光動(dòng)力療法治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤的研究進(jìn)展*

楊田田,常 婧,胡美純

(1.湖北科技學(xué)院醫(yī)學(xué)部藥學(xué)院,湖北 咸寧 437100;2.湖北科技學(xué)院醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院)

神經(jīng)膠質(zhì)瘤因其惡性程度高,并且無法治愈的特點(diǎn)使其已成為全世界癌癥死亡的主要原因之一[1]。神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者平均生存期不超過1.5年[2]。目前主要的神經(jīng)膠質(zhì)瘤治療方案有手術(shù)切除、化療和放療等。由于手術(shù)切除不完全,長期使用替莫唑胺(temozolomide,TMZ)存在發(fā)生耐藥及放療毒性的局限性[3]。因此,針對(duì)神經(jīng)膠質(zhì)瘤急需尋找新的治療方案。已有臨床研究表明[3],光動(dòng)力療法(photodynamic therapy,PDT)可以延長癌癥患者的生存期,提高病人的生活質(zhì)量,已成為前景廣闊的腫瘤治療最新候選方案之一。本文將從PDT單獨(dú)治療、PDT聯(lián)合化療藥物、PDT聯(lián)合手術(shù)、PDT聯(lián)合其他治療方法這幾方面來綜述PDT治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤的研究進(jìn)展。

1 光動(dòng)力療法概述

PDT由光敏劑(photosensitizers,PS)、光和氧三種基本成分組成。這些物質(zhì)單獨(dú)存在時(shí)沒有毒性,但它們同時(shí)存在會(huì)引發(fā)光化學(xué)反應(yīng),以特定波長的光源激發(fā)光敏劑,隨后迅速與周圍的氧發(fā)生作用,產(chǎn)生可以攻擊靶細(xì)胞或組織等生物大分子的活性氧(reactive oxygen species,ROS),后者可迅速引起細(xì)胞毒性來促進(jìn)細(xì)胞凋亡,從而達(dá)到治療目的[4]。所以PDT的關(guān)鍵在于光敏劑、光源和氧的協(xié)同作用。對(duì)于光動(dòng)力治療,第一個(gè)不可缺少的因素是PS。PS是一種積聚在腫瘤組織中并選擇性地使其對(duì)光敏感的物質(zhì),單一的純化合物,成本低、穩(wěn)定性好,600～800nm的高吸收峰(紅色到深紅色)是理想的光敏劑。第一代PS是一種血卟啉衍生物(hematoporphyrin derivatives,HPD),其純化形式為Photofrin,它應(yīng)用最為廣泛。第二代PS是5-氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinic acid,5-ALA)、硼酸原卟啉(boric acid protoporphyrin,BOPP)。其中5-ALA可以口服或靜脈注射,5-ALA需要轉(zhuǎn)化為原卟啉才能有活性,它暗毒性低,并且從正常組織中清除速度快,從而減少光毒性副作用。第三代PS是光敏劑可以共價(jià)結(jié)合到幾種對(duì)腫瘤具有親和力的生物分子上,這些生物分子包括抗體、蛋白質(zhì)、碳水化合物或其他物質(zhì),光敏劑也可以封裝在載體中,如金納米顆粒、二氧化硅納米顆粒、量子點(diǎn)、碳納米管或其他載體,以引導(dǎo)光敏劑進(jìn)入腫瘤。光動(dòng)力治療的另一個(gè)因素是應(yīng)有相應(yīng)波長的光源,通過光源可加強(qiáng)積累在腫瘤區(qū)域的PS。紅光和紅外輻射穿透率最高,藍(lán)光穿透組織率較低,也可以應(yīng)用激光和白熾光源。PS的吸收程度和疾病的特征都與選擇的光源相關(guān)。光的劑量、暴露時(shí)間和光傳遞模式等決定了PDT的臨床療效。光動(dòng)力治療最后一個(gè)必要的刺激是分布在整個(gè)組織中的氧氣,在PDT過程中氧對(duì)ROS的產(chǎn)生至關(guān)重要。PDT主要通過直接殺傷腫瘤細(xì)胞、誘導(dǎo)血管微循環(huán)損傷、刺激炎癥反應(yīng)激活抗腫瘤免疫系統(tǒng)等機(jī)制抑制腫瘤,見圖1。

