增強(qiáng)光動(dòng)力治療腫瘤的應(yīng)用研究進(jìn)展

李丹丹， 于波， 葉庭路

1.安徽醫(yī)科大學(xué)北京大學(xué)深圳醫(yī)院臨床學(xué)院; 2.北京大學(xué)深圳醫(yī)院皮膚性病科，廣東 深圳 518036

光動(dòng)力療法(photodynamic therapy，PDT)是一種以光敏劑、氧分子及光源相互結(jié)合的一種治療方法，是腫瘤治療的一種有前景的療法。PDT其原理是光敏劑被代謝活躍的腫瘤細(xì)胞優(yōu)先吸收后，應(yīng)用適當(dāng)?shù)墓庠凑丈浯碳ぐ屑?xì)胞讓其產(chǎn)生單線態(tài)氧及活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)，直接殺傷腫瘤細(xì)胞，以及激活靶細(xì)胞的抗腫瘤免疫應(yīng)答來誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。PDT治療后血管閉塞導(dǎo)致的腫瘤細(xì)胞的缺氧，也參與了腫瘤病灶的清除。PDT作為腫瘤治療的新興療法，與手術(shù)及放化療相比有很多優(yōu)勢(shì),如相對(duì)非侵入性治療、對(duì)腫瘤選擇性較好、毒性及耐藥性低、能治療多種腫瘤且重復(fù)治療療效較好、操作方便及副作用小等。但PDT治療腫瘤目前還存在許多不足之處，包括：①腫瘤微環(huán)境中氧的缺乏；②光敏劑的局部生物利用度不足；③光源及光敏劑的穿透深度不夠；④腫瘤的免疫逃逸等。這些缺陷可能減弱PDT殺滅腫瘤細(xì)胞的療效，以及限制PDT在一些腫瘤浸潤(rùn)程度較深的病灶上的應(yīng)用。目前，現(xiàn)已有很多研究針對(duì)光敏劑與光源、藥物與PDT聯(lián)合治療，以及PDT介導(dǎo)的免疫效應(yīng)方面進(jìn)行改良，旨在提高PDT在抗腫瘤方面的療效。

1 光敏劑的改良

光敏劑在PDT治療中能夠被靶組織吸收后在特定的波長(zhǎng)激發(fā)光下產(chǎn)生ROS，從而破壞該靶細(xì)胞，甚至直接導(dǎo)致細(xì)胞死亡。目前為止，光敏劑的發(fā)展主要經(jīng)歷了三代，從以血卟啉衍生物為代表的一代光敏劑到現(xiàn)在的一些具有藥物傳輸系統(tǒng)的三代新型功能型光敏劑，無論是從療效、毒性、理化性質(zhì)等方面都有了很大的改善。

1.1 光敏劑提高腫瘤微環(huán)境中的氧

在對(duì)腫瘤進(jìn)行PDT治療過程中腫瘤微環(huán)境的缺氧是阻礙療效的重要原因之一，包括直接向腫瘤組織輸送氧氣以及原位反應(yīng)間接供氧等多種方法已用來改善腫瘤治療過程中微環(huán)境的缺氧。研究發(fā)現(xiàn)腫瘤組織內(nèi)含有過氧化氫并且其含量高于周圍正常細(xì)胞[1]。細(xì)胞內(nèi)含有天然的過氧化氫酶能夠?qū)⑵浞纸猱a(chǎn)生氧氣，但催化反應(yīng)因體內(nèi)環(huán)境影響并不穩(wěn)定。Dan等[2]構(gòu)建了負(fù)載光敏劑吲哚菁綠的超小金納米顆粒，該納米顆粒被證實(shí)能夠在腫瘤組織高度聚集，并且具有高效過氧化氫酶功能，較大程度上改善了腫瘤微環(huán)境中的供氧，從而進(jìn)一步提高PDT治療腫瘤的療效。將能夠產(chǎn)生氧氣的化學(xué)物質(zhì)與光敏劑一同負(fù)載在新型材料載體水凝膠上亦能改善PDT療效。Hou等[3]合成一種生物相容性的瓊脂糖基水凝膠，該水凝膠包含了光敏劑二氫卟吩e6、腐植酸鈉和氧化錳。在PDT的光照下，局部溫度的升高可以促進(jìn)水凝膠中的光敏劑以及氧氣的釋放，從而緩解腫瘤微環(huán)境的缺氧，使得腫瘤生長(zhǎng)抑制率達(dá)到了93.8%。

