)引起腫瘤周圍正常組織與細(xì)胞的損傷，而且還能協(xié)同增強(qiáng)放療及化療的療效；然而，如果熱療溫度進(jìn)一步增高(45～90 ℃)，則會(huì)引起正常組織的熱損傷，從而造成細(xì)胞凋亡[3]。目前用于腫瘤光熱治療的材料多為納米材料[1]，Deng等[4]研究表明，合成的納米復(fù)合材料不但可以運(yùn)用于腫瘤的光熱治療，還可以用于腫瘤的靶向成像即腫瘤診斷。

1 各類納米光熱治療劑的特點(diǎn)和診斷治療一體化應(yīng)用

用于腫瘤光熱治療的材料主要為各種納米顆粒及其螯合物。一種好的納米光熱治療劑應(yīng)該滿足：低毒性、高生物相容性、高近紅外光吸收能力、高吸收截面積及直徑在30～200 nm之間等要求[5]。納米治療劑主要可以分為四類：金屬納米治療劑、碳基納米治療劑、金屬和非金屬化合物納米治療劑以及有機(jī)納米治療劑[6]。為了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)光熱治療中的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)，提高光熱治療的療效，采用非侵入性的成像技術(shù)對(duì)光熱治療進(jìn)行療效評(píng)估是非常有必要的，其中，以應(yīng)用磁共振成像技術(shù)較為理想[7]。近年來(lái)有學(xué)者提出了納米治療診斷平臺(tái)這一學(xué)說(shuō)[8]。Ban等[8]認(rèn)為，為了構(gòu)建納米診斷治療平臺(tái)，所需功能物質(zhì)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)包括光熱轉(zhuǎn)換納米材料、藥物、靶向配體、成像造影劑及功能聚合物，以實(shí)現(xiàn)腫瘤診斷(成像)和治療一體化。目前，各類材料均已被設(shè)計(jì)出多種多功能復(fù)合納米材料，其在腫瘤診斷和治療一體化的應(yīng)用研究也越來(lái)越廣泛。

2 金屬納米治療劑

金屬納米治療劑多數(shù)為貴金屬納米粒子，且以金納米粒子為代表，如金納米籠、金納米棒等，其光學(xué)性能受其大小、形狀和周圍環(huán)境的影響較大[9-11]。金納米粒子具有一種獨(dú)特的性質(zhì)，稱之為表面等離子體共振，由于這一特性，金納米粒子可吸收波長(zhǎng)為650～900 nm之間的近紅外光，并能有效地將光能轉(zhuǎn)化為局部熱能[12]。由于金納米粒子固有的內(nèi)在惰性，且具有較寬的核芯尺寸(1～150 nm)及較高的生物相容性等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，使其易于制備并能用于合成納米復(fù)合物[13]。大多數(shù)金納米顆粒對(duì)人體組織和細(xì)胞沒有毒副作用[14]，但MGC等[15]認(rèn)為，側(cè)鏈帶陽(yáng)離子的金納米粒子是有中等毒性的，而側(cè)鏈為陰離子的金納米粒子則沒有生物學(xué)毒性；Pan等[16]研究發(fā)現(xiàn)：表面覆蓋三苯基膦苯磺酸鹽的直徑1.4 nm的金納米球在一定劑量下存在細(xì)胞毒性，能夠通過(guò)引起氧化應(yīng)激造成細(xì)胞壞死；然而，當(dāng)與這種化學(xué)結(jié)構(gòu)成分相同的金納米球直徑達(dá)到15 nm時(shí)，其細(xì)胞毒性作用卻并不明顯。這些研究意味著金納米粒子的生物學(xué)毒性與其表面所帶電荷及納米顆粒大小等因素有關(guān)。此外，同一濃度和結(jié)構(gòu)的金納米粒子，在體外實(shí)驗(yàn)研究中沒有生物學(xué)毒性，但在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中卻能對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物產(chǎn)生致命影響[14]。

