特異性靶點光熱劑在光熱治療領域的研究進展

馬曉雨， 黎繼光， 劉 凡， 陳 思， 鄢國平

(武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北武漢 430205)

1 引言

近年來癌癥已經成為對人類健康威脅最嚴重的疾病之一[1 - 3]。目前已被人們所開發(fā)的有效治療癌癥的方法包括手術[4]、放療[5]、化療[6]、光動力治療(Photodynamic Therapy,PDT)[7]和光熱治療(Photothermal Therapy,PTT)[8 - 10]。單純依靠手術治療在大多數(shù)情況下并不能徹底清除癌變的組織，而放療和化療兩種治療方法通常會產生較嚴重的毒副作用[11]。光動力治療是利用光敏劑在光照下產生活性氧(Reactive oxygen species,ROS)進而誘導細胞產生毒性效應的一種治療方式，然而腫瘤部位缺氧的微環(huán)境并不利于光動力治療的實施[12]。在這樣的情形下，光熱治療因其外部光源的可控性和較低的毒性，引起了研究人員的極大關注。光熱療法主要是利用光熱劑(Photothermal Agent,PTA)將光能轉變?yōu)闊崮?，通過局部加熱并觸發(fā)生化過程來殺死腫瘤細胞，因此光熱治療并不會像光動力治療那樣受缺氧環(huán)境所限制[13]。

本文首先總結了近年來基于多種光熱轉換納米光熱劑的最新進展，并評價了其用于腫瘤光熱治療的效果。本文從貴金屬材料、過渡金屬材料、無機非金屬材料、有機小分子材料、有機聚合物以及其他材料5個方面進行了詳細的總結。并根據(jù)識別位點的不同，從“細胞外靶點”、“細胞上靶點”和“細胞內靶點”3個方面，對不同類型的光熱劑的最新進展進行了詳細的介紹。最后討論了納米材料介導的光熱治療在腫瘤治療中的發(fā)展機遇以及所面臨的挑戰(zhàn)。

2 光熱療法中常用光熱劑的類型

在過去的幾年中，腫瘤光熱療法已經取得了很大的進展，貴金屬材料、過渡金屬材料及非金屬材料等無機材料，以及有機小分子材料、有機聚合物等有機材料，已經被設計用于腫瘤消融的新型腫瘤靶向治療[14]。常見的光熱劑分類如圖1所示。

圖1 光熱劑的分類Fig.1 Classification of photothermal agents

2.1 無機材料

2.1.1 貴金屬材料基于無機納米材料的貴金屬光熱劑包括金[15]、鉑[16]和鈀[17]等，在接受近紅外光照射后，可以通過非輻射衰變將能量以熱量的形式釋放出來。貴金屬納米粒子由于其優(yōu)異的光熱和光學性能，是目前研究較多的無機納米粒子。由于局域表面等離子體共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)，它們在吸收激光以達到電子激發(fā)態(tài)和通過非輻射衰變釋放熱量方面顯示出巨大的應用潛能。

金基納米粒子作為具有強LSPR的優(yōu)良光熱劑，通過改變共振波長得到了廣泛應用。研究人員開發(fā)了多種金納米結構，如金納米棒[18,19]、金納米籠[20,21]、金納米殼[22,23]、金納米星[24,25]、金納米團簇[26,27]、金納米環(huán)[28,29]及金納米花[30,31]等。Guillermo團隊通過激光脈沖退火法重塑金納米棒溶膠，制備出單分散性高、LSPR吸收峰極窄的金納米棒，顯示出優(yōu)異的光熱效應[32]。Hu的團隊成功制備了負載有IR780的金納米籠材料(AuNCs-Plu-IR780)用于腫瘤光熱治療[33]。AuNCs-Plu-IR780納米平臺中IR780的包載率高達21.7%。動物實驗表明，AuNCs-Plu-IR780在近紅外808 nm光照下，腫瘤部位光熱溫度可升至89.6 ℃。且在20 d的治療期間，1 500 mm3的腫瘤完全消融無復發(fā)，證明AuNCs-Plu-IR780在腫瘤光熱治療領域具有廣闊的前景。