1.2 光敏劑促進(jìn)PDT抗腫瘤免疫效應(yīng)

PDT的抗腫瘤免疫效應(yīng)，是腫瘤經(jīng)PDT處理后促進(jìn)機(jī)體免疫識(shí)別腫瘤細(xì)胞表面表達(dá)的腫瘤相關(guān)抗原而產(chǎn)生相應(yīng)免疫應(yīng)答，進(jìn)一步攻擊和清除腫瘤細(xì)胞、抑制腫瘤的生長(zhǎng)。免疫佐劑是同抗原一起或預(yù)先注入機(jī)體內(nèi),能增強(qiáng)機(jī)體對(duì)抗原的免疫應(yīng)答能力或改變免疫反應(yīng)類型的輔助物質(zhì)，在光敏劑中加入免疫佐劑后再進(jìn)行PDT治療能夠增強(qiáng)機(jī)體對(duì)PDT后產(chǎn)生的腫瘤相關(guān)抗原的免疫應(yīng)答。在含光敏劑的納米粒中加入免疫佐劑CpG后能夠促進(jìn)樹突狀細(xì)胞成熟，從而促進(jìn)PDT后的抗腫瘤免疫效應(yīng)[4]。將CR276抗體與光敏劑IRDye700偶聯(lián)后對(duì)皮下腫瘤進(jìn)行PDT治療，可發(fā)現(xiàn)其抑制腫瘤的生長(zhǎng)及轉(zhuǎn)移效果優(yōu)于其他對(duì)照組，并且在該聯(lián)合光敏劑介導(dǎo)的PDT治療后,腫瘤組織內(nèi)的CD11c+CD83+雙陽性的成熟DC細(xì)胞的數(shù)量較對(duì)照組增加，以及CD8+T細(xì)胞數(shù)量也顯著增加[5]。表明通過這些免疫細(xì)胞的成熟和數(shù)量的增加進(jìn)一步增強(qiáng)了PDT的抗腫瘤免疫效應(yīng)。

1.3 直接作用于關(guān)鍵信號(hào)通路光敏劑的應(yīng)用

PI3K/Akt信號(hào)通路是人類癌癥中最頻繁被激活的信號(hào)通路之一，阻斷該通路成為治療腫瘤的一個(gè)有效治療方法。目前已有針對(duì)該通路抑制劑的臨床研發(fā)。Li等[6]合成了硫摻雜碳點(diǎn)(S-CDs)作為納米光敏劑，S-CDs介導(dǎo)的PDT被證實(shí)能夠有效抑制與腫瘤細(xì)胞存活相關(guān)的PI3K/Akt信號(hào)通路，并能促進(jìn)與細(xì)胞凋亡相關(guān)的p38/JNK通路。

1.4 提高光敏劑的腫瘤選擇性

腫瘤組織對(duì)光敏劑有一定的選擇性，具體機(jī)制目前仍不清楚?？赡芘c腫瘤組織對(duì)光敏劑的代謝以及腫瘤細(xì)胞較正常細(xì)胞有更多的低密度脂蛋白受體,能夠介導(dǎo)光敏劑進(jìn)入腫瘤組織細(xì)胞內(nèi)有關(guān)。近年來為了提高光敏劑的靶向性，研究者們開發(fā)了腫瘤微環(huán)境響應(yīng)型納米材料，這類納米材料主要有pH響應(yīng)型、氧化還原響應(yīng)型、乏氧響應(yīng)型、酶響應(yīng)型等，能夠響應(yīng)腫瘤微環(huán)境中不同的特性從而在腫瘤組織靶向釋放光敏劑。Yan等[7]制備了負(fù)載酞菁類光敏劑的pH響應(yīng)型納米材料，該納米藥物在酸性條件下如腫瘤微環(huán)境中能特異性釋放光敏劑,而在正常生理環(huán)境中則具有較高的穩(wěn)定性。另外,此種光敏劑還加有葉酸的修飾，能夠與腫瘤表面過表達(dá)的葉酸受體相結(jié)合。因此,這類改良的光敏劑能高度選擇性地被輸送至腫瘤部位,從而提高PDT治療腫瘤的高效性與特異性。

