缺氧腫瘤光動力治療的研究進展

張毓 蘇丹柯

作者單位：530021 南寧 廣西醫(yī)科大學附屬腫瘤醫(yī)院放射科

光動力療法（photodynamic therapy，PDT）是一種具有創(chuàng)傷性小、靶向性好、適用性廣泛、可重復治療等優(yōu)點的腫瘤治療新技術，原理是將光敏劑（photosensitizer，PS）特異性地聚集在腫瘤組織中并利用適當波長的光激發(fā)PS，被激活的PS再將能量轉(zhuǎn)移到周圍的氧分子（O2）［1-2］，導致氧氣發(fā)生不完全還原反應而產(chǎn)生細胞毒性的活性氧（reactive oxygen species，ROS），如單線態(tài)氧（1O2）、過氧化物（O22-）、超氧化物（O2-）、羥基自由基（·OH）等，從而誘導細胞凋亡或壞死［3］。因此，PDT的療效高度依賴于腫瘤組織中的氧含量，但腫瘤組織常因細胞快速生長和血液供應不足形成腫瘤缺氧微環(huán)境，PDT療效因此明顯受限［4］。PDT過程中快速耗氧也會加劇腫瘤組織缺氧，進一步阻礙PDT療效［5］。近年來越來越多研究對腫瘤缺氧微環(huán)境下如何增強PDT療效進行探索，本文就此作一綜述。

1 改善腫瘤缺氧微環(huán)境

1.1 利用氧氣載體輸送氧氣

1.1.1 血紅蛋白載體 血紅蛋白（hemoglobin，Hb）分子由4個血紅素基團組成，是常用的氧氣載體之一［6］。CAO等［7］設計了一種多功能納米復合物（BP@RB-HB），其負載了傳統(tǒng)PS玫瑰紅（rose bengal，RB）、熒光共振能量載體Bp及供氧載體Hb。乳腺癌細胞MCF-7荷瘤小鼠靜脈注射BP@RB和BP@RB-HB納米復合物后腫瘤體積明顯減小，證實負載有Hb分子的納米復合物PDT抗腫瘤效果增強。GUO等［8］報道了一種負載Hb和PS吲哚菁綠（indocyanine green，ICG）的氧傳遞光敏脂質(zhì)體（LIH），體外研究發(fā)現(xiàn)LIH可在缺氧條件下進入結腸癌細胞CT-26中并將氧氣輸送到細胞內(nèi)。在近紅外光照射下，LIH可產(chǎn)生大量1O2，從而提高CT-26細胞光毒性。因此，Hb分子可作為氧氣載體將氧氣輸送到腫瘤組織中，改善腫瘤組織缺氧狀態(tài)，增強PDT療效。

1.1.2 紅細胞載體 Hb分子具有攜氧能力，但由于半衰期短、穩(wěn)定性差，游離的Hb并不是向腫瘤組織輸送氧氣的最好選擇［9］。紅細胞（red blood cell，RBC）不僅含有Hb分子，還是人體的內(nèi)源性成分，具有良好的生物相容性。因此，RBC可作為PS載體將氧氣輸送至腫瘤組織。WANG等［10］開發(fā)了一種可用于向腫瘤缺氧組織輸送氧氣的可控制RBC微載體，該載體包括特異性缺氧探針（hypoxia probe，HP）、功能化的正交激發(fā)上轉(zhuǎn)換納米粒子（upconversion nanoparticles，UCNPs）和PS玫瑰紅。在缺氧條件下，膠質(zhì)母細胞瘤細胞U87MG的RBC微載體中非活性HP轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚誀顟B(tài)，從而激發(fā)Hb分子釋放氧氣，提高PDT療效。U87MG荷瘤小鼠靜脈注射RBC微載體后，較注射Si微載體小鼠腫瘤體積明顯減少，顯示了更高的抗腫瘤效果。TANG等［11］也介紹了一種利用RBC作為PS酞菁（ZnF16Pc）載體的RBC輔助PDT新技術（RBCPDT）。由于RBC具有攜氧能力，因此即使在缺氧條件下，RBC-PDT系統(tǒng)也能有效地產(chǎn)生1O2，用膠質(zhì)母細胞瘤細胞U87MG建立荷瘤小鼠模型后靜脈注射RBC-PDT納米復合物，顯示了明顯的腫瘤抑制作用?？傊?，RBC作為最常見的血細胞類型，可將納米技術引入RBC中形成氧氣載體，有效補充PDT過程中的缺氧。