貴金屬光熱劑具有優(yōu)異的光熱效應，在腫瘤光熱治療方面顯示出巨大的潛在應用價值。然而，由于貴金屬光熱劑的成本較高，同時存在體內不可降解的缺陷，因此，在臨床治療上貴金屬光熱劑的應用受到了一定的限制。

2.1.2 過渡金屬材料過渡金屬無機材料，主要包括過渡金屬氧化物、硫化物、碳化物、氮化物及二氯化物等，它們具有強近紅外吸收、低成本和高光熱轉換效率(Photothermal Conversion Efficiency,PCE)等優(yōu)點，在腫瘤組織的光熱治療研究中備受關注。目前，用于光熱治療的過渡金屬基材料主要有TiS2、FeS、CuxSy、Cu2-xS、MoS2、Ag2S、WS2、FeSe2、Cu2-xSe、TiO2、Ti8O15、MoOx、WxOy及一些碳化物、氮化物和二氯化物等[34]。其中，銅基硫/硒族化合物CuxS(Sey)由于具有低成本和低毒性的特點，成為最受關注的光熱劑之一[35,36]。

Zhang的團隊構建了一種雙靶向的UCNP@CuS-HA納米診療體系用于腫瘤成像診斷和深層光熱治療[37]。將透明質酸(HA)包覆的硫化銅(CuS-HA)修飾在相轉換納米粒子(UCNP)表面，該體系具有被動腫瘤靶向效果。表層的透明質酸能特異性地靶向腫瘤細胞中過量表達的CD44受體，同時作為保護層穩(wěn)定UCNP，延長體系的血液循環(huán)時間。到達腫瘤組織后，在透明質酸酶的作用下透明質酸保護層降解，CuS量子點從體系中脫離，并滲入腫瘤深處實現(xiàn)腫瘤深層的光熱治療，同時激活最初CuS猝滅的UCNP進行成像，指導光熱治療照射的位置和時間，可用于精確檢測和個性化的腫瘤深層治療。

Lin的研究團隊合成了大豆磷脂修飾的Ta4C3納米片Ta4C3-SP[38]。靜脈注射Ta4C3-SP后，4T1荷瘤小鼠腫瘤部位的光聲(Photoacoustic,PA)信號強度增加，并在24 h達到最大值。此外，Ta4C3-SP可以增強CT的對比度并增加體內Hounsfield單位值。實驗結果顯示，在近紅外光照射下Ta4C3-SP可以提高腫瘤消融的效率。

2.1.3 非金屬材料無機非金屬材料光熱劑包括碳基材料、硅基材料及黑磷等[39,40]。其中，無機非金屬二維納米材料與三維納米顆粒相比，在近紅外光照射下具有更大的比表面積，表現(xiàn)出優(yōu)異的光熱轉換性能。此外，由于其豐富的表面化學特性，二維納米材料容易進行改性，而改性后的二維納米材料在聯(lián)合治療方面具有廣泛的應用前景。因此，二維納米材料被認為是一種能用于光熱治療協(xié)同治療的極具潛力的光熱劑[41]。

碳基二維材料如碳納米管(Carbon nanatubes,CNTs)、石墨烯(Graphene,Gr)、氧化石墨烯(Graphen oxide,GO)等，由于其展現(xiàn)出的光吸收廣泛和光熱性能優(yōu)異等特點，引起了科研人員的極大關注[41]。其中，以GO為代表的二維碳納米材料在近紅外光照射下表現(xiàn)出等離子體效應，可將光能轉化為熱能，將其表面改性后亦可作為載體運載化療藥物、光敏劑和免疫佐劑，在光動力治療、光熱治療及協(xié)同腫瘤治療方面擁有巨大潛能[42]。此外，碳基材料雖然在水溶液中存在分散性差以及不穩(wěn)定的缺陷，但通過聚乙二醇、聚丙烯酸及其他親水基團的改性可較好地解決這一問題。

