光熱型超聲造影劑用于治療腫瘤研究進(jìn)展

毛盈譞，董天秀，張 浩，朱明微，楊秀華

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院腹部超聲科，黑龍江 哈爾濱 150001)

近年來，全球癌癥發(fā)病率和死亡率迅速增長(zhǎng)，在我國亦均持續(xù)上升[1-2]。光熱治療依靠光熱劑在近紅外光(near-infrared， NIR)激發(fā)下進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換，在腫瘤區(qū)域形成過高溫環(huán)境，使腫瘤細(xì)胞發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，降低腫瘤細(xì)胞活性、促進(jìn)腫瘤細(xì)胞凋亡、抑制腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移[3-5]，相比傳統(tǒng)方式治療精確性更高、穩(wěn)定性更佳而不良反應(yīng)較少，對(duì)腫瘤局灶殺傷性更強(qiáng)。研究[6-7]證實(shí)超聲造影劑(ultrasound contrast agent， UCA)受超聲波激發(fā)而產(chǎn)生的穩(wěn)定空化或慣性空化效應(yīng)可發(fā)揮藥物傳遞及治療作用；UCA作為載體還可增加藥物在腫瘤部位的富集，降低藥物毒性，強(qiáng)化藥物殺傷腫瘤效果并改善腫瘤耐藥[8-9]。將超聲成像與光熱治療融合，開發(fā)基于光熱治療的診療一體化造影劑，不僅可定位診斷腫瘤，還可將光熱劑遞送到腫瘤部位，聯(lián)合NIR進(jìn)行高效熱消融。本文圍繞光熱型UCA用于治療腫瘤研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 載無機(jī)光熱劑類UCA

1.1 載金屬納米粒子UCA

1.1.1 金納米粒子 金納米粒子生物相容性較好，大小易受調(diào)控，是第一代光熱型納米粒子。WANG等[10]以成人血白蛋白修飾的金納米棒(光吸收峰為760 nm)為外殼包覆全氟丙烷制備的靶向金納米棒超聲微泡可主動(dòng)尋找靶點(diǎn)，延長(zhǎng)在腫瘤血管中滯留的時(shí)間；金納米棒產(chǎn)生的等離子體光熱效應(yīng)協(xié)同聲孔作用可致小鼠體內(nèi)腫瘤組織壞死。LI等[11]研發(fā)的多功能相變脂質(zhì)體結(jié)構(gòu)中，雙層金納米粒子殼受NIR激發(fā)形成高溫，引發(fā)液態(tài)氟碳的相變并釋放阿霉素(doxorubicin， DOX)，脂質(zhì)體超聲對(duì)比增強(qiáng)成像效果明顯，抑制腫瘤生長(zhǎng)作用優(yōu)于單純光熱治療或化學(xué)治療。

1.1.2 氧化鐵納米顆粒 Fe3O4納米顆粒(nanoparticle， NP)因其天然磁性、高敏感性和生物相容性而成為廣泛應(yīng)用的核磁對(duì)比劑，在紅外光和NIR照射下具有較強(qiáng)的光熱效應(yīng)[12]。ZHAO等[13]以嵌有超順磁性Fe3O4NP的聚乳酸-羥基乙酸(poly-lactic-co-glycolic acid， PLGA)為外殼、全氟己烷(perfluorohexane， PFH)為內(nèi)核，制備出一種磁性相變型多功能對(duì)比劑(PFH/Fe3O4@PLGA)；經(jīng)NIR輻射后，F(xiàn)e3O4NPs的光熱效應(yīng)和PFH相變時(shí)的熱彈性膨脹效應(yīng)共同作用導(dǎo)致腫瘤組織損傷和凝固性壞死。GUO等[14]將PFH、超順磁性氧化鐵(superparamagnetic iron oxide， SPIO)和紫杉醇(paclitaxel， PTX)封裝至PLGA，以赫賽汀(Herceptin， Her)主動(dòng)靶向SKBR-3細(xì)胞，制備出診療一體化納米粒子PFH-PTX@PLGA/SPIO-Her NP。在NIR照射下，SPIO NP發(fā)生光熱轉(zhuǎn)換，引起PFH可視化相變，可有效觸發(fā)釋放PTX，實(shí)現(xiàn)乳腺癌強(qiáng)效光熱聯(lián)合化學(xué)治療。

1.1.3 硫化銅NP 由于局域化的表面等離子體共振，銅及硫化銅(CuS)NP在NIR區(qū)表現(xiàn)出強(qiáng)吸收性，通過等離子體光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生熱量[15]。ZHA等[16]將其設(shè)計(jì)的CuS超聲微泡(CuS-Span60 and Tween80 microbubbles， CuS-ST68 MB)注入兔靜脈，之后數(shù)秒兔腎臟超聲造影圖像明顯增強(qiáng)，但高能量超聲可能破壞CuS-ST68 MB，使微泡的增強(qiáng)信號(hào)消失；CuS-ST68 MB對(duì)Hela細(xì)胞基本無毒性作用，而與NIR共處理Hela細(xì)胞10 min后，靶區(qū)及周邊Hela細(xì)胞出現(xiàn)大量死亡。