圖1 PDT治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤的簡要機(jī)制圖

2 光動(dòng)力單獨(dú)療法治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤

Jiang等[5]通過MTT法和克隆實(shí)驗(yàn)測定Photofrin對(duì)神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的毒性,在定性球體對(duì)抗試驗(yàn)中,腫瘤球體和腦聚集物之間共培養(yǎng)的亞細(xì)胞毒性,PDT沒有進(jìn)行性腫瘤侵襲和腦聚集物的破壞。通過基質(zhì)人工基底膜遷移實(shí)驗(yàn),細(xì)胞毒性研究結(jié)果表明Photofrin介導(dǎo)PDT對(duì)神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞具有劑量依賴的抗腫瘤和抗侵襲特性。當(dāng)神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞被高劑量PDT處理時(shí),部分細(xì)胞被殺死,抑制了細(xì)胞侵襲。然而,當(dāng)細(xì)胞被低劑量PDT處理時(shí)即使不能達(dá)到顯著的細(xì)胞毒性,仍然可以顯著抑制腫瘤細(xì)胞的侵襲。因此,高劑量PDT具有細(xì)胞毒性可以抑制腫瘤,而低劑量PDT可以特異性地減少腫瘤侵襲。但此項(xiàng)研究尚缺乏體內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

5-ALA與第一代光敏劑不同,它需要轉(zhuǎn)換成血紅素合成過程中的產(chǎn)物原卟啉,才能發(fā)揮光敏劑的作用,它在體內(nèi)代謝快,副作用很小。5-ALA低濃度時(shí),原卟啉的含量隨著5-ALA的濃度增高而增高;但在高濃度范圍內(nèi),原卟啉出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象,所以PDT用低濃度的5-ALA更有效。研究表明神經(jīng)膠質(zhì)瘤U251細(xì)胞隨著激光劑量的增加而不斷凋亡。換言之,隨著激光劑量不斷增加,吸收的光敏劑越多,殺死的腫瘤細(xì)胞越多[6]。美國食品藥品監(jiān)督管理局已經(jīng)批準(zhǔn)5-ALA用于PDT治療癌癥和惡性疾病[7]。

3 光動(dòng)力聯(lián)合化療藥物治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤

3.1 光動(dòng)力聯(lián)合替莫唑胺

治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤最常見的化療藥物是TMZ。目前臨床上神經(jīng)膠質(zhì)瘤對(duì)TMZ敏感性降低的問題仍然很棘手,有待解決[8]。細(xì)胞增殖周期分別為G1、S、G2、M期,其中腫瘤耐藥基因多發(fā)生在G1期向S期轉(zhuǎn)換過程中。有研究[9]結(jié)果表明光照射腫瘤細(xì)胞后會(huì)出現(xiàn)細(xì)胞核畸形、多核巨細(xì)胞、畸變的染色體等現(xiàn)象。TMZ和PDT聯(lián)合使用可以抑制腫瘤細(xì)胞增殖,防止耐藥基因由G1期向S期轉(zhuǎn)化,從而降低其耐藥性。PDT提高了胞內(nèi)的血藥濃度,增強(qiáng)殺傷能力,進(jìn)而降低耐藥性是因?yàn)槠茐牧四[瘤細(xì)胞膜上的蛋白,改變血腦屏障的通透性,拮抗藥物排出胞外的能力,使藥物更容易進(jìn)入胞內(nèi)。長期隨訪PDT聯(lián)合TMZ治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤的患者,通過評(píng)估分析患者的臨床癥狀、預(yù)后及影像學(xué)指標(biāo)等,表明患者術(shù)后臨床癥狀改善,沒有發(fā)生不良反應(yīng),治療效果明顯好轉(zhuǎn)[11]。

聯(lián)合治療的基本原理是通過靶向和TMZ不同藥理機(jī)制的其他關(guān)鍵分子或通路,從而增加TMZ的療效,降低神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞多重耐藥性(multi-drug resistance,MDR)的發(fā)生[12]。侯魁元等[13]發(fā)現(xiàn)PDT增強(qiáng)了TMZ對(duì)U251細(xì)胞的增殖抑制及細(xì)胞的局部侵襲,還發(fā)現(xiàn)PDT不僅增加了U251細(xì)胞對(duì)TMZ的敏感性,還增加了其細(xì)胞毒作用。眾所周知,PDT主要產(chǎn)生ROS,它可以破壞線粒體膜,誘導(dǎo)線粒體氧化應(yīng)激,從而啟動(dòng)線粒體途徑的Bax/細(xì)胞色素C/caspase-3經(jīng)典細(xì)胞凋亡途徑。線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential,MMP)是線粒體膜兩側(cè)離子濃度差異所產(chǎn)生的跨膜電位差,它反映了線粒體功能狀態(tài)。ROS與MMP呈負(fù)相關(guān)。總之,PDT作用下,TMZ增加了神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞內(nèi)ROS,降低MMP水平;PDT也增強(qiáng)了神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞對(duì)TMZ的敏感性,延緩了MDR的發(fā)生。這為臨床應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3.2 光動(dòng)力聯(lián)合布美他尼