Wang的課題組利用GO天然的循環(huán)動力學和內皮接觸方面的相關優(yōu)勢，制備了一種強化光熱治療體系iRGD-HA-PEG-GO(IPHG)用以治療轉移性腫瘤[43]。用聚乙二醇和HA修飾GO以增強穩(wěn)定性，并在其表面修飾腫瘤靶向穿透肽iRGD以提升體系對腫瘤的靶向能力，最后再將化療藥物阿霉素(Dox)負載于IPHG體系。IPHG體系可以實現(xiàn)腫瘤特異性深度給藥，并且在GO增強的內皮接觸和iRGD對整合素的靶向作用下，可有效促進藥物在腫瘤細胞內積累，實現(xiàn)高效的腫瘤轉移抑制。近紅外光觸發(fā)下，高度穿透的IPHG-Dox通過光熱治療和化療的聯(lián)合作用，進一步抑制腫瘤的生長。

2.2 有機材料

2.2.1 有機小分子材料與無機材料相比，有機小分子材料具有良好的生物安全性和生物可降解性。但有機小分子的生物穩(wěn)定性較差，可以通過修飾和改性增強其穩(wěn)定性并實現(xiàn)多重功能化。常見的有機小分子包括：吲哚菁綠(Indocyanine Green,ICG)，吲哚族IR780、IR820、IR825、Cypate及卟啉等[44,45]。

ICG良好的水溶性、優(yōu)異的線粒體靶向性以及出色的光熱轉換效率(PCE)，使其在腫瘤光熱治療、光動力治療和熒光成像方面顯示出巨大潛力。此外，ICG還具有優(yōu)異的生物安全性，已被美國食品藥品監(jiān)督管理局批準直接用于臨床成像診斷。但ICG作為有機小分子，存在體內循環(huán)周期短、易于清除的缺陷，需要借助靶向給藥系統(tǒng)將其遞送至腫瘤組織進行成像和治療[46]。近年來，對有機小分子型光熱劑進行優(yōu)化設計以改善其光物理和光化學性質的研究取得了重大進展，一些功能型納米材料如：聚合物膠束、脂質體、囊泡、硅球、人血清白蛋白、葡聚糖等，被用來對有機小分子型光熱劑進行改性以提高其穩(wěn)定性和靶向性[47]。

Jiang的團隊制備了一種基于超順磁性Fe3O4和ICG的雙靶向ICG/Fe3O4@PLGA-ZOL光熱治療體系[48]。在該系統(tǒng)中，ICG和Fe3O4均能將光能轉化為熱能，而且Fe3O4和ZOL納米粒子可以通過外部磁場的作用定位至骨骼中的特定位置。這種雙靶向和雙光熱劑的治療體系實現(xiàn)了光熱劑在脛骨中的高度積累和很高的光熱治療效率。

An的團隊利用牛血清白蛋白(BSA)和ICG自組裝，制備了一種優(yōu)化的ICG-BSA光熱納米復合體，該治療體系具有優(yōu)異的近紅外熒光成像能力，可以實現(xiàn)高效的腫瘤光熱治療[49]。體系中ICG的最佳負載量為0.5%，其光致發(fā)光量子產率(Photoluminescence Quantum Yields,PLQY)為16.8%，遠高于自由ICG(2.7%)。ICG-BSA的高PLQY和高效被動靶向能力，顯著提高了其在體內腫瘤中的積累和近紅外熒光成像能力。在近紅外光照射下，ICG-BSA治療組對三陰性乳腺腫瘤模型具有明顯的生長抑制作用。

Gao的課題組將ICG與Dox共組裝形成Dox/ICG納米藥物，并在外層包裹α-生育酚聚乙二醇琥珀酸鹽(TPGS)作為P-糖蛋白抑制劑制備了一種化療與光熱治療的聯(lián)合治療體系(T/Dox-ICG)[50]。T/Dox-ICG在水中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性、良好的單分散性、較高的載藥效率以及在腫瘤環(huán)境中優(yōu)異的藥物釋放特性。T/Dox-ICG的熒光成像能力和PCE也有了明顯的增強。近紅外光輻照下的T/Dox-ICG對耐藥細胞的毒性遠高于其他組，其細胞存活率僅為8.75%，能有效抑制腫瘤的生長。