2 光源的改良

臨床上PDT的光源主要有廣譜燈、激光器以及發(fā)光二極管(light-emitting diode，LED)等。LED作為光源因其發(fā)光波長(zhǎng)的多樣性能與不同光敏劑的吸收光譜所匹配。此外，LED光源還具有較好的發(fā)光效率、輸出功率和穩(wěn)定性。LED光源較普通的激光光源具有多波長(zhǎng)選擇性、適用于體表大面積照射、成本低、便攜耐用等優(yōu)勢(shì)。為了提高PDT臨床治療的精準(zhǔn)性與便攜性，可穿戴式、可植入式的PDT治療光源已成為未來PDT光源的研究方向之一。Fonda-Pascual等[8]運(yùn)用可穿戴式的帽狀低能量光療作為PDT的光源，對(duì)頭皮AK進(jìn)行治療。該帽狀光源內(nèi)置246個(gè)大功率非聚焦LED,在給患者治療區(qū)域涂抹光敏劑氨基乙酰丙酸甲酯乳膏后,即將該設(shè)備戴在患者頭上。治療后對(duì)患者進(jìn)行隨訪,發(fā)現(xiàn)AK較之前基線水平有所改善。

上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料是一類能將紅外低能光子轉(zhuǎn)換為紫外或可見高能光子的發(fā)光材料。因其所吸收的光子能量低于發(fā)射的光子能量，故稱為上轉(zhuǎn)換發(fā)光。近年來研究者開發(fā)出了激發(fā)波長(zhǎng)位于600～1 100 nm的上轉(zhuǎn)化納米粒子(upconversion nanoparticles，UCNPs)。UCNPs可作為PDT的能量傳遞體將組織穿透深度較深的近紅外光轉(zhuǎn)換為可用于激發(fā)光敏劑的紫外或可見光，這使PDT中光源具有更好的生物組織穿透性，進(jìn)一步增加光敏劑在體內(nèi)產(chǎn)生ROS從而提高PDT療效。Li等[9]研制出一種用于細(xì)胞內(nèi)組織蛋白酶B響應(yīng)型PDT的上轉(zhuǎn)換納米探針，該探針中UCNPs將近紅外光轉(zhuǎn)換后再將540 nm處的發(fā)射能量轉(zhuǎn)移到成像染料Cy3，并通過Cy3與UCNPs的熒光強(qiáng)度比來進(jìn)行PDT的自校正療效預(yù)測(cè)功能。這種納米探針為PDT治療腫瘤提供了高效及精準(zhǔn)的光源。

近年來出現(xiàn)了無外部激發(fā)光的PDT治療。Singh等[10]合成了一種化學(xué)動(dòng)力學(xué)納米顆粒CDNP，其中過氧酸所降解所產(chǎn)生的能量能夠激發(fā)光敏劑，從而進(jìn)一步產(chǎn)生單線態(tài)氧來殺滅癌細(xì)胞。這種PDT治療腫瘤無需外界光線的介導(dǎo)，治療深度能夠不受傳統(tǒng)PDT光源的限制。

3 PDT聯(lián)合藥物治療

3.1 PDT聯(lián)合藥物增加細(xì)胞內(nèi)原卟啉Ⅸ的水平

鹽酸氨酮戊酸(aminolevulinic acid hydrochloride,ALA)是細(xì)胞內(nèi)合成血紅蛋白的前體，其本身無光毒性，因此被稱為內(nèi)源性光敏劑。ALA經(jīng)一些列酶的催化后在線粒體內(nèi)轉(zhuǎn)化為具有光敏活性的原卟啉Ⅸ(PpⅨ)，PpⅨ在氧的存在下被相應(yīng)波長(zhǎng)光激活后產(chǎn)生ROS破壞甚至殺死癌細(xì)胞。Anand等[11]將5-氟尿嘧啶(5-FU)與ALA-PDT治療聯(lián)合應(yīng)用于小鼠鱗狀細(xì)胞癌模型中，在5-FU預(yù)處理后再進(jìn)行PDT治療，發(fā)現(xiàn)這種聯(lián)合治療增加了PpⅨ水平的升高和腫瘤細(xì)胞的凋亡。在另外兩項(xiàng)研究中還發(fā)現(xiàn)甲氨蝶呤(methylammonia,MTX)和骨化三醇聯(lián)合PDT治療也能夠增加PpⅨ的產(chǎn)生，并且同時(shí)還能增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的分化。推測(cè)可能與血紅素合成過程中關(guān)鍵酶的表達(dá)受到C/EBP轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控有關(guān)，而MTX和骨化三醇又能通過調(diào)節(jié)C/EBP轉(zhuǎn)錄因子來影響腫瘤分化[12-14]。

