納米載體-近紅外光熱療法在腫瘤治療中的研究進(jìn)展

譚曼曼，劉燕玲，張瑜娟，閔衛(wèi)平

(1.南昌大學(xué)a.研究生院醫(yī)學(xué)部2017級(jí)； b.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院免疫教研室，南昌 330006； 2.江西科技學(xué)院護(hù)理學(xué)院，南昌 330098； 3.江西省醫(yī)學(xué)科學(xué)院腫瘤與免疫室，南昌 330006)

癌癥是威脅人類生命健康的首要疾病之一,單純的放療和化療均有不同程度的局限性，有研究[1]表明組合療法能減少耐藥性，協(xié)同抑制癌癥的發(fā)展,從而提高對(duì)癌癥的療效。近年來，光熱療法(PTT)已成為一種新穎、快速發(fā)展的癌癥治療方法，與常規(guī)癌癥消融方法相比，PTT實(shí)現(xiàn)高度局部化，可應(yīng)用于手術(shù)困難的區(qū)域[2]。更重要的是PTT與化療相結(jié)合，光療加熱可以增強(qiáng)細(xì)胞膜的滲透性，促進(jìn)癌細(xì)胞攝入藥物，提高癌癥治療效果[3]。PTT利用納米粒子吸收光能轉(zhuǎn)換成熱能,提升局部溫度促使細(xì)胞凋亡、破壞，從而殺死癌細(xì)胞。生物體組織具有“水窗效應(yīng)”,近紅外光能較好地穿透皮膚、血液和軟組織，最大限度地輻射穿透深部組織，因此非侵入性光源——近紅外激光是進(jìn)行光熱治療的理想選擇[4]。納米材料則是PTT的關(guān)鍵載體，本文對(duì)腫瘤PTT療法中常見納米載體的應(yīng)用、同小分子的結(jié)合，以及對(duì)腫瘤的靶向治療等方面進(jìn)行綜述。

1 常見抗腫瘤光熱納米載體

1.1 金納米載體

金納米材料具有獨(dú)特的光學(xué)特性、良好的生物惰性和局部表面等離子共振(LSPR)的現(xiàn)象，已經(jīng)成為光熱療法的優(yōu)秀載體。金納米粒子的形態(tài)可顯著影響它們的光熱轉(zhuǎn)換效率，常見的金納米形態(tài)有納米棒、納米殼、納米球等[5]。

金納米棒(GNR)是一種棒狀的金納米粒子，可通過調(diào)整GNR的縱橫比來達(dá)到最大光熱效率。金納米粒子的體內(nèi)外毒性取決于它們的大小、表面電荷和表面涂層[6]。十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)是GNR合成過程中必不可少的活性劑，具有明顯的細(xì)胞毒性，以聚乙二醇、聚苯乙烯磺酸鹽、吐溫20等聚合物來替換或阻斷GNR表面的CTAB從而降低細(xì)胞毒性[7]。也可在GNR表面修飾天然生物聚合物，如多糖、多肽等來改善GNR的生物相容性[8]。GNR具有較大的吸收表面積、良好的生物相容性，光熱轉(zhuǎn)換效率高，已成為優(yōu)異的光熱抗腫瘤材料[9]。金納米球(Gold nanosphere)尺寸小(直徑4～30 nm)，合成簡(jiǎn)單，易于與各種配體(例如DNA、肽、抗體和小客體分子)生物共軛，可作為生物傳感器的良好材料[10]。未經(jīng)修飾的金納米球近紅外激光(NIR)吸光度差，有研究[11]表明將具有強(qiáng)雙光子吸收的分子吸附到金納米球表面，可以改善粒子的NIR吸收，并最終滿足癌癥的光熱治療。金納米籠(AuNCs)藥物加載能力強(qiáng)，但腫瘤靶向不足，且有開放的孔口，導(dǎo)致體內(nèi)過早藥物滲漏和炎癥反應(yīng)，限制了它們的治療功效[12]。金納米殼(Gold nanoshell)相對(duì)較大(直徑>100 nm)，易于在組織中積累且難以消除[13]，納米星(gold nanostars)有尖銳凸起，不穩(wěn)定且易發(fā)生團(tuán)聚和聚沉，因此在抗腫瘤應(yīng)用中相對(duì)較少[14]。