He的團隊將靶向藥物安洛替尼(Anlotinib)與染料IR820共組裝，形成Anlotinib@IR820納米顆粒，通過協(xié)同光熱治療和靶向化療來進行乳腺癌的靶向治療[51]。與IR820進行共組裝可提高Anlotinib的水溶性，同時IR820的光熱效應又促進了癌細胞中Anlotinib的釋放和攝取。體外和體內實驗均證明近紅外光輻照下不僅能激活體系的光熱效應，還能促進Anlotinib的釋放和吸收，從而增強了協(xié)同治療效果。

2.2.2 有機聚合物以及其他材料與有機小分子相比，有機聚合物具有更好的光穩(wěn)定性?；诟叻肿硬牧系墓鉄釀┲饕侨斯ず铣傻陌雽w聚合物納米顆粒，例如聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯和聚多巴胺(PDA)等[52]。在這些聚合物中，天然聚合物PDA由于低成本、合成簡便和生物降解性能優(yōu)異等優(yōu)點，已經廣泛應用于靶向光熱治療[53]方面。

Xu的團隊基于PDA的強近紅外吸收和高載藥效率，制備了一種用于PA/CT成像引導的AuNBs@PDA/Dox化學-光熱協(xié)同治療體系[54]。AuNBs@PDA/Dox具有很強的近紅外光吸收能力，比單獨的金納米骨(AuNBs)具有更高的PCE，更加有利于PA成像和光熱治療。同時，AuNBs@PDA對Dox負載效率可達70%左右，并且Dox釋放具有pH和近紅外重敏感，能有效抑制腫瘤生長。

3 特異性靶點光熱劑

雖然光熱治療在腫瘤治療方面展現(xiàn)出巨大的潛力，并已經取得了一定的研究進展，但光熱劑對腫瘤組織的選擇性有限，其自身光熱性能，以及其在腫瘤部位的積累量會直接影響光熱治療效果及腫瘤抑制能力。而為了提高光熱劑在腫瘤組織的積累量常需提高給藥濃度，這一策略又將導致光熱劑對正常組織的毒副作用上升。因此，開發(fā)具有對腫瘤組織特異性靶向的光熱劑至關重要[55]。

由于腫瘤細胞的快速生長和增殖，使得腫瘤細胞周圍及內在的生理環(huán)境異于正常的生理組織，因此腫瘤細胞和組織有不同于正常生理組織的特異性靶點。根據(jù)識別點位置的不同，可將腫瘤細胞靶點分為三類，即“細胞外靶點”、“細胞上靶點”和“細胞內靶點”。根據(jù)特異性靶點制備光熱劑可通過對靶點實行有效定位，最終實現(xiàn)光熱劑的特異性遞送，進而大大提高光熱劑在體內的利用率和腫瘤部位的積累量，增強光熱治療效果，降低對正常組織的毒副作用。

3.1 細胞外靶點光熱劑

“細胞外靶點”是指存在于腫瘤組織微環(huán)境中的識別位點。腫瘤細胞的快速生長和過度增殖，導致其細胞和組織周圍的生理環(huán)境異于正常生理組織，存在氧氣濃度低、環(huán)境酸性性、酶過度表達及血管壁內皮細胞間隙較大等極端環(huán)境[56]。利用腫瘤組織與正常組織間的環(huán)境差異，可實現(xiàn)腫瘤組織特異性靶向治療。

Deng的團隊構建了一種ZnO@CuS納米顆粒負載Dox，以及吡非尼酮(PFD)的智能給藥Z@C-D/P納米平臺[57]。Z@C-D/P表面的β-CD-DMA和PEG-DMA可以在酸性的腫瘤微環(huán)境中被激活，促使納米系統(tǒng)發(fā)生電荷逆轉和PFD釋放。通過PFD抑制腫瘤相關成纖維細胞的活化，進而增強腫瘤的穿透能力。而殘留的納米結構ZnO@CuS可以觸發(fā)ROS的級聯(lián)擴增，從而誘導腫瘤細胞死亡。該系統(tǒng)顯示出高效的抑制腫瘤生長率(89.7%)，并有效抑制肺癌細胞的轉移。