隨著金屬納米治療劑合成技術(shù)的不斷改進(jìn)提高，金納米粒子依次經(jīng)歷了金納米棒、金納米核殼結(jié)構(gòu)、金納米星以及金納米籠等不同形態(tài)的合成優(yōu)化，其光熱轉(zhuǎn)換效率也得到了顯著地增加[11]，如畢俊等[17]合成用于乳腺癌4T1細(xì)胞體外光熱治療的金納米三角粒子，獲得了良好的光熱轉(zhuǎn)換能力，在激光輻照下能迅速將光能轉(zhuǎn)換為熱能，殺死腫瘤細(xì)胞。由于金納米粒子存在藥物傳遞及靶向細(xì)胞表面配體的良好性能，使其在生物成像方面的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[18]。金納米棒具有合成效率高、近紅外光譜吸收系數(shù)高，以及可精確調(diào)節(jié)縱橫比及光吸收范圍等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為目前生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最廣的金屬納米治療劑[12]。Shanmugam等[19]研究發(fā)現(xiàn)，金納米棒具有各向異性結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)該結(jié)構(gòu)上分別位于橫、縱軸上的兩個(gè)等離子體振子云的比例(縱橫比)，可以改變金納米棒的光吸收范圍。當(dāng)縱橫比為4時(shí)，金納米棒可吸收波長(zhǎng)約為800 nm的近紅外光。因此，當(dāng)這種金納米棒與波長(zhǎng)為800 nm的激光輻照相結(jié)合時(shí)，即可吸收光子并將其吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能，最終達(dá)到消融周圍腫瘤細(xì)胞的治療目的。同時(shí)，由于金納米棒具有體積小、易于合成、高吸收截面等優(yōu)點(diǎn)，使通過(guò)金納米棒研制一種用于CT成像引導(dǎo)下雙模靶向放療和光熱治療的多功能納米探針成為可能[20]。Huang等[20]正是在金納米棒表面包裹二氧化硅(SiO2)，再共價(jià)結(jié)合葉酸(folic acid，F(xiàn)A)，制成了GNR- SiO2-FA納米復(fù)合物；該復(fù)合物不但能在體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中通過(guò)光熱轉(zhuǎn)換作用殺死胃癌細(xì)胞，并且在體內(nèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中展示了良好的X線及CT成像能力及胃癌靶向能力，在胃癌的多模態(tài)納米分子光熱治療、靶向放療及CT成像中擁有巨大的潛能。有實(shí)驗(yàn)制備了由聚乙二醇包裹金納米顆粒的納米復(fù)合物作為對(duì)比劑用于CT成像，相對(duì)于傳統(tǒng)的碘對(duì)比劑，該復(fù)合物具有在血液中的半衰期長(zhǎng)、沒有腎毒性等優(yōu)點(diǎn)[21]。

3 碳基納米治療劑

研究用于光熱治療的碳基納米治療劑主要是石墨烯和碳納米管[22]。石墨烯由sp2雜化的蜂窩狀二維碳晶格組成[23]，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，以及它與低頻光子在紅外線和太赫茲頻率上的強(qiáng)烈相互作用，石墨烯在特定波長(zhǎng)光(如近紅外光)輻照下表現(xiàn)出等離子體效應(yīng)，并通過(guò)隨后發(fā)生的傳輸隨機(jī)偶極子和共振，最終將光能轉(zhuǎn)換成熱能[24]。石墨烯具有較大的表面積及豐富的功能基團(tuán)，相比其他納米治療劑能夠更有效地進(jìn)行表面修飾或共價(jià)結(jié)合其他化學(xué)基團(tuán)，但其近紅外光的吸收能力較差[22]；在其應(yīng)用發(fā)展中，經(jīng)歷了氧化石墨烯、還原性氧化石墨烯及氧化石墨烯納米復(fù)合材料等過(guò)程，其光熱轉(zhuǎn)換效能有了進(jìn)一步的提高[24]。碳納米管的結(jié)構(gòu)實(shí)際上是兩端開口或封閉的石墨烯圓柱體，按石墨烯的層數(shù)可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管[25]，目前被研究用于腫瘤光熱治療較多的是單壁碳納米管[26-28]。雖然單壁碳納米管的近紅外光吸收能力較石墨烯要高[22]，但由于單壁碳納米管的高度疏水表面，使其不溶于水，以及在制造過(guò)程中由于使用金屬后污染而產(chǎn)生的毒性及不良生物相容性，使得通過(guò)優(yōu)化單壁碳納米管的理化參數(shù)或是將單壁碳納米管以功能化復(fù)合物的形式存在，以期最大限度降低其生物毒性是非常有必要的[26]。另外，單壁碳納米管還能夠在近紅外光輻照下抗腫瘤耐藥，增強(qiáng)化療藥物在荷瘤小鼠體內(nèi)的抗腫瘤作用[29]。