1.2 半導(dǎo)體納米載體

常見半導(dǎo)體類納米材料超順磁性氧化鐵納米粒子(SPIONPs)、硒化鉍納米結(jié)構(gòu)(Bi2Se3)和過渡金屬二硫化物納米材料，在NIR的照射下可以吸收NIR能轉(zhuǎn)化為熱能，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡[15]。有研究[16]發(fā)現(xiàn)，小的SPIONs(<200 nm)細(xì)胞內(nèi)吞更多，會(huì)更深入地穿透到多細(xì)胞球體中，在體外結(jié)合NIR照射時(shí)擁有很高的光熱消融功效。較大的SPIONs在腫瘤中卻積累更多，對(duì)腫瘤的抑制能力也更強(qiáng)。Fe3O4具有氧化傾向，且易于聚集，在應(yīng)用中可修飾穩(wěn)定聚合物以改變磁性和降低毒性，如二氧化硅、金(Au)、銀等[17]。已有超順磁性Fe3O4納米顆粒作納米芯，利用局部磁導(dǎo)進(jìn)一步增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)吞Fe3O4納米核NIR誘導(dǎo)的腫瘤光熱消融效應(yīng)的報(bào)道[18]。Bi2Se3納米粒子有不同形狀，小而薄的Bi2Se3納米粒子在全身給藥后，可改善身體的光學(xué)吸收特性[19]。提高Bi2Se3光熱轉(zhuǎn)換效率的方法有：減少厚度、核心脫殼等。由于合成Bi2Se3通常需要有毒的Na2SeO3作為Se源、表面修飾較困難且難以負(fù)載藥物，以及體內(nèi)體外的不穩(wěn)定性等局限性，Bi2Se3在癌癥治療中的應(yīng)用需進(jìn)一步研究[20]。

常見的硫化物有Cu2-xS、二硫化鉬(MoS2)等。Cu(Ⅱ)離子可被細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽或抗壞血酸還原為Cu(Ⅰ)，在生物介質(zhì)中的Cu(Ⅰ)物質(zhì)可通過類似哈伯-維斯(Haber-Weiss)循環(huán)產(chǎn)生活性氧物質(zhì)(ROS)。這些不穩(wěn)定且高活性的ROS包括羥基自由基、單線態(tài)氧和過氧化物，可以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡，對(duì)腫瘤組織造成嚴(yán)重?fù)p害，光熱和光動(dòng)力協(xié)同治療腫瘤，抗瘤效果顯著[21]。有研究[22]報(bào)道，pH響應(yīng)型聚合物和熒光染料修飾MoS2NSs時(shí)，可進(jìn)行局部的pH測(cè)量和光學(xué)加熱，以用于癌癥的檢測(cè)和PTT治療。將MoS2納米片的化學(xué)光熱能與Fe3O4的強(qiáng)磁性結(jié)合起來，構(gòu)建“智能”磁共振成像(MRI)和化學(xué)光熱靶向系統(tǒng)，可用于癌癥診斷及治療[23]。

1.3 碳納米載體

多壁碳納米管(MWCNT)在NIR照射下顯示出優(yōu)秀的光熱轉(zhuǎn)換能力。體外研究[24]表明MWCNTs的摻入可以增強(qiáng)金納米粒子的抗癌作用，減小對(duì)正常細(xì)胞的副作用?？笽GF-1R抗體(IGF-1R Ab)偶聯(lián)的碳納米可以通過EPR效應(yīng)到達(dá)腫瘤，還可以通過抗體靶向特異性地聚集到胰腺癌腫瘤區(qū)域[25]。氧化石墨烯(GO)和還原石墨烯(rGO)，二者均擁有較大的表面積，具有較高的載藥量，可作為藥物輸送系統(tǒng)和活性劑；GO及rGO中的氧化基團(tuán)可修飾多種材料，如靶向配體、聚合物和其他納米材料等；GO和rGO具有高NIR吸收和光熱轉(zhuǎn)換效率，這些特性使GO和rGO可以與其他抗癌療法相結(jié)合以提高療效[26]。GO能夠刺激免疫細(xì)胞的活化,并且聚乙烯醇化的氧化石墨烯(NGO)能夠顯著增強(qiáng)這種免疫刺激效應(yīng)。李勇等[27]采用NGO聯(lián)合PTT治療轉(zhuǎn)移性小鼠乳腺腫瘤，推斷NGO納米粒子光熱治療在局部殺傷原位腫瘤的同時(shí),可能誘發(fā)了機(jī)體的抗腫瘤免疫反應(yīng),從而抑制遠(yuǎn)隔部位腫瘤的生長(zhǎng)速度。另外，GO和rGO具有潛在生物毒性和血清蛋白吸收等局限性，可通過改變GO和rGO的表面性質(zhì)、使尺寸最小化和增加水溶性來改善?？傮w而言，GO和rGO作為藥物遞送和癌癥治療的新型納米材料，在臨床使用中的局限性可能在不久的將來得到解決[26]。