3.2 PDT療法聯(lián)合藥物治療調(diào)節(jié)抗腫瘤免疫反應(yīng)

激光免疫療法是一種將免疫調(diào)節(jié)劑與PDT聯(lián)合應(yīng)用來增強(qiáng)PDT的抗腫瘤免疫效應(yīng)的綜合治療方法。Cai等[15]將免疫調(diào)節(jié)劑糖化殼聚糖與光敏劑Photofrin介導(dǎo)的PDT聯(lián)合應(yīng)用于EMT6乳腺腫瘤和4T1轉(zhuǎn)移性乳腺腫瘤的荷瘤小鼠，證實(shí)這種綜合療法能夠更好地抑制腫瘤的生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)移及活化免疫細(xì)胞。咪喹莫特是一類免疫調(diào)節(jié)劑，能夠激活Toll樣受體7和8來介導(dǎo)NF-κB的活化，進(jìn)一步激活機(jī)體先天和獲得性免疫來產(chǎn)生抗腫瘤作用。ALA-PDT與咪喹莫特聯(lián)合應(yīng)用于小鼠及人體皮膚鱗狀細(xì)胞癌能夠增強(qiáng)ALA-PDT的抗腫瘤效應(yīng)。咪喹莫特通過調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞的數(shù)量，促進(jìn)促炎細(xì)胞因子及趨化因子的表達(dá)來調(diào)節(jié)PDT的抗腫瘤免疫效應(yīng)[16]。

近年來發(fā)現(xiàn)PD-1/PD-L1抑制劑阻斷免疫檢查點(diǎn)協(xié)同光動(dòng)力療法治療腫瘤取得了較好療效。在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)局部光動(dòng)力療法，Rho激酶(ROCK)抑制劑和PD-1/PD-L1免疫檢查點(diǎn)阻斷的三聯(lián)療法能夠有效治療原位葡萄膜黑素瘤并防止其轉(zhuǎn)移。其中局部光動(dòng)力療法聯(lián)合Rho激酶抑制劑發(fā)揮了類似癌癥疫苗樣的免疫原性清除作用，進(jìn)而使CD8+T細(xì)胞被運(yùn)輸至原發(fā)腫瘤部位，并且激活PD-1/PD-L1 免疫檢查點(diǎn)來引起全身的抗腫瘤免疫反應(yīng)從而有效抑制了葡萄膜黑素瘤的轉(zhuǎn)移[17]。Alvim等[18]通過血管靶向光動(dòng)力療法，PD-1抑制劑和OX40激動(dòng)劑免疫療法聯(lián)合應(yīng)用于尿道癌動(dòng)物模型中,亦發(fā)現(xiàn)其能通過增強(qiáng)抗腫瘤免疫效應(yīng)來抑制腫瘤生長(zhǎng)。

早期有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在硅酞菁4作為光敏劑治療腫瘤時(shí)具有免疫抑制效應(yīng)[19]，隨后也相繼有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PDT治療的免疫抑制作用。最近的研究表明PDT導(dǎo)致的免疫抑制效應(yīng)可能是通過環(huán)氧合酶2型(COX-2)途徑來上調(diào)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg)和髓源性抑制細(xì)胞(MDSCs)，通過抑制上述兩種細(xì)胞及COX-2可能會(huì)阻斷這種免疫抑制效應(yīng)從而提高PDT的療效[20]。在小鼠鱗狀細(xì)胞癌SCCVII腫瘤進(jìn)行替莫卟吩介導(dǎo)的PDT后,即刻注射抗抗鼠GR1抗體能夠阻斷PDT療效，然而在PDT后1 h注射可以提高腫瘤的治愈率，推測(cè)這種現(xiàn)象可能與能夠增強(qiáng)PDT療效的中性粒細(xì)胞在PDT后1 h內(nèi)被具有免疫抑制作用的髓系調(diào)節(jié)細(xì)胞Mregs取代有關(guān)，而抗GR1抗體能夠消耗這兩種細(xì)胞，在不同時(shí)間段內(nèi)注射所消耗的細(xì)胞種類不同,所以導(dǎo)致對(duì)腫瘤的治療效果也不同[21]。與直接增強(qiáng)PDT的抗腫瘤免疫效應(yīng)的藥物一樣，PDT聯(lián)合能夠減弱負(fù)性免疫調(diào)節(jié)作用的藥物也是增強(qiáng)PDT治療腫瘤療效的一個(gè)重要的方向。