Yang等[30]在氧化石墨烯上螯合了超順磁性鐵錳納米粒子(GO/MnFe2O4)，通過(guò)體內(nèi)外磁共振成像實(shí)驗(yàn)表明， GO/MnFe2O4納米復(fù)合物可以作為一種有效的磁共振T2加權(quán)成像造影劑。同時(shí)，由于該納米復(fù)合物中氧化石墨烯的光熱轉(zhuǎn)換性能，其在腫瘤成像和光熱治療一體化的研究中具有一定的應(yīng)用前景。相對(duì)于石墨烯來(lái)說(shuō)，氧化石墨烯還具有一些與其不同的理化性質(zhì)，如更大的表面積、高載藥率、易于修飾以及更強(qiáng)的近紅外光吸收能力，因此，氧化石墨烯在光熱治療的同時(shí)還可以協(xié)同化學(xué)治療[31-32]，進(jìn)一步提高腫瘤治療效果。Wang等[33]在氧化石墨烯(graphene oxide,GO)表面螯合氧化鐵納米粒子(iron oxide nanoparticles,IONPs)，然后在其表面包裹聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)，制備GO-IONP-PEG納米復(fù)合物，成功用于胰腺癌轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)的磁共振染色定位及光熱治療實(shí)驗(yàn)研究。Yang等[34]則利用還原性氧化石墨烯上制備了雙模態(tài)rGO-IONP-PEG納米探針，用于4T1乳腺癌細(xì)胞小鼠模型在磁共振成像引導(dǎo)下的光熱治療研究。

在復(fù)雜的生物系統(tǒng)中，碳納米管的靶向傳遞作用非常占優(yōu)勢(shì)[35]，再加上碳納米管獨(dú)特的光學(xué)性能，因此，只要在碳納米管中加入適當(dāng)?shù)某上裨煊皠?，就可以通過(guò)一定的成像技術(shù)對(duì)腫瘤進(jìn)行成像[36]，同時(shí)，還能進(jìn)行腫瘤的光熱治療。Zhao等[37]利用單壁碳納米管(single-walled carbon nanotubes,SWNTs)、聚多巴胺(polydopamine,PDA)、PEG及Mn2+合成了SWNT@PDA-PEG/ Mn2+復(fù)合物，通過(guò)4T1乳腺癌細(xì)胞裸鼠模型，驗(yàn)證了該納米復(fù)合物不但能在磁共振T1及T2加權(quán)像中提高對(duì)比效應(yīng)，而且利用單壁碳納米管的近紅外光吸收能力對(duì)裸鼠移植瘤模型進(jìn)行光熱治療，有效地建立了基于碳納米管的多模態(tài)治療診斷納米平臺(tái)。Li等[28]的研究發(fā)現(xiàn)，單壁碳納米管可以通過(guò)在腫瘤局部微環(huán)境中吸收近紅外光，以協(xié)助腫瘤抗原的釋放，從而提高腫瘤光熱治療的選擇性。

4 金屬和非金屬化合物納米治療劑

相比前述兩種納米治療劑，金屬和非金屬化合物納米治療劑具有成本低廉、低毒性、吸光能力強(qiáng)及光熱轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢(shì)[6]，且以硫化銅為代表。水溶性硫化銅具有較強(qiáng)的近紅外光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)，這種效應(yīng)的產(chǎn)生源自于硫化銅的能帶躍遷特性而非等離子體共振，再加上硫化銅固有的近紅外吸收峰(D-D躍遷峰約在900 nm處)，使之成為理想的光熱治療劑[38]。然而，我們對(duì)硫化銅納米治療劑的生物學(xué)毒性所知較少[39]，F(xiàn)eng等[40]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硫化銅納米薄片的濃度高于100 μg/mL時(shí)，細(xì)胞活力即發(fā)生下降。因此，在腫瘤光熱治療應(yīng)用中，優(yōu)化硫化銅納米顆粒的濃度、找到最適治療劑量是降低生物毒性、保障其安全性行之有效的方法。Yang等[41]以牛血清白蛋白為生物模板，合成了具有生物相容性的綜合釓-硫化銅納米診斷治療劑(Gd：CuS@BSA)，該合成物由于具有釓劑作為磁共振造影劑的特性，同時(shí)又兼?zhèn)淞蚧~的光熱轉(zhuǎn)換性能，因此，該復(fù)合物不但能夠在磁共振上進(jìn)行腫瘤成像，還能夠介導(dǎo)光熱治療。