1.1.3 全氟化碳載體 氧氣在全氟化碳（perfluorocarbon，PFC）中具有極高的溶解度，大約為50.0 mL O2/100 mL，而氧氣在血液中的溶解度僅為12.5 mL O2/100 mL。同時PFC是合成的有機分子，具有化學穩(wěn)定性好、表面張力小、兼具疏油和疏水、無毒副作用等獨特性，因此PFC 可成為替代 RBC 的氧氣載體［12-13］。HU 等［14］將PS竹紅菌乙素與PFC結合組裝成含氟化物的膠束，且結合物的載氧能力與PFC含量呈正相關；PFC結合物對人肺癌細胞H1299的光毒性與結合物的用量相關，PFC結合物用量越大，對H1299細胞的光毒性效率越高。由此可見，PFC可作為氧氣載體，但不能僅通過氧氣濃度控制的單純擴散方式釋放氧氣。因此，SONG等［15］在使用PFC納米粒子作為氧氣載體的同時利用超聲特異性地調(diào)節(jié)腫瘤的缺氧微環(huán)境。綜上，由于PFC良好的生物特性，且可通過呼氣或皮膚毛孔排出，因此將PFC載體與PDT結合，可實現(xiàn)腫瘤組織連續(xù)供氧，增強PDT療效。

1.2 腫瘤組織內(nèi)部直接產(chǎn)生氧氣

1.2.1 H2O2的分解 過氧化氫酶可以催化H2O2分解為H2O和O2。而腫瘤細胞由于異常的增殖速度、血管浸潤、轉(zhuǎn)移等特點而較正常細胞含有更多的H2O2［16］。因此，許多研究集中于將過氧化氫酶和PS共同傳遞至腫瘤組織，直接在腫瘤組織內(nèi)部產(chǎn)生O2而增強PDT療效。PHUA等［17］開發(fā)了過氧化氫酶包裹的透明質(zhì)酸（hyaluronic acid，HA）納米顆粒，并負載PS二氫卟吩 e6（Ce6）得到 HA-CAT@aCe6納米系統(tǒng)，且在缺氧條件下培養(yǎng)乳腺癌細胞MDA-MB-231，結果HA-CAT@aCe6納米系統(tǒng)中的過氧化氫酶可原位分解H2O2產(chǎn)生O2，從而緩解腫瘤組織缺氧，表現(xiàn)出較高的細胞毒性；MDA-MB-231荷瘤小鼠靜脈注射HA-CAT@aCe6后腫瘤體積也明顯減小。因此認為，HA-CAT@aCe6納米系統(tǒng)可改善腫瘤組織缺氧并提高PDT療效。除過氧化氫酶外，還有MnO2納米粒子、金納米簇合物、鉑納米酶等納米材料［18-19］。YANG 等［20］將光敏劑（BSA-Ce6）和天然葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，Gox）復合到MnO2納米粒子表面，再在其表面包裹紅細胞膜形成仿生納米復合物RMGB。體外實驗表明，在缺氧條件下，RMGB復合物可誘導32.3%的小鼠乳腺癌4T1細胞凋亡。對4T1荷瘤小鼠靜脈注射RMGB并進行激光照射后發(fā)現(xiàn)腫瘤生長明顯受抑制，腫瘤重量也明顯減輕。綜上，不管是過氧化氫酶還是具有過氧化氫酶作用的納米材料都可以在腫瘤組織內(nèi)部直接催化H2O2產(chǎn)生O2，補充腫瘤組織的O2，增強PDT療效。

1.2.2 水的分解 目前也有研究采用水的裂解作為氧氣來源增強光動力療效。LI等［21］將含鐵碳氮化物（Fe-C3N4）納米粒子與釕（Ⅱ）配合物結合，增強光的催化活性。在雙光子激光照射下，釕（Ⅱ）配合物被激活成1O2，同時觸發(fā)Fe-C3N4裂解水產(chǎn)生O2。在體外4T1細胞中觀察到了明顯的細胞光毒性作用，靜脈注射納米復合物并進行近紅外照射后發(fā)現(xiàn)4T1荷瘤小鼠表現(xiàn)出明顯的腫瘤抑制作用。因為人體內(nèi)有充足的水可用于產(chǎn)生O2，因此水裂解也成為一種內(nèi)源性的、可靠的、高效的產(chǎn)氧方法，并可有效改善PDT過程中的缺氧。

