納米顆粒介導(dǎo)的傳輸系統(tǒng)用于結(jié)直腸癌光動力治療的研究進(jìn)展

楊全林，李耀平

結(jié)直腸癌（colorectal cancer，CRC）主要是起源于結(jié)直腸表面黏膜上皮細(xì)胞的腺癌，現(xiàn)已成為第四大最常見和第三大最致命的惡性腫瘤［1-2］。對于晚期轉(zhuǎn)移病人，5 年生存率僅為6%左右［3］。手術(shù)切除是結(jié)直腸癌的主要治療方式，但手術(shù)切除可能會增加腫瘤擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移的風(fēng)險；放療和化療是晚期結(jié)直腸癌轉(zhuǎn)移病人的治療策略，但因特異性差常產(chǎn)生副作用和耐藥［4-7］。此外，細(xì)胞治療、基因治療、免疫治療和靶向治療在結(jié)直腸癌治療中也表現(xiàn)出了突出的潛力，但這些策略的成本和系統(tǒng)毒性常會限制其應(yīng)用［8］，因此，迫切需要探索一種新型的非侵入性、對腫瘤細(xì)胞具有高度選擇性和對正常組織最小毒性的治療策略應(yīng)對這些挑戰(zhàn)［9］。光動力療法（photo?dynamic therapy，PDT）是一種很有前途的抗癌治療方法，具有相對快速和準(zhǔn)確的腫瘤殺傷特性［10-11］，已成為CRC 抗癌治療的一種新的替代干預(yù)手段［12］，受到了廣泛的關(guān)注。本研究就光動力療法的原理、納米顆粒在結(jié)直腸癌光動力療法中的應(yīng)用展開綜述。

1 PDT

PDT是基于使用適當(dāng)波長的光照射并激活定位于腫瘤組織或細(xì)胞中的光敏劑分子，通過光敏劑分子活化在腫瘤局部產(chǎn)生多種活性氧，活性氧能夠啟動氧化細(xì)胞破壞，并通過壞死、凋亡、自噬，以及產(chǎn)生腫瘤特異性免疫等機(jī)制殺死腫瘤細(xì)胞［13-15］。與目前常規(guī)治療方式相比，PDT 的特異性依賴于：（1）定位于腫瘤細(xì)胞的光敏劑；（2）精確且適宜波長的光激活光敏劑；（3）光敏劑活化后腫瘤周圍分子氧含量［16］；即PDT 療效取決于光敏劑、分子氧和光活化的結(jié)合［17］。其中，光敏劑的定位及聚集尤為關(guān)鍵。在臨床腫瘤學(xué)領(lǐng)域，已有多種PDT 方案被常規(guī)使用［18-19］，但由此也暴露出PDT 過程中的一些缺點(diǎn)：（1）治療中常用的光敏劑常為疏水分子，不易于癌腫富集；（2）使用現(xiàn)有光敏劑進(jìn)行治療后存在一定時間的皮膚光敏性，須采取避光措施；（3）光敏劑缺乏靶細(xì)胞特異性；（4）常規(guī)光照（600~700 nm）光線穿透有限，未能直達(dá)腫瘤部位［12，15］。因此，研究新的光敏劑和新的給藥方法仍然是當(dāng)前的挑戰(zhàn)，納米顆粒介導(dǎo)的光敏劑傳遞系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

