基于納米技術(shù)的腫瘤熱放療增敏的研究進(jìn)展*

賴建軍 綜述 吳稚冰 審校

放療是治療惡性腫瘤的重要手段之一，在20 世紀(jì)中放療在腫瘤治療中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。因其顯著性療效，目前約60%的新診斷腫瘤患者將放療納入腫瘤一線治療方案[2]。通過物理技術(shù)提高放療的治療增益比，即最大限度地將放療的劑量集中到病變（靶區(qū)）內(nèi)，而使周圍正常組織和器官少受或免受不必要的照射，是現(xiàn)代精確放療技術(shù)的發(fā)展方向，調(diào)強(qiáng)放射治療、圖像引導(dǎo)放射治療、立體定向放射治療等精確放療技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生并被普遍應(yīng)用。然而，由于高能放射線固有的物理特性，通過放射物理技術(shù)提高放療的治療增益比必然遭遇瓶頸。影響腫瘤放療效果的因素除了放射物理技術(shù)外，還包括腫瘤細(xì)胞內(nèi)氧含量和再氧合、谷胱甘肽含量、放射損傷修復(fù)能力、不同細(xì)胞周期的放射敏感性、腫瘤放療抵抗基因的表達(dá)等[3]。應(yīng)用熱療增敏放療，可提高腫瘤細(xì)胞的放射敏感性、降低腫瘤細(xì)胞的放射抵抗性，在放療中具有非常重要的臨床實(shí)用價(jià)值。隨著納米科學(xué)和技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的深入研究，為腫瘤熱療和放療開辟了新的發(fā)展道路。具有良好生物相容性和安全性的多功能納米材料在腫瘤熱療應(yīng)用中已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注并展現(xiàn)出了良好的潛力，將納米熱療技術(shù)作為增敏載體引入放療，在熱放療增敏的同時(shí)，納米材料亦可單獨(dú)作為放療增敏載體，使腫瘤熱療和放療二者協(xié)同增效，有可能克服目前制約腫瘤放療的諸多難題，為推動(dòng)放療的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的發(fā)展機(jī)遇[4-8]。本文對(duì)基于納米技術(shù)的腫瘤熱放療增敏的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為納米熱放療增敏技術(shù)的后續(xù)研究和臨床轉(zhuǎn)化提供參考。

1 納米技術(shù)熱放療增敏概述

腫瘤熱療被認(rèn)為是一種綠色無毒并被普遍認(rèn)可的放療增敏技術(shù)。熱療的放療增敏機(jī)制復(fù)雜，目前可明確的熱放療增敏機(jī)制包括細(xì)胞周期互補(bǔ)、改善乏氧、抑制DNA 修復(fù)等。在作用腫瘤細(xì)胞周期互補(bǔ)方面，放療對(duì)腫瘤有絲分裂的G2 后期和M 期最敏感，在腫瘤有絲分裂的S 期，谷胱甘肽合成增加，對(duì)放療不敏感，而腫瘤熱療對(duì)S 期腫瘤細(xì)胞敏感，二者對(duì)細(xì)胞周期各時(shí)期互補(bǔ)，聯(lián)合應(yīng)用可起到協(xié)同增效的作用。在改善腫瘤乏氧方面，一般認(rèn)為腫瘤乏氧程度與其對(duì)放療的抵抗性呈正相關(guān)，熱療可以通過增加腫瘤組織血流灌注，增強(qiáng)腫瘤組織血管通透性，增加腫瘤新陳代謝及氧合作用以改變腫瘤組織乏氧，也起到放療增敏作用。DNA 鏈斷裂是放療誘導(dǎo)腫瘤死亡的關(guān)鍵因素，放射線在生物體內(nèi)可引起DNA 單鏈和雙鏈斷裂。雙鏈斷裂往往不可修復(fù)，造成腫瘤細(xì)胞殺傷，單鏈斷裂在DNA 聚合酶的作用下可得到修復(fù)，影響放射線對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷效果。熱療可導(dǎo)致DNA 聚合酶活性降低從而抑制DNA 鏈修復(fù)，進(jìn)而抑制細(xì)胞的亞致死損傷和潛在致死損傷的修復(fù)，從而提高腫瘤放療敏感性[9]。