1.3 改善腫瘤微環(huán)境

1.3.1 通過升溫改善腫瘤組織血流量 腫瘤組織缺氧的主要原因是腫瘤組織微血管改變和血液供應不足導致，因此增加腫瘤組織的血流量已成為提高腫瘤組織中氧濃度的有效措施。HU等［22］通過構建“溫水浴（43℃）”改善人血清白蛋白（human serum albumin，HSA）納米顆粒PDT過程中腫瘤組織的血流量，并在納米顆粒表面負載光敏劑（Ce6）。對4T1荷瘤小鼠靜脈注射HSA納米顆粒并接受“溫水?。?3℃）”后發(fā)現(xiàn)當腫瘤組織溫度從37℃上升到43℃時，腫瘤血流速度相應地從17.3 cm/s加速到32.4 cm/s，氧飽和度提高52%，進而提高PDT療效。

1.3.2 通過降解細胞外基質(zhì)重塑腫瘤微環(huán)境 腫瘤相關蛋白酶可能破壞正常結締組織中的膠原蛋白、糖蛋白、彈性蛋白等蛋白質(zhì)，減少腫瘤侵襲。研究發(fā)現(xiàn)透明質(zhì)酸酶（HAase）能降解腫瘤細胞外基質(zhì)（ECM）中的主要成分透明質(zhì)酸（HA），從而改善腫瘤組織的血管紊亂，增加腫瘤灌注量。GONG等［23］在對4T1荷瘤小鼠靜脈注射含光敏劑（Ce6）納米復合物前，將HAase靜脈注射到實體腫瘤中，通過產(chǎn)生的“增強滲透性和滯留性”（EPR）效應使納米復合物的攝取量增加了2倍。在4T1荷瘤小鼠體內(nèi)進行PDT研究，發(fā)現(xiàn)HAase處理后進行PDT可幾乎完全抑制腫瘤生長。同樣地，LIU等［24］也報道了一種增強PDT療效的方法，對4T1荷瘤小鼠靜脈注射含有膠原酶（collagenase，CLG）的CLG@NCP-PEG納米顆粒復合物，發(fā)現(xiàn)CLG可以特異性地降解ECM中的膠原蛋白，增強腫瘤組織血流灌注量，緩解缺氧；然后對小鼠靜脈注射含有Ce6的脂質(zhì)體納米復合物，在腫瘤組織缺氧緩解基礎上有效增強了脂質(zhì)體納米復合物對小鼠的PDT療效。綜上所述，無論是通過升溫改善腫瘤組織血流量還是通過降解ECM重塑腫瘤微環(huán)境，都可明顯提高腫瘤組織中的氧含量，是增強PDT抗腫瘤作用的有效方法。

2 新型PDT模式

2.1 間歇式PDT療法

減少氧氣依賴的新型PDT模式越來越受到關注。據(jù)報道，間歇性地用光照射處理腫瘤組織可獲得更好的PDT療效。KLIMENKO等［25］對人慢性髓系白血病細胞K562分別進行連續(xù)照射和間歇式照射，發(fā)現(xiàn)間歇式PDT在產(chǎn)生1O2和腫瘤細胞復氧方面都顯示出更高的效率。間歇式PDT細胞死亡機制為細胞凋亡機制，而連續(xù)性照射為細胞壞死機制。為進一步提高間歇式PDT療效，TURAN等［26］研發(fā)了一種用于間歇式PDT的PS。該PS基于吡啶酮（PYR）產(chǎn)生，在光照期，PYR可與1O2反應轉(zhuǎn)化為2-吡啶酮內(nèi)過氧化物（EPO）；在間歇期，EPO又可通過熱轉(zhuǎn)換釋放1O2，同時還原成PYR。因此，在光照期和間歇期，該PS均可產(chǎn)生1O2。分別評價PYR和EPO在人宮頸癌細胞HeLa中的PDT效率，發(fā)現(xiàn)兩種化合物的細胞存活率均明顯降低，且EPO具有更好的細胞毒性作用。因此認為，間歇式PDT因耗氧率減少可有效改善腫瘤組織缺氧，從而表現(xiàn)出更高的PDT療效。

2.2 Ⅰ型PDT療法

目前大多數(shù)與PDT相關的臨床應用均基于Ⅱ型機制的PDT，即通過PS將能量傳遞給周圍氧氣生成1O2，而Ⅰ型機制是PS通過電子或質(zhì)子的轉(zhuǎn)移形成反應自由基（如·OH），從而破壞生物分子。可見Ⅰ型PDT的過程不依賴氧氣，使之成為克服Ⅱ型PDT中缺氧限制的新方法。LV等［27］研發(fā)了香豆素修飾的環(huán)金屬釕復合體（RU2）作為Ⅰ型PS，對HeLa細胞進行可見光照射，發(fā)現(xiàn)缺氧條件下RU2處理后細胞凋亡率為54%；而以RU2為PS的PDT治療HeLa荷瘤小鼠，14 d后腫瘤重量從2.0 g降至0.1 g以下，說明即使在缺氧條件下，Ⅰ型機制為主的PDT也能表現(xiàn)出較高的腫瘤抑制作用。TIAN等［28］也提出一種氯甲基修飾Ru（Ⅱ）配合物作為PS的PDT納米系統(tǒng)。Ru（Ⅱ）配合物在可見光的照射下產(chǎn)生自由基，在缺氧條件下也能誘導DNA損傷，導致細胞凋亡；且即使在低氧條件下，該納米體系也能誘導21.1%的人卵巢癌細胞SKOV-3發(fā)生凋亡。綜上認為，以Ⅰ型機制為主的PDT因其產(chǎn)生自由基過程中不需要氧氣，因此在低氧條件下也能發(fā)揮作用，從而增強PDT療效。