2 納米顆粒（nanoparticles，NPs）

NPs可以被視為是原子、分子或離子的集合，大小通常介于1~100 nm，且往往具有較大的表面積與體積比［20］。根據(jù)組成、大小和形狀的不同，通常將其分為硬納米顆粒和軟納米顆粒［21］，即無機(jī)納米顆粒和有機(jī)納米顆粒。研究發(fā)現(xiàn)，納米顆粒主要通過被動靶向及主動靶向介導(dǎo)傳遞過程［22］。目前，用于輔助CRC 治療藥物傳遞的無機(jī)納米顆粒包括金屬、金屬氧化物、碳、量子點(diǎn)（quantum dots，QDs）、二氧化硅等，有機(jī)納米顆粒包括脂質(zhì)體、聚合物膠束、樹突分子、聚合物NPs和聚合物共軛物等［20，22-23］。在過去幾十年里，NPs 由于其獨(dú)特的物理化學(xué)和生理特性，受到了廣泛的關(guān)注，作為一種獨(dú)特的納米載體，已被證實(shí)在納米診斷、納米治療及再生醫(yī)學(xué)中應(yīng)用廣泛［24］。有研究［25］表明，使用NPs 作為載體進(jìn)行藥物遞送具有以下優(yōu)勢：（1）規(guī)避抗癌藥物的溶解度和穩(wěn)定性問題；（2）防止藥物被蛋白酶和其他酶降解，并增加藥物在體循環(huán)中的半衰期；（3）改進(jìn)藥物的分布和針對性；（4）通過靶向定位幫助藥物持續(xù)釋放；（5）幫助多種藥物的遞送，有助于降低耐藥性。這些優(yōu)勢的存在彌補(bǔ)了PDT 過程中的關(guān)鍵不足。NPs超大的表面體積比可以增加其與光敏劑的表面相互作用并提高其承載能力，從而改善光敏劑傳遞濃度，增強(qiáng)癌細(xì)胞的被動或主動攝取，便于光敏劑在癌細(xì)胞內(nèi)富集；此外，以NPs 為載體，將光敏劑錨定在NPs 上，可以提高光敏劑的穩(wěn)定性和溶解度，減少光毒性和增強(qiáng)靶向細(xì)胞的光敏劑傳遞，改善PDT 治療效果，減少不必要的副作用［15，26］。這為納米顆粒介導(dǎo)的傳輸系統(tǒng)在結(jié)直腸癌光動力治療中提供了理論支撐。

3 納米顆粒介導(dǎo)的傳輸系統(tǒng)與結(jié)直腸癌光動力治療

3.1 無機(jī)納米顆粒

3.1.1貴金屬 自古以來，貴金屬納米顆粒就被用于治療麻疹和潰瘍等疾病。相較于用于電子和半導(dǎo)體鄰域的大多數(shù)金屬納米粒子，貴金屬納米粒子已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。銀的殺菌特性、金化合物的抗癌特性以及含鉑化療藥的抗癌性使得它們在納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域備受追捧［20］。De Freitas 等［27］制備了以銀納米顆粒（AgNPs）為傳導(dǎo)系統(tǒng)，由殼聚糖（CHT）和硫酸軟骨素（CS）封存光敏劑姜黃素（CUR）組成的水凝膠，他們發(fā)現(xiàn)，水凝膠對健康組織無細(xì)胞毒性，確保了應(yīng)用的安全性。同時在含有9.2 mg/L的CUR的水凝膠中，AgNPs 介導(dǎo)的光活化可導(dǎo)致Caco-2 人結(jié)腸癌細(xì)胞的高死亡率（CC50=91.5 mg/L），表明Ag?NPs介導(dǎo)的PDT 促進(jìn)了細(xì)胞的選擇性并增強(qiáng)了其治療效果。Simelane 等［28］制備了以聚乙二醇化、硫代硫酞菁鋅（ZnPcS4）功能化的金納米顆粒（AuNPs）為基礎(chǔ)，與抗鳥苷酰環(huán)化酶C（GCC）單克隆抗體（mAbs）偶聯(lián)，具有多功能腫瘤靶向生物活性的納米偶聯(lián)物（ZnPcS4-AuNP-S-PEG5000-NH2-Anti-GCC mAb，BNC）進(jìn)行研究，結(jié)果表明與健康的體外培養(yǎng)細(xì)胞相比，BNC 具有光穩(wěn)定性，并可靶向的在CRC中顯示出選擇性，并改善其亞細(xì)胞積累。此外，與單獨(dú)給予PDT 光敏劑（15%，P<0.05）相比，BNC PDT誘導(dǎo)的CRC 細(xì)胞晚期凋亡形式的死亡率顯著更高（34%，P<0.001）。上述結(jié)果表明，PDT 結(jié)果的改善是由于NP載體和具有生物活性的抗GCC 抗體的PS在體外培養(yǎng)的CRC 細(xì)胞內(nèi)特異性積累所致。因此，BNC 平臺可改善PDT CRC 的治療，且由于其靶向能力，可作為CRC 早期診斷的補(bǔ)充措施。Mirrahimi等［29］開發(fā)了一種由海藻酸鈉納米凝膠與順鉑金納米顆粒（ACA）共載的新型多功能納米平臺，研究發(fā)現(xiàn)，ACA 納米復(fù)合物具有良好的穩(wěn)定性，在532 nm 激光照射下，與其他組相比（激光單獨(dú)照射和游離順鉑化療），PDT和相同順鉑濃度下ACA納米復(fù)合物化療引起的抑制率顯著更高，分別為73%和81%，而納米復(fù)合物的化學(xué)-光動力療法的聯(lián)合作用顯著地抑制了95%的腫瘤生長，并顯著延長了攜帶CT26結(jié)直腸腫瘤模型小鼠的存活率。表明該納米復(fù)合物具有較強(qiáng)的抗癌作用，聯(lián)合化療藥物使用可增強(qiáng)其治療效果，且可減少藥物高劑量所引發(fā)的相關(guān)副作用。