Chen及其團隊將封裝光敏劑亞甲基藍(MB)的沸石咪唑骨架(ZIF-90)，雜化在鈀納米顆粒(Pd NPs)礦化的活性光熱厭氧細菌(PTB)表面，制備了PTB@ZIF-90/MB治療平臺[58]。PTB@ZIF-90/MB利用PTB的厭氧特性可有效靶向至乏氧的腫瘤微環(huán)境，利用Pd NPs進行PTT腫瘤靶向治療。同時，在近紅外光照下，ZIF-90/MB包封的MB會產生單線態(tài)氧(1O2)破壞線粒體的功能。實驗證明PTB@ZIF-90/MB平臺具有良好的腫瘤靶向能力和優(yōu)異的光熱腫瘤消融能力，具有巨大的潛力來應對光熱治療中腫瘤靶向性和腫瘤耐熱性方面的挑戰(zhàn)。

3.2 細胞上靶點光熱劑

“細胞上靶點”是指在腫瘤細胞膜表面過度表達的蛋白受體。每個細胞都是一個相對獨立的空間，需要通過細胞膜受體協(xié)助來完成物質攝入。而不同物質(離子、小分子和生物大分子等)需要通過不同特定受體來進行轉移。在過去幾十年里，特異性靶向腫瘤細胞膜表面受體的光熱劑被進行了廣泛研究。

Mauro課題組構建了一種基于透明質酸(HA)/聚乳酸(PLA)包載疏水性碳點(Hydrophobic CDs,HCDs)和抗癌藥物Dox的HA-g-PLA/HCDs@Dox納米粒子多功能治療平臺[59]。該多功能平臺將HCDs獨特的光學特性(近紅外光熱轉換和紅色熒光)、透明質酸外殼對納米平臺的穩(wěn)定性以及識別細胞膜過度表達CD44受體的腫瘤細胞靶向性結合在了一起。體外和體內實驗表明，HA-g-PLA/HCDs@Dox對非耐藥或耐藥腫瘤具有顯著的抑制作用。

Wang及其團隊利用腦轉移性腫瘤細胞膜包載ICG，制備了仿生納米載體[60]。該載體利用同源細胞膜實現(xiàn)了腫瘤細胞的靶向性及納米載體的穩(wěn)定性，使其通過長循環(huán)穿越血腦屏障定位至腦瘤部位，通過ICG進行早期的腦腫瘤熒光成像和光熱治療。實驗證明該仿生納米顆粒具有極好的血腦屏障滲透性并且能有效抑制腫瘤生長，為血腦屏障雜交納米材料的PTT設計提供了新思路，并有望用于臨床治療腦部疾病。

3.3 細胞內靶點光熱劑

“細胞內靶點”是指存在于細胞內細胞器上的靶標受體。當具有細胞器靶向能力的光熱劑被細胞胞吞后，通過特異性地和細胞器上的靶標受體結合的能力錨定至細胞器，進一步利用光熱效應破壞細胞器并促使細胞凋亡。低劑量光熱劑即可實現(xiàn)近紅外光照射下細胞器的有效破壞進而誘導細胞死亡，減少了光熱劑對正常組織的毒副作用。因此，細胞內靶點光熱劑在腫瘤光熱治療中受到極大關注。

Bian的課題組制備了特異性靶向線粒體的光熱劑，他們以噻唑橙(OSPAs)為基礎，構建了一種能特異性靶向線粒體的氰基染料(Mito-BWQ)[61]。該染料具有一個大的π共軛體系，能夠吸收近紅外光，并有效地將光能轉化為熱能，特異性靶向線粒體后在高溫下誘導細胞壞死。體外和體內試驗中，Mito-BWQ顯示出高的PCE、光誘導細胞毒性、良好的生物相容性以及高效的熒光成像能力和腫瘤生長抑制能力。