2.3 非氧氣依賴型的細胞毒性化合物

傳統(tǒng)的PDT過程中ROS的產(chǎn)生依賴于氧氣，因此開發(fā)非氧氣依賴型細胞毒性化合物將為治療缺氧微環(huán)境下的腫瘤提供優(yōu)勢。BABII等［29］報道了一種二芳基乙烯衍生的多肽模擬物，在無氧條件下，該化合物經(jīng)可見光照射產(chǎn)生ROS。該多肽模擬物由光敏二芳基乙烯和天然多肽抗生素（GS）組成，在紫外線作用下產(chǎn)生的肽仿異構體可對腫瘤細胞產(chǎn)生毒性作用，也對HeLa細胞和人結腸癌細胞COLO-205表現(xiàn)出明顯的細胞毒性，肺癌荷瘤小鼠進行PDT治療20 d后，小鼠存活率提高60%以上。

3 PDT聯(lián)合其他治療

3.1 PDT聯(lián)合化療

化療是腫瘤的主要治療方法之一，但毒副作用較大且易產(chǎn)生抗藥性。化療聯(lián)合PDT以改善PDT對氧氣的依賴及減少化療藥物劑量成為研究的熱點之一。替拉扎明（tirapazamine，TPZ）是一種新型的生物還原活性物，在缺氧腫瘤細胞內(nèi)可被還原成一種具有細胞毒性作用的代謝產(chǎn)物。YANG等［30］研發(fā)了一種含有TPZ和PS（IR780）的脂質(zhì)體納米復合物，可將藥物輸送至腫瘤組織內(nèi)而與PDT協(xié)同治療乳腺癌。體外實驗顯示，當脂質(zhì)體納米復合物在近紅外光照射下產(chǎn)生ROS時，可導致4T1細胞缺氧，從而激活TPZ并釋放毒性氧化自由基，誘導4T1細胞死亡。順鉑Ⅳ（PtⅣ）是一種可通過紫外線照射或還原劑在鉑（Ⅱ）中還原的前藥，可在不消耗氧氣情況下產(chǎn)生鉑（Ⅱ）作為化療藥物，同時誘導ROS生成。XU等［31］研發(fā)了一種含有PtⅣ和光敏劑（Ce6）的納米粒子，該納米粒子可在HeLa細胞及小鼠正常成纖維細胞L929內(nèi)產(chǎn)生氧氣，在HeLa細胞荷瘤小鼠和人結腸癌細胞HCT116荷瘤小鼠模型中均證實該納米粒子可產(chǎn)生氧氣，并有效改善腫瘤缺氧，提高PDT療效。上述研究表明，將PDT聯(lián)合化療可提高腫瘤中的氧氣濃度，進而提高PDT抑制腫瘤生長作用。