傳統(tǒng)的腫瘤熱療為使用紅外、射頻、微波、超聲等外源性電磁波能量，進(jìn)行腫瘤組織所在的區(qū)域加熱，腫瘤組織和正常組織同時(shí)受熱，利用腫瘤組織熱積聚特性進(jìn)行腫瘤熱療。這種對(duì)腫瘤組織和正常組織無選擇性的加熱技術(shù)，易造成正常組織損傷的缺陷，限制了熱療在現(xiàn)代精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)模式下的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用[10]。納米技術(shù)是一種應(yīng)用可修飾性納米材料共軛生物分子，如抗體、多肽類和藥物等來實(shí)現(xiàn)腫瘤的靶向診斷和治療的技術(shù)。利用納米材料特有的組織的高通透性和滯留（enhanced permeability and retention effect，EPR）效應(yīng)，可結(jié)合電磁導(dǎo)航等技術(shù)方法進(jìn)行補(bǔ)充，使納米材料被特異性的靶向攝入到腫瘤細(xì)胞中。選擇具有光熱和電磁產(chǎn)熱性能的納米材料，利用外源性電磁波進(jìn)行作用，可以克服傳統(tǒng)熱療技術(shù)缺陷[11-12]，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)的腫瘤精準(zhǔn)熱療。同時(shí)，一些高Z 元素納米材料被靶向到腫瘤組織后，在高能X 射線的光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)下，可產(chǎn)生較高的質(zhì)能吸收，并改善腫瘤微環(huán)境，實(shí)現(xiàn)放療增敏，最終達(dá)到熱療和放療協(xié)同增效的作用效果。

2 金納米材料熱放療增敏

金元素為惰性元素，生物相容性好，具有表面多價(jià)性、易修飾上靶向分子探針的獨(dú)特理化特征，在納米醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域備受矚目。

金納米顆粒利用表面等離子共振效應(yīng)（surface plasmon resonance technology，SPR）進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)光熱治療。同時(shí)，金具有較高的原子序數(shù)，可產(chǎn)生一定的放射增敏效果，兩者協(xié)同可使療效倍增[13-14]。Tabei 等[15]制備葉酸偶聯(lián)金納米顆粒F-AuNPs，進(jìn)行表征后檢測(cè)其在靶向熱療中的潛力。結(jié)果顯示，靶向532 nm 連續(xù)波激光光源輻照后KB 細(xì)胞死亡大于常規(guī)治療后KB 細(xì)胞凋亡，RT-qPCR 分析提示Bax表達(dá)升高，Bcl-xL 和Survivin 表達(dá)降低。流式細(xì)胞術(shù)分析表明激光輻照后16～24 h，大部分KB 細(xì)胞處于細(xì)胞周期中對(duì)輻射最敏感的階段（G2/M 期），提示F-AuNPs 激光輻照后增強(qiáng)了KB 癌細(xì)胞的放射敏感性。

金納米棒由于具有各向異性的特殊形狀，表現(xiàn)出兩個(gè)SPR 的波段，一個(gè)較窄的波段位于 520 nm 處，另一個(gè)較寬的波段可以從可見光區(qū)一直延伸到近紅外光區(qū)（650～900 nm），這使得金納米棒的生物應(yīng)用更為廣泛。相對(duì)于金納米顆粒的其他結(jié)構(gòu)，金納米棒具有更大的吸收效率和更窄的線寬，因此其光熱轉(zhuǎn)換的效率也更高。Youssef 等[16]制備的新型靶向金納米棒對(duì)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤進(jìn)行紅外光輻照，研究發(fā)現(xiàn)其有效地降低了67%的細(xì)胞存活率，該納米系統(tǒng)在紅外光熱療中具有良好的效率。