超微順磁性氧化鐵納米粒子(super-paramagnetic iron oxide nanoparticles,SPIONPs)是世界上第一種納米級(jí)磁共振T2成像造影劑，目前在臨床仍在廣泛使用[42]。近年來(lái)，氧化鐵納米粒子在光熱治療中的應(yīng)用也越來(lái)越被眾多研究者所關(guān)注。氧化鐵納米粒子是一種磁性納米粒子，具有良好的磁性、生物相容性、生物降解性、易合成性以及易于調(diào)節(jié)和功能化等特點(diǎn)[5]，這些特性使其能夠成為良好的光熱治療劑。但是，當(dāng)裸露的氧化鐵納米粒子直接暴露于生物系統(tǒng)時(shí)，由于其各向異性偶極吸引以及快速的生物降解特性，使得氧化鐵納米粒子易于在體內(nèi)聚集[43]。此外，氧化鐵用于腫瘤光熱消融時(shí)所需劑量較高[5]，因此，目前研究者多把氧化鐵納米粒子設(shè)計(jì)成多功能復(fù)合納米治療劑，在解決上述問(wèn)題的同時(shí)，氧化鐵復(fù)合納米治療劑還能應(yīng)用于磁共振靶向成像與光熱治療一體化的研究[43-44]。由于光熱治療應(yīng)用的不斷研究，目前已經(jīng)研究設(shè)計(jì)出了氧化鐵-金納米粒子的芯-殼結(jié)構(gòu)。在這一復(fù)合納米治療劑中，金納米粒子殼層構(gòu)成該納米復(fù)合物的光熱轉(zhuǎn)化部分，氧化鐵核芯則作為該復(fù)合物的成像劑，用于磁共振T2加權(quán)成像，最終達(dá)到腫瘤成像(即診斷)與光熱治療一體化的研究目的[45]。Ju等[46]合成了集磁共振成像/多光譜光聲層析成像/CT成像為一體的多模態(tài)成像光熱劑——金-碳化二鐵兩面納米粒子(Au-Fe2C JNPs)，在該納米粒子表面共軛結(jié)合親合體蛋白ZHER2:342后，能靶向到HER2基因過(guò)表達(dá)的人乳腺癌MDA-MB-231 細(xì)胞小鼠模型的腫瘤內(nèi)，并有效通過(guò)磁共振成像/多光譜光聲層析成像/CT成像引導(dǎo)下對(duì)乳腺癌移植瘤模型進(jìn)行光熱治療，成功制備了多模態(tài)診斷治療學(xué)納米平臺(tái)，促進(jìn)了納米光熱劑在腫瘤診斷與治療一體化的研究應(yīng)用。

5 有機(jī)納米治療劑

前述三種納米治療劑均為無(wú)機(jī)納米治療劑。有機(jī)納米治療劑主要為各種染料類物質(zhì)[5]，包括花青染料(如吲哚菁綠)、普魯士藍(lán)等，以及其他各種有機(jī)化合物如吡咯并吡咯二酮類、克酮酸菁類、卟啉類及各種聚合物等[47]。當(dāng)有機(jī)物在光激發(fā)后，經(jīng)過(guò)快速的內(nèi)部轉(zhuǎn)化到最低的激發(fā)單線態(tài)，激發(fā)單線態(tài)再通過(guò)非輻射馳豫衰減回基態(tài)，通常大多數(shù)有機(jī)物的熱產(chǎn)生是由這種非輻射馳豫產(chǎn)生的結(jié)果[47]，由此，有機(jī)分子或材料可進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換。相比于無(wú)機(jī)納米治療劑，有機(jī)納米治療劑具有化學(xué)結(jié)構(gòu)更易于調(diào)整、更良好的生物相容性、更低毒性、更好的生物降解能力、易于從腎臟代謝等優(yōu)點(diǎn)[47-48]，使其越來(lái)越受到更多研究者的關(guān)注，而且，由于有機(jī)分子中存在共軛大π鍵，使其具有很強(qiáng)的近紅外光吸收能力，能夠有效地對(duì)體內(nèi)深部腫瘤進(jìn)行診斷和治療[48]。