3.3 PDT療法聯(lián)合藥物治療促進(jìn)或抑制腫瘤關(guān)鍵信號(hào)通路

MAPK通路是光動(dòng)力介導(dǎo)的與腫瘤細(xì)胞凋亡相關(guān)的重要通路之一。將白藜蘆醇(resveratrol,Res)聯(lián)合ALA-PDT處理A431表皮樣癌細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)Res能夠通過p38/MAPK通路進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)胞凋亡來增強(qiáng)PDT對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷作用[22]。Dickkopf3(Dickkopf3，DKK-3)是一類Wnt信號(hào)抑制因子，可能通過誘導(dǎo)caspase3和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)的細(xì)胞凋亡抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)。將DKK-3與ALA-PDT聯(lián)合應(yīng)用于4T1乳腺細(xì)胞株后顯著增加了癌細(xì)胞的死亡率[23]。

3.4 PDT療法聯(lián)合藥物治療靶向阻斷腫瘤細(xì)胞特異受體

頭頸部鱗癌的特征之一是表皮生長(zhǎng)因子受體(epidermal growth factor receptor,EGFR)的過度表達(dá)，將選擇性阻斷EGFR和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子受體-2的凡德他尼聯(lián)合二氫卟吩e6介導(dǎo)的PDT應(yīng)用于口腔鱗癌細(xì)胞株CAL-27的體外治療，發(fā)現(xiàn)凡德他尼能夠通過影響DNA的修復(fù)機(jī)制及腫瘤微環(huán)境從而增強(qiáng)PDT的療效[24]。

4 PDT介導(dǎo)的腫瘤疫苗

腫瘤的免疫逃逸是腫瘤細(xì)胞能夠在體內(nèi)生存及增殖的一個(gè)重要因素，增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的免疫原性是使機(jī)體免疫系統(tǒng)能及時(shí)識(shí)別并通過天然和獲得性免疫機(jī)制抵抗腫瘤的重要方法之一。腫瘤細(xì)胞經(jīng)PDT處理后能夠通過損傷相關(guān)分子模式(damage danger associated molecular patterns,DAMPs)釋放各類細(xì)胞內(nèi)分子來增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞免疫原性，從而進(jìn)一步激活機(jī)體抗腫瘤免疫應(yīng)答[25]。PDT腫瘤疫苗則是將PDT治療腫瘤細(xì)胞后得到的腫瘤細(xì)胞裂解物作為具有免疫原性的抗原來激發(fā)機(jī)體的抗腫瘤免疫效應(yīng)。

Ni等[26]制備了一種能夠誘導(dǎo)募集樹突狀細(xì)胞為主的腫瘤疫苗MC/Dox/Ce6。該疫苗以癌細(xì)胞膜CCM包裹納米顆粒、鹽酸阿霉素及光敏劑e6(Ce6)，其中小劑量的阿霉素的細(xì)胞毒性及Ce6介導(dǎo)的PDT能夠?qū)е旅庖咴约?xì)胞死亡,以及產(chǎn)生腫瘤相關(guān)抗原來招募樹突狀細(xì)胞并促進(jìn)其成熟,從而進(jìn)行有效地疫苗接種來發(fā)揮抗腫瘤效應(yīng)。在CT26荷瘤小鼠上以腫瘤靶向pH敏感的鋅基免疫調(diào)節(jié)劑進(jìn)行原位免疫接種，亦發(fā)現(xiàn)了PDT腫瘤疫苗的上述類似效果[27]。

ALA-PDT樹突狀細(xì)胞疫苗能夠增加腫瘤局部及小鼠脾臟的CD4+及CD8+T細(xì)胞的活性和含量，也能夠增加外周血及小鼠脾臟中的免疫相關(guān)細(xì)胞因子如白細(xì)胞介素12和干擾素-γ的含量[28]。ALA-PDT樹突狀細(xì)胞疫苗可能通過這些機(jī)制增強(qiáng)了小鼠全身抗腫瘤免疫效應(yīng)，從而有效預(yù)防小鼠皮膚鱗癌的發(fā)生。

5 結(jié)語

PDT治療腫瘤雖然已有很多的基礎(chǔ)研究，但目前在臨床治療中尚處于起步階段，仍有很多不足。已經(jīng)有越來越多的研究從PDT最主要的三要素(光敏劑、氧及光源)、PDT的聯(lián)合治療和PDT的抗腫瘤免疫調(diào)節(jié)等方面對(duì)PDT治療腫瘤方法進(jìn)行改良，以增加PDT對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷力并且盡量減輕其對(duì)正常組織細(xì)胞的損害。這些研究能為臨床治療提供理論基礎(chǔ)，從而使PDT治療有望成為繼手術(shù)、放化療治療腫瘤的又一重要方法。