腫瘤微環(huán)境缺氧是實(shí)體腫瘤固有特性，乏氧是限值腫瘤放療療效的主要因素之一。Dan 等[17]制備吲哚菁綠（ICG）負(fù)載超細(xì)金納米簇（Au NCs-ICG）作為納米酶調(diào)節(jié)腫瘤缺氧增強(qiáng)放射敏感性。在荷瘤小鼠模型中，通過近紅外熒標(biāo)記顯示，Au NC-ICG 納米酶有明顯的高腫瘤積累和光熱效應(yīng)，同時(shí)Au NCs-ICG 納米酶也可以有效地將瘤內(nèi)H2O2分解為O2，以克服腫瘤組織缺氧，繼而增敏腫瘤放療。此外，Au NCs-ICG固有的X 射線吸收能力也很大程度地提高了腫瘤組織內(nèi)吸收的輻射能量，進(jìn)一步提高腫瘤放療效果，Au NCs-ICG 納米酶在腫瘤熱放療中顯示出巨大的應(yīng)用潛力。

3 鉍基納米材料熱放療增敏

近年來，鉍（Bi）基納米材料的種類也越來越多被開發(fā)出來，用以研究其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。Bi 是化學(xué)元素周期表第V 主族、第六周期的元素，其原子序數(shù)為83，是相對(duì)原子質(zhì)量最大的穩(wěn)定元素，在化合物中主要以+3 價(jià)的形式存在?；贐i 基納米材料較強(qiáng)的X 射線吸收能力和光熱轉(zhuǎn)換能力，Bi 基納米材料在腫瘤治療領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。

Song 等[18]通過陽(yáng)離子交換方法制備了一種中空Bi2Se3納米顆粒并負(fù)載全氟化碳作為氧載體，通過細(xì)胞和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，在808 nm 近紅外光作用下，納米顆粒產(chǎn)熱并釋放氧氣，以改善腫瘤乏氧產(chǎn)生的放射抵抗。除此之外因其高原子序數(shù)，鉍基納米材料對(duì)X 射線有較強(qiáng)的輻射吸收能力，輻射能量局部集中在腫瘤內(nèi)，加之鉍基材料的光熱轉(zhuǎn)換特性，該材料在腫瘤熱療和放療中具有較好的應(yīng)用前景。

Zeng 等[19]合成了多功能硫化鉍（Bi2S3）納米粒子并構(gòu)建了核殼Bi2S3＠Ce6-CeO2納米復(fù)合材料用于近紅外觸發(fā)的光熱治療研究。作為直接的窄帶隙n 型半導(dǎo)體，Bi2S3納米材料具有很大的近紅外觸發(fā)光熱效應(yīng)。該研究引入了具有良好光動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的光敏劑Ce6和具有O2釋放特性的CeO2，從而設(shè)計(jì)了Bi2S3＠Ce6-CeO2納米復(fù)合材料（Bi2S3＠Ce6-CeO2NCs）的核殼結(jié)構(gòu)。Bi2S3＠Ce6-CeO2NCs 在體外和體內(nèi)均表現(xiàn)出顯著的協(xié)同光熱和光動(dòng)力治療效果，證明其在腫瘤熱放療增敏中的應(yīng)用潛力。

Chen 等[20]認(rèn)為鉍基納米顆粒（BNPs）是腫瘤放療的潛在增敏劑，并制備了由血小板膜（PM）偽裝的介孔二氧化硅涂層的鉍納米棒（BMSNR），即BMNR＠PM。與BMSNR 相比，PM 偽裝增強(qiáng)了鉍基納米材料腫瘤靶向能力，有助于更精準(zhǔn)的腫瘤放療靶向增敏。該研究顯示，808 nm 近紅外輻射處理后，BMSNR＠PMs 改變了小鼠4T1 癌細(xì)胞的細(xì)胞周期分布，S 期和G2/M 期細(xì)胞的比例分別減少和增加，使小鼠4T1 癌細(xì)胞的放射敏感性增強(qiáng)。此研究顯示，BMSNR＠PMs 通過光熱療法和體內(nèi)放射療法的聯(lián)合作用有效地根除癌細(xì)胞，并顯著提高了攜帶4T1 腫瘤的小鼠存活率，協(xié)同治療效果優(yōu)于單獨(dú)進(jìn)行光熱治療和放療的治療效果。BMSNR＠PM 多功能含鉍納米平臺(tái)是一種具有腫瘤靶向、光熱治療、免疫逃逸和放射增敏功能的一體化平臺(tái)，是一種良好的熱放療增敏納米試劑平臺(tái)。