3.1.2碳及二氧化硅 Sundaram、Abrahamse［30］將單壁碳納米管（SWCNTs）與涂在SWCNTs 壁上的透明質(zhì)酸（HA）和氯離子e6（Ce6）偶聯(lián)，合成了一種由Ce6 包被透明質(zhì)酸偶聯(lián)的SWCNTs 組成的納米生物復(fù)合材料，采用PDT，分別在660 nm 波長處5 J/cm2和10 J/cm2的劑量下測試了納米生物復(fù)合材料對結(jié)腸癌細(xì)胞的毒性，研究發(fā)現(xiàn)，與單獨(dú)使用Ce6 相比，使用合成的納米生物復(fù)合材料具有更高水平的細(xì)胞毒性；在細(xì)胞死亡分析（流式細(xì)胞術(shù)）中，結(jié)果表明，與對照組相比，納米生物復(fù)合材料和PDT（5 和10 J/cm2激光輻照）的聯(lián)合作用在早期和晚期細(xì)胞凋亡中都發(fā)揮了顯著的作用，且10 J/cm2組（41.9±6.65）早期凋亡細(xì)胞數(shù)較5 J/cm2組（36±6.4）增加，說明SWCNTs的納米生物復(fù)合系統(tǒng)表現(xiàn)出優(yōu)異的光敏劑傳遞性能。Wu 等［31］制備了一種將黃芪甲苷Ⅲ（AstragalosideⅢ，As）和試劑氯（Ce6）共載于聚乙二醇化的二氧化硅納米顆粒微球平臺，該平臺可同時促進(jìn)CT26 結(jié)腸癌細(xì)胞的先天免疫和適應(yīng)性免疫治療。作為免疫激活劑、光敏劑和顯像劑，As 和Ce6被加載到聚乙二醇化二氧化硅微球中，在660 nm 激光照射下，PDT可誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡，釋放腫瘤相關(guān)抗原誘導(dǎo)適應(yīng)性免疫反應(yīng)，誘導(dǎo)NK 細(xì)胞進(jìn)入腫瘤微環(huán)境。另一方面，由于腫瘤內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子的高表達(dá)，通過As 激活NK 細(xì)胞增強(qiáng)固有免疫反應(yīng)，刺激CD8+T 細(xì)胞γ 干擾素（IFN-γ）的產(chǎn)生，抑制腫瘤的發(fā)展。Bouramtane等［32］合成了一種由二氧化硅核和攜帶5-（4-羥基苯基）10，15，20-三苯基卟啉（TPPOH）殼的木聚糖組成的核-殼雜化納米粒子（PX SNPs），研究表明，兩種化合物在黑暗中對細(xì)胞無毒，與游離的TPPOH 相比，當(dāng)光敏劑被630~660 nm 紅光照射時，PX SNPs 對結(jié)直腸癌HCT116 細(xì)胞和HT-29 細(xì)胞的細(xì)胞殺傷效率分別提高了40倍和10倍。