1.4 有機(jī)納米載體

普魯士藍(lán)(PB)、吲哚菁綠(ICG)有效地滲透組織后也可被808 nm NIR激活，產(chǎn)生局部熱量和ROS，從而實(shí)現(xiàn)腫瘤的PTT和光動(dòng)力療法(PDT)治療[28]。ICG主要用于眼科血管造影、肝功能評(píng)估和血流評(píng)估，也可用于定位癌癥患者的顱內(nèi)動(dòng)脈瘤和腦動(dòng)靜脈畸形。除光學(xué)成像，ICG還可用作PDT治療脈絡(luò)膜黑色素瘤和乳腺癌的光敏劑，以及治療葡萄酒色斑的光熱劑[29]。ICG的主要缺點(diǎn)是水穩(wěn)定性差、濃度依賴性聚集、半衰期短(≈3～5 min)和與各種生物大分子特別是血清白蛋白和高密度脂蛋白的非特異性作用。為了克服這些局限性，ICG被用于其他納米載體的構(gòu)建中，如膠束、脂質(zhì)體、二氧化硅和合成聚合物[30]。有研究[29]表明，含有ICG的NIR紅細(xì)胞模擬傳感器(NETs)，在光激發(fā)后可誘導(dǎo)Caspase-3活化，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞凋亡。李蒙等[31]采用PB納米粒子聯(lián)合光熱治療皮膚黑素瘤，取得了良好的效果。PB修飾磁性粒子，裝載化療藥物和調(diào)整pH等可改良其納米劑的特性，如磁性PB NPs可以改進(jìn)MRI和PTT[32]。但這些輔助方式仍有局限性：磁場(chǎng)聚焦不充分，且僅在小范圍內(nèi)起作用；受pH控制的藥物釋放對(duì)實(shí)體瘤的類型和納米試劑的pH響應(yīng)高度依賴[18]。因此，良好生物相容性的多功能藥物納米載體仍需要繼續(xù)探索。

2 光熱納米載體聯(lián)合小分子抗腫瘤的應(yīng)用

2.1 聯(lián)合一氧化氮

一氧化氮(NO)的生物學(xué)效應(yīng)是一把雙刃劍，具有濃度依賴性。通常，連續(xù)低濃度的NO對(duì)血管腫瘤的生長(zhǎng)具有促進(jìn)腫瘤的作用。然而，高濃度的NO可能導(dǎo)致血液中的NO中毒[33]。當(dāng)NO保持在合適濃度范圍內(nèi)時(shí)，它可以抑制腫瘤生長(zhǎng)并顯示出抗腫瘤效果[34]。二酮吡咯并吡咯(DPP)衍生物因其在NIR下的優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換能力，被廣泛用于癌癥PTT治療。有研究報(bào)道，以DPP核心，修飾NIR光響應(yīng)性NO光致變色器(4-硝基-3-三氟甲基苯胺，NF)和pH敏感單元(二甲基氨基苯基-)。得到的DPP衍生物在NIR“明-暗”條件下，可實(shí)現(xiàn)NO的可控“開-關(guān)”釋放，也可在溶酶體的弱酸性環(huán)境(pH 4.5～5.0)下增強(qiáng)線態(tài)氧的產(chǎn)生，從而協(xié)同PTT增強(qiáng)抗腫瘤作用，顯示出優(yōu)異的抗腫瘤效果[35]。還有一種基于硫化鉍(Bi2S3)納米顆粒修飾雙-N-亞硝基化合物(BNN)的近紅外觸發(fā)NO釋放納米復(fù)合材料。外源性NO不僅會(huì)損害原位腫瘤細(xì)胞的自噬自我修復(fù)能力，還會(huì)擴(kuò)散到周圍細(xì)胞以增強(qiáng)治療效果，可以克服輕度PTT困難的腫瘤治療[36]。