Zhang等[49]利用卟啉-金屬有機(jī)骨架在Fe3O4@C核上原位生長(zhǎng)，制備了具有生物相容性的芯-殼納米復(fù)合材料，用于腫瘤的光熱治療，這與前述氧化鐵-金納米粒子復(fù)合材料制備相似，合成的納米復(fù)合材料均為芯-殼結(jié)構(gòu)。Cai 等[50]利用中空多孔結(jié)構(gòu)普魯士藍(lán)納米分子(hollow mesoporous Prussian blue nanoparticles,HMPBs)裝載錳離子(Mn2+)，制備了HMPB-Mn核殼結(jié)構(gòu)納米治療劑，利用Mn2+能增強(qiáng)縱向馳豫率的能力作為磁共振T1對(duì)比劑進(jìn)行磁共振成像，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)化療藥物靶向釋放的療效；通過(guò)體外4T1細(xì)胞實(shí)驗(yàn)還證實(shí)，HMPB-Mn具有良好光熱轉(zhuǎn)換性能，并能協(xié)同增強(qiáng)化療療效，有望成為診療一體化的多模態(tài)納米平臺(tái)。Cano-Mejia等[51]研究發(fā)現(xiàn)，基于普魯士藍(lán)納米治療劑的光熱療法能夠降低腫瘤負(fù)荷并啟動(dòng)免疫應(yīng)答，增加腫瘤區(qū)域的T細(xì)胞和淋巴細(xì)胞浸潤(rùn)，從而協(xié)同增強(qiáng)抗腫瘤作用。因此，基于有機(jī)分子和材料的納米光熱治療劑有著更為廣泛的應(yīng)用前景。

6 結(jié)語(yǔ)與展望

光熱治療作為一種新興的治療手段，雖然較傳統(tǒng)的腫瘤治療方法有著更多的優(yōu)點(diǎn)，但是近紅外光的選擇性較差、穿透深度有限[3]，因此對(duì)于體內(nèi)深部腫瘤可能難以達(dá)到理想的治療效果，這就對(duì)納米光熱治療劑的靶向性能和吸光能力提出了更高的要求。金屬納米治療劑在四類納米治療劑中體現(xiàn)出的諸多優(yōu)勢(shì)促使其被廣泛研究，但是，由于金屬納米治療劑多為貴金屬納米粒子，價(jià)格昂貴，增加了癌癥患者的負(fù)擔(dān)，勢(shì)必會(huì)限制其在臨床治療方面的應(yīng)用。碳基納米治療劑雖然成本低廉，然而石墨烯的低近紅外光吸收能力以及碳納米管制造過(guò)程中被金屬污染后的生物學(xué)毒性這些缺陷，使得碳基納米治療劑需以納米復(fù)合物的形式存在，從而增加了臨床應(yīng)用中的難度。而金屬和非金屬化合物納米治療劑以及有機(jī)納米治療劑不但成本低廉，而且具有低毒、近紅外光吸收能力強(qiáng)、生物相容性高等優(yōu)點(diǎn)，在腫瘤診療一體化的臨床應(yīng)用中有著巨大的潛力。

近些年來(lái)，由于納米治療劑的飛速發(fā)展，用于生物醫(yī)學(xué)的納米治療劑也在不斷更新?lián)Q代，新的納米復(fù)合材料不斷被設(shè)計(jì)出來(lái)并用于體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究，推進(jìn)了光熱治療劑診療一體化的研究熱潮。相對(duì)于單一診斷或治療而言，腫瘤的診療一體化體現(xiàn)出其明顯的優(yōu)勢(shì)：它不但能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)納米治療劑在癌組織中的富集與分布情況，而且能夠及時(shí)反饋該納米治療劑在腫瘤治療中的效果[52]，使患者獲益巨大。但是，如何讓納米光熱治療劑實(shí)現(xiàn)在腫瘤中的診療一體化則需要解決兩個(gè)問(wèn)題：首先，所設(shè)計(jì)的納米治療劑必須含有光熱組件和成像組件，光熱組件用于光熱轉(zhuǎn)換即治療，成像組件用于腫瘤成像即診斷；其次，所設(shè)計(jì)的納米治療劑能夠靶向到腫瘤組織并在其中盡可能富集，以提高診療一體化的效果。因此，合理設(shè)計(jì)納米治療劑的結(jié)構(gòu)、精準(zhǔn)靶向腫瘤、優(yōu)化納米治療劑的治療濃度、調(diào)整近紅外光輻照強(qiáng)度及時(shí)間是保證腫瘤診療一體化的重要前提，也是光熱治療在腫瘤診療一體化中亟待解決的問(wèn)題。而納米光熱治療劑在腫瘤診療一體化中的不斷應(yīng)用研究，也為人類戰(zhàn)勝癌癥帶來(lái)了新的希望。