3.4 多靶點聯(lián)合光熱劑

為了進一步提升光熱劑的治療效率，基于以上特異性靶點的多靶點聯(lián)合光熱劑受到了廣泛的關注，并取得了巨大進展。多靶點聯(lián)合光熱劑是在多重靶向基團的引導下將光熱劑靶向至腫瘤細胞的亞細胞器進行聚集，實現(xiàn)細胞殺傷效率的最大化。

Chen及其團隊制備了腫瘤細胞-線粒體雙重靶向的光熱/化療聯(lián)合治療體系(AuNS-pep/Dox@HA)，在修飾有線粒體靶向凋亡肽KLA的金納米星上包載抗癌藥Dox，并在外層包裹上HA[62]。HA的電荷屏蔽作用和靶向能力可使該體系在腫瘤部位有效富集。之后功能性多肽KLA將金納米星錨定至線粒體，并在NIR輻照下實現(xiàn)線粒體的PTT和細胞化療作用的聯(lián)合治療，有效抑制腫瘤的生長。此外，Chen組還制備了一種用于腫瘤細胞-細胞核雙重靶向的GNS-NLS@HA光熱治療體系，在修飾有細胞核靶向肽NLS的金納米星上包覆HA，利用HA的腫瘤細胞靶向能力促使體系在腫瘤部位富集，并在NLS的核定位作用下將金納米星精準遞送至細胞核，最終通過對細胞核的光熱破壞有效殺死腫瘤細胞并抑制腫瘤轉移[63]。

Wu的團隊構建了一種基于CuS納米粒子的CuS-TPP-HA級聯(lián)靶向治療體系來主動光熱消融腫瘤中的線粒體[64]。首先，用線粒體靶向分子(3-丙羧基)三苯基溴化磷(TPP)對CuS納米粒子進行表面修飾，隨后在外層包裹上HA，HA的電荷屏蔽作用和靶向能力可使該體系在腫瘤部位有效富集。到達腫瘤部位后，HA在透明質酸酶的作用下降解并暴露出TPP靶向細胞線粒體。實驗證明該體系中超過90%的CuS納米粒子在腫瘤線粒體富集，并有效抑制了腫瘤的生長。

4 結論

科研人員對光熱劑與器官、單核吞噬細胞系統(tǒng)以及腫瘤之間的相互作用機理的理解還有待進一步深入。因此，深化光熱劑與生物系統(tǒng)之間相互作用機理的認識，研發(fā)可有效穿透不同生物屏障，實現(xiàn)腫瘤和特異性靶點位置的光熱劑仍是今后光熱治療研究領域的重要方向。而由于腫瘤具有異質性、多樣性和復雜性等特點，單一的光熱治療往往無法有效清除全部腫瘤，同時也在預防腫瘤的復發(fā)與轉移方面受到了限制。目前的研究趨勢已逐漸由單一的光熱治療向多模式聯(lián)合治療進行轉變[65]。基于光熱治療的多模式聯(lián)合療法可以通過協(xié)同效應對近紅外光輻照范圍之外的腫瘤進行消除，有望在清除原位瘤的同時消滅轉移腫瘤細胞，促進光熱治療向臨床實際應用邁進。

此外，將光熱治療與成像技術(如熱成像、PA成像、熒光成像、光致發(fā)光成像、電子計算機斷層掃描成像以及核磁共振成像等)相結合，不僅可以指導優(yōu)化光熱劑輻照條件，而且能同時實現(xiàn)診療一體化，是今后光熱治療研究方向的重要發(fā)展趨勢[66 - 68]。對兼具治療效果與多模態(tài)成像性能一體化的多功能納米雜化光熱劑的研發(fā)也將成為當前腫瘤診療領域的研究熱點。隨著納米技術在生物醫(yī)學領域應用的深入，構建功能化、智能化及個性化精準診療一體化的光熱劑將成為可能，也將為腫瘤的臨床治療提供一種新的策略。