1.2 載碳基納米材料UCA

1.2.1 碳納米粒子 碳納米粒子無生物活性和免疫原性，為潛在的新型淋巴結(jié)示蹤劑[17]。YANG等[18]研制的新型炭納米(carbon NP， CNP)液滴具有強(qiáng)NIR吸收性和高光熱轉(zhuǎn)換效率。在NIR照射下，CNPs的液氣相變可為光聲/超聲雙模態(tài)成像提供良好的對(duì)比效果，超聲造影模式下，淋巴結(jié)信號(hào)從納米液滴注射15 min后開始增強(qiáng)，至30 min左右達(dá)到最佳。此外，CNP還可用于淋巴結(jié)染色，對(duì)肉眼識(shí)別淋巴結(jié)具有重要作用?；谔技{米管(carbon nanotube， CNT)的靶向藥物載體可局部完全消融腫瘤，光熱治療作用良好，但基于CNT的靶向UCA制備復(fù)雜，使超聲成像和治療腫瘤效果均受到影響[19]。

1.2.2 石墨烯納米粒子 石墨烯納米材料依靠獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)，在NIR下表現(xiàn)出等離子體效應(yīng)，可用于光熱治療[20]。還原氧化石墨烯(reduced graphene oxide， rGO)性質(zhì)比氧化石墨烯更穩(wěn)定，在NIR區(qū)域的吸光性更強(qiáng)。LIU等[21]以聚乙二醇(polyethylene glycol， PEG)修飾rGO，連接硫酸肝素蛋白聚糖3(heparin sulfate proteoglycan glypican 3， GPC3)，并填充全氟戊烷(perfluoropropane， PFP)，獲得肝癌靶向納米囊泡(NBs-GPC3-rGO)，利用 GPC3的主動(dòng)靶向性將NBs-GPC3-rGO特異性結(jié)合于HepG2細(xì)胞表面，以提高局部腫瘤rGO濃度，使NBs-GPC3-rGO高效殺傷HepG2細(xì)胞。

2 載有機(jī)光熱劑類UCA

2.1 載NIR染料UCA

2.1.1 吲哚菁綠 在NIR照射下，由脂質(zhì)體、磷脂-PEG或PLGA包封吲哚菁綠(indocyanine green， ICG)組成的納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和光熱效果均優(yōu)于游離ICG，可對(duì)腫瘤進(jìn)行NIR熒光顯像和熱消融[22]。LIU等[23]設(shè)計(jì)的葉酸(folic acid， FA)受體靶向治療性NP(FA-PEG-PLGA-PTX@ICG-PFH NP)依賴PFH進(jìn)行超聲成像和光聲成像，并將PTX和ICG遞送到腫瘤靶區(qū)，以實(shí)現(xiàn)化學(xué)/光熱治療；連續(xù)NIR照射引發(fā)NP中的PTX急劇釋放，提高抗腫瘤效果。WU等[24]以中空介孔有機(jī)硅(hollow mesoporous organosilica， HMO)NP為載體裝載ICG和PFP，表面覆蓋PTX前體藥物，開發(fā)出谷胱甘肽響應(yīng)性納米復(fù)合物(ICG/PFP@HMONP-PEG)；PTX前體藥物與腫瘤組織中高濃度谷胱甘肽發(fā)生氧化還原反應(yīng)，釋放ICG，以保證ICG/PFP@HMONP-PEG在血液循環(huán)中的穩(wěn)定性；ICG受NIR照射產(chǎn)熱誘導(dǎo)PFP相變，增強(qiáng)超聲對(duì)比信號(hào)，同時(shí)促進(jìn)腫瘤細(xì)胞攝取納米復(fù)合物。

2.1.2 IR-780碘化物 IR-780碘化物為疏水性七甲川花菁染料，具有良好的NIR吸收性、成像能力及腫瘤靶向性[25]。LIU等[26]以PLGA共軛PEG殼包覆IR780碘化物，以提高其穩(wěn)定性及在血液中的循環(huán)時(shí)間，并在外殼上連接精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸環(huán)肽(cyclin arginine-glycine-aspartate， cRGD)，制備出的黑色素瘤靶向多功能NP(cRGD-PLGA-IR780-PFP NP)生物相容性佳，在多模態(tài)(光聲/超聲/NIR)成像引導(dǎo)下聯(lián)合NIR破壞腫瘤細(xì)胞膜，顯著抑制黑色素瘤生長(zhǎng)。SHEN等[27]研發(fā)的新型多功能靶向納米UCA(FA-NB-IR780)具有雙重腫瘤靶向性、顯著光熱型和雙模態(tài)成像功能。與注射用六氟化硫微泡相比，F(xiàn)A-NB-IR780可穿過腫瘤血管深入腫瘤組織，成像持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、穩(wěn)定性更高，有助于IR-780碘化物在腫瘤部位積聚，NIR照射可增強(qiáng)產(chǎn)熱、引發(fā)腫瘤細(xì)胞凋亡。