3.2 PDT聯(lián)合血管生成抑制劑

PDT造成的缺氧微環(huán)境可激活多種血管生長因子生成，如血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）、環(huán)氧合酶-2（COX-2）等，而這些血管生長因子可參與腫瘤新生血管形成，并導致腫瘤細胞對PDT耐受。因此，PDT聯(lián)合血管生成抑制劑可以阻斷血管生長因子作用，減緩腫瘤侵襲，同時提高PDT療效。LECAROS等［32］使用PDT聯(lián)合脂質(zhì)磷酸鈣納米粒（LCP NPS）將VEGF-A的小干擾RNA（siVEGF-A）傳遞到細胞內(nèi)，通過降低VEGF-A表達增強PDT療效。在人舌鱗癌細胞SCC4和SAS兩種荷瘤小鼠模型中靜脈注射siVEGF-A和PDT納米復合物，發(fā)現(xiàn)經(jīng)siVEGF-A處理組的VEGF-A表達明顯降低，且siVEGF-A聯(lián)合PDT可顯著降低兩種荷瘤小鼠模型的腫瘤體積。既往研究顯示碳酸酐酶Ⅸ（CAⅨ）在腫瘤中過表達并參與腫瘤細胞生長和侵襲，因此靶向抑制CAⅨ可顯著抑制腫瘤細胞生長和轉(zhuǎn)移。鑒于此，JUNG等［33］開發(fā)了一種乙酰唑胺（AZ）結合氟化硼二吡咯（BODIPY）的 PS（AZ-BPS）靶向抑制CAⅨ，發(fā)現(xiàn)AZ-BPS不僅可定位于過度表達CAⅨ的MDA-MB-231和MCF-7細胞線粒體中，并在660 nm光照射時產(chǎn)生1O2，同時與非靶向的BPS相比，AZ-BPS治療效果明顯增強。在MDA-MB-231荷瘤小鼠體內(nèi)靜脈注射AZ-BPS后同樣發(fā)現(xiàn)AZ-BPS對腫瘤具有明顯抑制作用，證實靶向抑制CAⅨ聯(lián)合PDT可有效增強PDT療效?？傊?，通過阻斷血管生長因子作用可明顯減緩腫瘤生長，而PDT聯(lián)合血管生成抑制劑也被證實可作為增強PDT療效的有效措施。

3.3 PDT聯(lián)合光熱治療

光熱治療（photothermal，PTT）是將光能（通常在近紅外區(qū)域）轉(zhuǎn)化為熱能，然后誘導細胞凋亡或壞死的一種新型的無創(chuàng)性技術。PTT過程中不需要氧氣，因此將PTT聯(lián)合PDT可成為克服PDT治療中缺氧的有效方法［34］。ZHU等［35］構建了一種由牛血清白蛋白（BSA）、磺胺類化合物（SAS）和鐵卟啉納米金屬有機骨架（NMOFs）組成的新型納米平臺，4T1細胞在激光照射下光熱轉(zhuǎn)換效率為40.53%，且在常氧和缺氧條件下，這種新型納米系統(tǒng)對腫瘤組織均有明顯的PDT效應；在4T1荷瘤小鼠模型中靜脈注射該納米復合物，也發(fā)現(xiàn)PDT聯(lián)合PTT對腫瘤生長的抑制作用優(yōu)于單獨使用PDT或PTT。因此，將PDT與PTT結合的治療方案也是一種可克服腫瘤缺氧環(huán)境并增強PDT治療效果的方案。

3.4 PDT聯(lián)合腫瘤免疫療法

腫瘤免疫療法（cancer immunotherapy，CIT）是一種作用于患者免疫系統(tǒng)以對抗疾病的治療方法，在腫瘤治療中受到廣泛關注，PDT聯(lián)合CIT也成為研究的熱點［36］。IM 等［37］研究了一種負載光敏劑（Ce6）的介孔二氧化硅納米顆粒，并用PEG對其表明進行修飾形成納米復合物（CAGE），以通過調(diào)節(jié)樹突狀細胞和破壞癌細胞增強PDT的免疫治療療效，結果證實激光照射下CAGE可有效產(chǎn)生ROS；對B16.F1荷瘤小鼠靜脈注射CAGE并行660 nm近紅外光照射后，腫瘤生長也明顯受抑制。因此，將PDT創(chuàng)新性地聯(lián)合CIT可明顯抑制腫瘤生長，從而實現(xiàn)PDT與CIT協(xié)同對腫瘤細胞的殺傷作用。

4 小結

PDT具有侵入性小、可重復性及靶向性好等獨特優(yōu)勢，在惡性腫瘤治療中顯示了巨大的臨床應用前景。但PDT高度依賴于氧氣，因此療效嚴重受限于腫瘤缺氧微環(huán)境。目前大多研究主要通過改善或利用腫瘤缺氧微環(huán)境提高PDT療效，例如通過改善腫瘤缺氧微環(huán)境，開發(fā)新型PDT模式，如間歇式PDT方式、Ⅰ型PDT療法及利用非氧氣依賴型的細胞毒性化合物減少氧氣消耗或不利用氧氣等改善腫瘤組織的缺氧而增強PDT療效，以及通過PDT聯(lián)合化療、血管生成抑制劑、光熱治療及免疫治療等措施增效，但PDT過程中腫瘤組織氧合水平與PDT效率的關系還有待進一步探索。此外，PDT納米系統(tǒng)設計也尚處于臨床前研究，其臨床應用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如光敏劑對正常組織的毒性作用、近紅外光穿透深度有限、如何靶向傳遞納米粒子等，但隨著研究不斷深入，相信PDT將成為臨床腫瘤治療的有效補充療法。