4 磁性納米材料熱放療增敏

磁性納米顆粒[21]由于納米尺寸效應(yīng)，展現(xiàn)出與宏觀磁性材料截然不同的物理化學(xué)特性，如具有大的比表面積[22]、超順磁特性[23-24]，可形成磁性液體[25]及具有多樣化的拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)[26]等，再結(jié)合其表面易功能化[22]等特點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

磁性納米材料在納米材料特有的EPR 特性下，通過對(duì)納米顆粒進(jìn)行靶向修飾，可以使其更多地聚集在腫瘤部位，還可以在外源性磁場(chǎng)輔助下，促進(jìn)納米材料靶向到腫瘤細(xì)胞。在外源性交變磁場(chǎng)作用下，通過磁滯作用和遲緩作用把電磁能轉(zhuǎn)換為熱能，在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行產(chǎn)熱，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)熱療（intracellular hyper thermia）。結(jié)合精確放療，既利用了熱療對(duì)腫瘤組織進(jìn)行放療增敏，又不會(huì)對(duì)正常組織造成熱損傷，實(shí)現(xiàn)真正意義上的腫瘤精準(zhǔn)熱放療。

超順磁氧化鐵納米顆粒（superparamagnetic iron oxide nanoparticles, SPIONs）因?yàn)榫哂歇?dú)特的磁力性質(zhì)，引起了研究者的興趣。Jafari等[27]研究聚甘油包被的SPIONs（PG-SPIONs）對(duì)U87-MG 癌細(xì)胞的放射增敏特性。在該研究中，通過熱分解法合成了聚甘油包覆的SPIONs，通過FTIR、TEM 和VSM 分析并對(duì)其進(jìn)行了表征。經(jīng)由AAS 檢查細(xì)胞對(duì)納米顆粒的攝取，并通過MTT 和菌落測(cè)定法評(píng)價(jià)了納米粒子的細(xì)胞毒性和放射致敏性。結(jié)果顯示腫瘤細(xì)胞內(nèi)納米粒子平均粒徑（17.9±2.85）nm。FTIR 驗(yàn)證的由聚甘油和VSM制成的SPIONs 涂層顯示其具有超順磁性能。TLD 對(duì)2 Gy 和4 Gy 劑量的驗(yàn)證結(jié)果分別為（2±0.19）Gy和（4±0.12）Gy。所有情況下的組合指數(shù)均小于1，且具有拮抗作用。與單獨(dú)的放射線相比，在6 MV X 射線作用下，PG-SPION 的應(yīng)用降低了U87-MG 細(xì)胞的存活率。

Lyu 等[28]合成了一種Fe3O4＠MnO2核殼磁性顆粒，并聯(lián)合葡萄糖氧化酶（GOX）進(jìn)行放射增敏研究。葡萄糖被GOX 氧化，在酸性細(xì)胞外微環(huán)境中產(chǎn)生過量的H2O2，MnO2殼與H2O2反應(yīng)生成O2以克服腫瘤乏氧，同時(shí)限制放療作用的細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽（GSH）也可被MnO2殼氧化。Fe3O4核心可具有優(yōu)越的磁熱性能和良好的磁性靶向能力。此研究表明，F(xiàn)e3O4＠MnO2是一種強(qiáng)生物相容性的具有磁靶向作用的熱放療增敏材料。