2.2 聚吡咯外殼UCA 聚吡咯(polypyrrole， PPy)共軛高分子有機(jī)材料無毒，且生物相容性佳，可作為光熱劑和膜材料用于構(gòu)建超聲微泡。ZHA等[28]采用水包油乳化法研制的聚吡咯空心微球(PPy hollow microspheres， PPyHM)不僅可顯著增強(qiáng)超聲成像信號(hào)，還展現(xiàn)出強(qiáng)大的腫瘤光熱消融效果；PPyHM結(jié)構(gòu)中未添加其他光熱劑或UCA材料，大大降低了患者排泄治療劑的負(fù)擔(dān)。YANG等[29]將修飾有FA的PPy殼包被在載多烯紫杉醇(docetaxel， DTX)和PFH的納米脂滴表面，制備出DTX/PFH@PPy-FA復(fù)合結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)DTX/PFH@PPy-FA對(duì)腫瘤細(xì)胞具有主動(dòng)靶向性，可用于光熱及化學(xué)治療，協(xié)同抑制4T1荷瘤小鼠體內(nèi)乳腺癌生長(zhǎng)及轉(zhuǎn)移。

2.3 聚多巴胺涂層UCA 聚多巴胺(polydopamine， PDA)是多巴胺氧化后自發(fā)聚合形成的天然黑色素類似物，有氧、弱堿性條件下，多巴胺單體的兒茶酚基團(tuán)首先被氧化為醌，之后進(jìn)一步反應(yīng)，形成不溶于水的PDA膜[30]。XU等[31]在中空介孔有HMONP骨架中填充PFP并裝載DOX，表面被覆PDA涂層，設(shè)計(jì)出腫瘤微環(huán)境響應(yīng)性NP；PDA涂層響應(yīng)酸性環(huán)境而釋放DOX，同時(shí)作為光熱劑有效換能，促進(jìn)PFP氣化，可提升超聲成像效果；HMONP結(jié)構(gòu)內(nèi)的二硫鍵可使NP具有谷胱甘肽響應(yīng)性，特異性反映腫瘤組織內(nèi)還原性微環(huán)境。ZHANG等[32]合成了中空PDA@DOX NP，可高效承載DOX，有效進(jìn)行化學(xué)及光熱聯(lián)合治療乳腺癌；腫瘤酸性微環(huán)境和NIR輻照啟動(dòng)PDA@DOX NP的靶向藥物釋放功能，將DOX有效富集于腫瘤部位，抑制腫瘤生長(zhǎng)；中空的PDA@DOX NP顯著增強(qiáng)了B模式和對(duì)比增強(qiáng)模式下的超聲成像信號(hào)，可用作監(jiān)測(cè)光熱治療進(jìn)程的UCA。

3 小結(jié)與展望

盡管光熱型UCA研究已初見成果，但仍有局限性，下列問題亟待改善和優(yōu)化：①第二NIR窗的NIR較第一NIR窗具有更深的組織穿透能力，可到達(dá)位于深部組織的實(shí)體腫瘤病灶，而現(xiàn)有第二NIR窗有機(jī)光熱劑甚少，研制第二NIR窗敏感性光熱劑可為提升腫瘤光熱治療療效提供新思路；②UCA的體積不可避免地限制其載藥量和包封率，為保證診療效果，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)摸索適當(dāng)裝配方法、外殼材料的種類和分子量、UCA各組分濃度和溶解度；③相比依賴高滲透長(zhǎng)滯留效應(yīng)被動(dòng)分散于腫瘤組織中的普通造影劑，主動(dòng)靶向性和腫瘤微環(huán)境響應(yīng)性UCA的特異性更強(qiáng)，根據(jù)不同腫瘤生物學(xué)特征研發(fā)相應(yīng)靶向光熱型UCA是今后研究的重點(diǎn)方向；④大多采用表觀實(shí)驗(yàn)評(píng)估光熱型UCA抑制腫瘤作用，有待深入分析和挖掘其具體通過干擾腫瘤細(xì)胞何種生理進(jìn)程或信號(hào)通路而實(shí)現(xiàn)抑制腫瘤生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移的效果。

綜上，隨著多學(xué)科、多領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展和交叉融合，更加優(yōu)質(zhì)的光熱型UCA將配合多種成像技術(shù)和NIR在早期診斷腫瘤與精準(zhǔn)光熱治療中發(fā)揮重要作用，并有望持續(xù)發(fā)展。