3.2 有機(jī)納米顆粒

3.2.1脂質(zhì)體及膠束 Xu等［33］制備了以PH 敏感脂質(zhì)體為外殼，封裝線粒體靶向光敏劑TPPP（與三苯基膦（TPP）配體結(jié)合的原卟啉-IX）和天然環(huán)肽RA-Ⅻ（結(jié)腸癌化療藥物），外嵌透明質(zhì)酸（HA）的脂質(zhì)體納米顆粒RA/TPPP-Lip，體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：TPPP在用660 nm 激光照射下產(chǎn)生細(xì)胞毒性活性氧，直接損傷細(xì)胞線粒體，與其他各組相比，RA/TPPP-Lip 聯(lián)合激光照射組凋亡細(xì)胞比例增加（30%），活細(xì)胞比例下降（29.3%）。RA/TPPP-Lip 組凋亡細(xì)胞數(shù)量與RA-lip 組和TPPP-Lip 聯(lián)合激光組相似，表明RA/TPPP-Lip 聯(lián)合激光處理HCT116 細(xì)胞的凋亡程度明顯高于其他各組；同時利用HCT116 細(xì)胞異體皮下移植構(gòu)建腫瘤模型，發(fā)現(xiàn)RA/TPPP-Lip 在裸鼠腫瘤部位大量積累，并有效抑制腫瘤生長。綜上，納米治療平臺RA/TPPP-Lip 通過聯(lián)合化療和光動力治療，大大提高了結(jié)腸癌細(xì)胞的殺傷效率。Chiarante等［34］將親脂性光敏劑酞菁鋅Ⅱ（Pc9）整合到泊洛沙明表面活性物質(zhì)?1107（T1107）中，形成Pc9-T1107聚合物膠束，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與對照組（未注載體且未經(jīng)輻照或注射載體未經(jīng)輻照或未注射載體僅輻照）相比，經(jīng)輻照的Pc9-T1107治療小鼠的腫瘤體積顯著降低，同時輻照Pc9-T1107 處理的小鼠的存活率顯著高于對照組（P<0.05），表明Pc9-T1107有效地延緩了腫瘤生長，延長了小鼠存活時間，且沒有產(chǎn)生系統(tǒng)或組織特異性毒性。Guo 等［35］將光敏劑鋅酞菁（ZnPc）通過不耐酸的腙連接劑與阿霉素（Dox）偶聯(lián)，在缺氧活化的前藥替拉扎明（TPZ）存在和不存在的情況下，通過聚乙二醇和聚DL-丙交酯嵌段共聚物的自組裝，將所得的ZnPc-dox 偶聯(lián)物封裝成聚合物膠束，分別生成ZnPc–Dox 膠束和ZnPc-dox/TPZ 膠束。他們發(fā)現(xiàn)Dox 和/或TPZ 的化療作用，這些膠束在黑暗中對HT29 細(xì)胞有輕微的細(xì)胞毒性。在610 nm 的光照射下，ZnPc–dox膠束的細(xì)胞光毒性遠(yuǎn)高于游離的ZnPc–dox，在Dox 1 μmol 的ZnPc， ZnPc-dox 和單純膠束分別誘導(dǎo)了20%和60%的細(xì)胞死亡，而ZnPc-Dox膠束誘導(dǎo)了80%的細(xì)胞死亡。結(jié)果表明，將ZnPc-Dox包埋在聚合物膠束中可顯著促進(jìn)細(xì)胞吸收，從而增強(qiáng)細(xì)胞光毒性，有效殺死腫瘤細(xì)胞。