Meidanchi 等[29]通過水熱法成功合成了鎂摻雜的尖晶石型銅鐵氧體超順磁性納米粒子Mg（1-x）CuxFe2O4SPMNPs（x 為0.2～0.8），并進(jìn)行了Mg（1-x）CuxFe2O4超順磁性納米粒子在MCF-7 人乳腺癌細(xì)胞的放療中作為納米放射增敏劑的細(xì)胞學(xué)研究。Mg（1-x）CuxFe2O4SPMNPs 分別以0.1、1.0、10.0 和100.0 μg/mL 的不同濃度暴露于人乳腺癌細(xì)胞MCF-7中，測(cè)試放療前后的人乳腺癌細(xì)胞的細(xì)胞毒性作用和細(xì)胞活力。結(jié)果表明，Mg（1-x）CuxFe2O4SPMNPs 的x 值在濃度分別為0.1、1.0 和10.0 μg/mL 時(shí)均無明顯細(xì)胞毒性，通過增加Cu 含量和濃度，可增強(qiáng)MCF-7人乳腺癌細(xì)胞在X 射線照射后的細(xì)胞破壞能力。Mg（1-x）CuxFe2O4SPMNP 的超順磁特性僅通過外部磁場(chǎng)靶向和清除，其超順磁特性下，良好的磁熱性能也可作為良好的靶向磁熱載體。研究表明，x=0.2（10 μg/mL）和x=0.6（1 μg/mL）的Mg（1-x）CuxFe2O4SPMNPs 可作為納米熱放療增敏劑進(jìn)一步研究應(yīng)用。

5 納米靶向熱放療增敏臨床應(yīng)用

隨著納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，科學(xué)家們對(duì)具有良好生物相容性的納米材料的制備科學(xué)、應(yīng)用科學(xué)和表征科學(xué)展開了大量研究。在腫瘤治療領(lǐng)域，納米靶向光熱治療技術(shù)在前期大量細(xì)胞和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)后，已進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。Rastinehad 等[30]報(bào)道了納米光熱治療前列腺癌的臨床研究初步結(jié)果，16例58～79 歲前列腺癌患者中的15 例接受為期2 天的金-二氧化硅納米殼（gold-silica nanoshells，GSN）AuroLase 療法。AuroLase 療法是一種局部消融模式，依靠紅外光激發(fā)GSN 選擇性靶向和治療前列腺內(nèi)的局部病變。由于血管壁開孔與異常的腫瘤新生血管和固有的淋巴引流缺陷相關(guān)病變，靜脈輸注的GSNs 優(yōu)先積聚在實(shí)體腫瘤組織中[31-33]。利用GSN 組織分布的固有特性，在近紅外激光下，低濃度GSN 的健康組織光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)能不足以破壞正常組織，而高濃度的GSN 在癌灶內(nèi)產(chǎn)生足夠的光熱能產(chǎn)生凝固性壞死[34-36]。此研究應(yīng)用外層帶有一薄層金的微小二氧化硅球體（比紅細(xì)胞小約50 倍）的GSN 靜脈注射靶向到前列腺后，次日行圖像引導(dǎo)下的近紅外光熱消融治療，接受治療的15 例前列腺癌患者中有13 例在治療1年后未檢測(cè)出腫瘤相關(guān)指標(biāo)。這是首個(gè)在權(quán)威科學(xué)雜志上發(fā)表的光熱癌癥療法臨床研究，該臨床研究的發(fā)布證明了納米技術(shù)在腫瘤臨床治療中的安全性和有效性，在納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有里程碑式的意義。

6 結(jié)語(yǔ)與展望

基于納米靶向熱放射治療的理論研究、細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示出了較好的應(yīng)用前景[15-29]，納米熱放射增敏技術(shù)下，靶向光熱治療已得到臨床試驗(yàn)驗(yàn)證[30]，將納米靶向光熱治療作為增敏載體，結(jié)合放療進(jìn)行熱放療增敏，在已知熱放療增敏機(jī)制和高原子序數(shù)納米顆粒輻射能量吸收增強(qiáng)機(jī)制下，納米靶向熱放療增敏技術(shù)已具備臨床應(yīng)用條件。但大部分無機(jī)納米材料從科研到臨床仍需要突破其在人體內(nèi)長(zhǎng)期滯留導(dǎo)致的潛在長(zhǎng)期毒性。

腫瘤放療在現(xiàn)代納米技術(shù)的飛速發(fā)展下，構(gòu)建熱放療一體化納米試劑平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞內(nèi)精準(zhǔn)熱放療增敏，提高放療增益比，將可能克服目前制約腫瘤放療的諸多難題，為推動(dòng)放療的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的發(fā)展機(jī)遇。