2.2 聯(lián)合化療載藥

化學(xué)療法是使用化學(xué)藥物阻止癌細(xì)胞的增值、侵襲、轉(zhuǎn)移、浸潤(rùn)等最終殺死癌細(xì)胞的一種治療方法。該方法通常缺乏特異性，會(huì)影響正常細(xì)胞的生理功能?；瘜W(xué)療法和PTT的組合作用，可顯著提高癌癥的治療效果，但納米載體高加載化療藥物困難和化學(xué)藥物靶向可控釋放困難等限制著聯(lián)合療法的應(yīng)用。有研究[37]克服了這些困難，將帶正電荷鹽酸多柔比星(DOX)和帶負(fù)電的羧基吡啶-5-芳烴靜電相互作用結(jié)合，進(jìn)一步加載在CuS@CPG上，得到具有高達(dá)48.4%載藥量的CuS@CPG-DOX，該載體可通過靶向化學(xué)療法和PTT相結(jié)合進(jìn)行體外細(xì)胞研究，具有良好的生物相容性和優(yōu)異的腫瘤抑制作用。此外，無機(jī)或有機(jī)藥物輸送系統(tǒng)，如用聚乙二醇(PEG)修飾的樹枝狀大分子，能夠包封抗癌藥物DOX。有研究[38]將包被精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)肽修飾Au NS物理包封DOX，達(dá)到協(xié)同化學(xué)療法和腫瘤PTT的pH/NIR激光雙響應(yīng)，顯著提高了癌癥的治療效果。

2.3 聯(lián)合基因療法

RNAi是一種新型的癌癥治療策略，可沉默疾病相關(guān)基因特異性地靶向細(xì)胞內(nèi)mRNA，從基因上預(yù)防疾病的發(fā)生和發(fā)展。然而，siRNA治療面臨許多挑戰(zhàn)，主要有低血清穩(wěn)定性和低細(xì)胞攝取率[39]。目前光熱納米材料的應(yīng)用對(duì)siRNA的應(yīng)用提供了支持。有研究[40]表明帶有正電荷的金納米棒類材料和帶有負(fù)電荷的siRNA結(jié)合后可以顯著增加siRNA在血清中的穩(wěn)定性?；蛘{(diào)控中基因過表達(dá)后觀察表型變化是研究信號(hào)通路的重要手段之一。將納米光熱載體和cDNA溫育結(jié)合后誘導(dǎo)基因過表達(dá)的研究相對(duì)較少,有待于進(jìn)一步探索。

3 納米載體的腫瘤靶向治療

3.1 抗體

抗體對(duì)其目的抗原具有強(qiáng)親和力，可用于腫瘤的靶向治療。金納米顆?？膳c特異性抗體相耦合,具有腫瘤靶向加熱的特點(diǎn)[41]。西妥昔單抗(Ab)修飾CuS NPs(CuS-Ab NPs)，Ab可以靶向EGFR(Epidermal growth factor receptor)，而EGFR在大多數(shù)癌細(xì)胞膜上過表達(dá)，并且負(fù)責(zé)腫瘤發(fā)生、血管生成和轉(zhuǎn)移；體外和體內(nèi)結(jié)果顯示，有了Ab的幫助即使在小激光照射下，也有更多的CuS NPs在腫瘤組織中積累，達(dá)到更好的抗腫瘤效果[42]。使用新型免疫佐劑糖化殼聚糖(GC)修飾的單壁碳納米管(SWNT)可用于靶向治療小鼠中的轉(zhuǎn)移性乳腺腫瘤?？贵w聯(lián)合光熱納米載體進(jìn)行腫瘤靶向光熱治療，有助于減少腫瘤治療中產(chǎn)生的過多副作用[43]。