3.2.2聚合物NPs 及共軛聚合物 Deng 等［36］開發(fā)了一種線粒體靶向生物可降解聚合物（乳酸-乙醇酸）納米載體（PLGA），其中包括光敏劑維替泊芬（VP）、超?。?~5 nm）金納米顆粒作為X 線輻射增強(qiáng)劑，以及三苯基膦（TPP）作為線粒體靶向部分。研究發(fā)現(xiàn)與對照組（非靶向PLGA）相比，X-PDT（4 Gy）處理后HCT116 結(jié)直腸癌凋亡細(xì)胞數(shù)從（5.3±1.8）%增加到（37.4±4.7）%。相比之下，單獨(dú)使用納米顆粒和X 射線治療后，分別僅檢測到（8.9±2.9）%和（7.8±3.5）%的凋亡率。在帶有人類HCT116 結(jié)直腸細(xì)胞的小鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與其他治療條件相比，暴露于這種聯(lián)合治療的小鼠的生存期顯著增加（log-rank檢驗(yàn)，P=0.002，對照組；P=0.002，4 Gy；P=0.003，PLGA-TPP；P=0.049，8 Gy），結(jié)果表明，納米顆粒介導(dǎo)X 射線輻射聯(lián)合光動力療法（PDT）在深層組織具有良好的治療效果，可延長小鼠存活時間。Lin等［37］制備了用乙交酯丙交酯共聚物（PLGA）封裝光敏劑二氫卟啉e6（Ce6）的PLGA-Ce6 納米顆粒，用于結(jié)直腸癌細(xì)胞的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Ce6 在PLGA 納米顆粒包封中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，在結(jié)直腸癌HCT-116 細(xì)胞系中，PLGA-Ce6 NPs 對HCT-116 細(xì)胞表現(xiàn)出增強(qiáng)的光毒性，且在HCT-116 細(xì)胞中的IC50值略低于單獨(dú)使用Ce6 溶液。與純藥物相比，PLGA-Ce6 NPs 對HCT-116 球形細(xì)胞的穿透更深，具有更好的光毒性。這些結(jié)果提示PLGA-Ce6 NPs 介導(dǎo)的PDT可能作為結(jié)直腸癌的治療方式。Ibarra 等［38］利用共軛聚合物9，9-二辛基聚芴-苯并噻二唑（F8BT）和兩親性共聚物穩(wěn)定劑（PS-PEG-COOH）封裝有機(jī)疏水PS-八乙基鉑卟啉（PtOEP）合成了共軛聚合物納米粒子（CPNs），研究發(fā)現(xiàn)，在結(jié)直腸癌SW480 細(xì)胞系中，其對細(xì)胞系的整體細(xì)胞形態(tài)及功能無影響，經(jīng)其處理可有效誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，進(jìn)而引發(fā)細(xì)胞凋亡，成為細(xì)胞死亡的主要機(jī)制。同時發(fā)現(xiàn)，相對低劑量的光敏劑（IC50=6~28 mg/L）和光照（10 J/cm2）可以使50%的細(xì)胞群體死亡，表明CPNs納米顆粒具有極高的粒子吸收截面和可觀的活性氧生成率，為結(jié)直腸癌PDT提供了一個合適的治療平臺。

4 總結(jié)與展望

結(jié)直腸癌（CRC）是一種常見的消化系統(tǒng)惡性腫瘤，是全球第三大癌癥相關(guān)死亡原因［39］，手術(shù)切除是結(jié)直腸癌的主要治療方法。放療、化療、免疫治療等是晚期結(jié)直腸癌轉(zhuǎn)移病人的治療策略，但往往存在嚴(yán)重的副作用。PDT 因其腫瘤選擇性高、組織損傷小、可重復(fù)操作性強(qiáng)、全身不良反應(yīng)少等優(yōu)點(diǎn)已被運(yùn)用于臨床研究［40］，但在成功的PDT 聯(lián)合臨床試驗(yàn)方面，目前尚無關(guān)于CRC 的報道［13，41］。已有大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，基于納米顆粒介導(dǎo)的PDT 在結(jié)直腸腫瘤細(xì)胞株中的效果不可小覷，或?qū)⒊蔀榻Y(jié)直腸癌的有效治療方法之一。

目前國內(nèi)外仍在探索PDT 殺傷CRC 細(xì)胞的潛在機(jī)制，尋求增強(qiáng)PDT 治療效果的藥物遞送系統(tǒng)，而納米顆粒介導(dǎo)的傳輸系統(tǒng)就此表現(xiàn)尤為突出。但值得注意的是，NPs的制備及轉(zhuǎn)化需要一種高效、簡單、穩(wěn)定、成熟、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的合成模式，NPs 進(jìn)入人體后的生物分布、藥代動力學(xué)、組織相容性、免疫原性、重金屬大量蓄積的毒性、是否致癌等問題依舊需要關(guān)注，另一方面，基于納米顆粒介導(dǎo)的傳輸系統(tǒng)需要特殊的設(shè)備、場地及人員配給，這對一些機(jī)構(gòu)仍是挑戰(zhàn)。未來需要構(gòu)建更多可以模擬人類生理環(huán)境中腫瘤特征的3D模型，更真實(shí)地預(yù)測納米顆粒聯(lián)合PDT 在體外和體內(nèi)的治療效果，相信隨著科技的發(fā)展，納米顆粒介導(dǎo)的傳輸系統(tǒng)在結(jié)直腸癌光動力治療中會有更廣闊的應(yīng)用前景。