3.2 凝集素和碳水化合物

碳水化合物和凝集素，在所有健康人類細(xì)胞表面上表達(dá)，且在生物體中發(fā)揮重要作用，如細(xì)胞生長(zhǎng)、分化和黏附以及細(xì)胞信號(hào)。癌細(xì)胞表面上的碳水化合物和凝集素的表達(dá)會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致特定受體的過表達(dá)或低表達(dá)[44]。癌細(xì)胞中的這種異常糖基化為選擇性靶向癌癥治療提供了機(jī)會(huì)，包括納米載體選擇性PTT治療，如有研究報(bào)道[45]，使用兩種不同的乳腺癌細(xì)胞系，即MDA-MB-231和SK-BR-3細(xì)胞，其中MDA-MB-231細(xì)胞在其表面上過表達(dá)半乳糖凝集素-1(一種半乳糖結(jié)合凝集素)可對(duì)乳糖-C3Pc-AuNP納米載體的選擇性結(jié)合，在體外和體內(nèi)使用碳水化合物均顯示了增強(qiáng)PDT的顯著潛力。脫唾液酸糖蛋白受體(ASGPR)也稱為肝半乳糖受體，是在肝細(xì)胞的竇狀表面上表達(dá)的C型凝集素。ASGPR在結(jié)合、內(nèi)化和清除具有末端半乳糖殘基的物質(zhì)循環(huán)中起重要作用，是靶向肝臟納米結(jié)構(gòu)的重要靶標(biāo)[46]。有研究[47]以β-d-半乳糖(GAL)為歸巢劑固定在裸GNP表面上，為了防止GNP被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)(RES)快速吞噬，加入可生物降解和生物相容的聚乙二醇(PEG)的GAL-PEG-GNP的新型復(fù)合物后，具有作為肝細(xì)胞肝癌(HCC)治療的放射增敏劑的潛力。

3.3 靶向常見腫瘤

葉酸受體在健康組織中低表達(dá)，在腫瘤中過表達(dá)：包括卵巢癌、腎癌、乳腺癌、肺癌等，已經(jīng)成為癌癥治療的重要靶點(diǎn)[48]。金納米團(tuán)簇和GNR是用于葉酸靶向的常見結(jié)構(gòu)。使用葉酸靶向的金納米團(tuán)簇評(píng)估葉酸陽性MGC-803胃癌細(xì)胞以及葉酸陰性GES-1胃上皮細(xì)胞時(shí)，胃癌細(xì)胞相比于胃上皮細(xì)胞對(duì)金納米團(tuán)簇的細(xì)胞內(nèi)吞更多，從而證實(shí)了葉酸和葉酸受體之間的特異性相互作用[49]。糖蛋白CD44特異性的結(jié)合透明質(zhì)酸，參與腫瘤的轉(zhuǎn)移和發(fā)展，在許多腫瘤中高表達(dá)，使它們成為靶向PTT療法的有效受體。THAM等[50]使用透明質(zhì)酸使Hela細(xì)胞表面過表達(dá)CD44，同CD44陰性MCF-7細(xì)胞相對(duì)比，使用二氧化硅改性的鋅酞箐包裹的AuNR納米載體對(duì)比治療，證實(shí)了納米載體靶向CD44糖蛋白優(yōu)異的靶向光熱抗腫瘤效果。

4 小結(jié)與展望

目前可用于PTT的納米光熱載體主要分為無機(jī)納米載體和有機(jī)納米載體兩大類。無機(jī)納米載體雖然在近紅外區(qū)有很高的吸收和光穩(wěn)定性，但是生物相容性比有機(jī)納米載體差，有機(jī)納米載體的生物相容性相對(duì)較好，但是其光熱轉(zhuǎn)換效率較低。光熱納米載體聯(lián)合NO、化療藥物、siRNA等可進(jìn)行腫瘤的協(xié)同治療；光熱納米載體修飾抗體、凝集素和碳水化合物類靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)以及葉酸結(jié)構(gòu)等可達(dá)到不同腫瘤的靶向作用。因此，在今后的研究中，光熱納米載體的合成需要進(jìn)行整合多功能載體從而提高性能，使其在抗腫瘤的治療中得到更廣泛的應(yīng)用。