由于外科手術(shù)治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤術(shù)后出現(xiàn)了瘤周水腫。NKCC-1是中樞神經(jīng)系統(tǒng)最主要的Na-K-CL共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,參與多種細(xì)胞功能的調(diào)節(jié),然而NKCC-1過度激活可能導(dǎo)致生理功能的紊亂及細(xì)胞腫脹。研究人員[14]猜想NKCC-1可能參與PDT誘導(dǎo)的瘤周水腫過程,所以采用了NKCC-1抑制劑布美他尼,檢測其能否減輕PDT誘導(dǎo)的瘤周水腫。在建立的大鼠神經(jīng)膠質(zhì)瘤模型中,將荷瘤成功的大鼠隨機(jī)分為空白對(duì)照組、PDT組、布美他尼組、聯(lián)合治療組,觀察大鼠生存期和腫瘤的重量、體積以及通過干濕重法測定腦組織瘤周水含量。Western blot實(shí)驗(yàn)和免疫組化染色表明PDT組NKCC-1表達(dá)明顯增強(qiáng),聯(lián)合組NKCC-1表達(dá)明顯減弱。聯(lián)合治療組的血腦屏障大量開放,裂隙增寬,聯(lián)合治療抑制了NKCC-1過表達(dá),減輕了腫瘤周圍水腫;同時(shí)也發(fā)現(xiàn)布美他尼能通過抑制神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞DNA的合成來抑制腫瘤生長。因此,布美他尼與PDT聯(lián)合治療不僅增強(qiáng)了PDT抗腫瘤作用,而且減輕了瘤周水腫。

4 光動(dòng)力治療及熒光引導(dǎo)手術(shù)

有研究[15]表明應(yīng)用0.5mmol/L 5-ALA的濃度對(duì)培養(yǎng)的U251細(xì)胞進(jìn)行PDT,明顯降低了腫瘤細(xì)胞的侵襲性,通過電鏡觀察到細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯破壞,如膜狀偽足、絲狀偽足和微絨毛等。Li等[16]應(yīng)用HPD介導(dǎo)PDT聯(lián)合手術(shù)治療惡性腦腫瘤,手術(shù)前24h避光注入5.0mg/kg的光敏劑,設(shè)置PDT治療儀輸出功率為500mW、總能量240J/cm2、波長628nm,治療效果明顯,減輕了腦水腫,控制了顱內(nèi)壓,延長了腫瘤復(fù)發(fā)時(shí)間。在5-ALA應(yīng)用于熒光引導(dǎo)的神經(jīng)膠質(zhì)瘤切除手術(shù)中,5-ALA增加了對(duì)高級(jí)別神經(jīng)膠質(zhì)瘤的辨識(shí)度,有利于完整切除腫瘤,從而有助于改善患者的預(yù)后。

王宏偉等[17]研究發(fā)現(xiàn),在減緩出現(xiàn)新的神經(jīng)功能缺失、改善患者生活質(zhì)量等方面,神經(jīng)導(dǎo)航顯微手術(shù)與PDT聯(lián)合治療功能區(qū)腦膠質(zhì)瘤具有一定的優(yōu)勢(shì),可使殘余腫瘤體積縮小,減少神經(jīng)功能缺失,從而有效抑制腫瘤生長。根據(jù)診斷收集65例患者臨床資料,其中治療組40例,對(duì)照組25例。結(jié)果顯示,治療組8周出現(xiàn)新的神經(jīng)功能缺失率為2.5%,有31例水腫帶減輕,8例殘留腫瘤明顯縮小;對(duì)照組出現(xiàn)新的神經(jīng)功能缺失率為8.0%,15例水腫帶減輕,4例術(shù)后殘留腫瘤沒有明顯變化。PDT主要是通過在術(shù)中對(duì)腫瘤殘腔或少量殘留腫瘤細(xì)胞進(jìn)行治療,提前靜脈注射光敏劑可以選擇性地匯集在腫瘤細(xì)胞中,在有氧條件下,給予特定波長的光束照射腫瘤細(xì)胞內(nèi)的光敏劑,使其產(chǎn)生單線氧和自由基殺傷腫瘤細(xì)胞,從而達(dá)到治療目的[17]。切除膠質(zhì)瘤后行PDT其優(yōu)越性在于侵入性小,對(duì)瘤細(xì)胞的選擇性高,毒性小和術(shù)后不良反應(yīng)少,在保留神經(jīng)功能的基礎(chǔ)上,有效殺傷腫瘤細(xì)胞。在現(xiàn)有的臨床研究中,PDT聯(lián)合外科手術(shù)已經(jīng)成為治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤的主流方案。

5 光動(dòng)力聯(lián)合其他治療方法

5.1 光動(dòng)力聯(lián)合聲動(dòng)力學(xué)療法

卟啉鈉(sinoporphyrin sodium,DVDMS)是一種通過激光和超聲波激活的新型敏化劑。研究已經(jīng)證實(shí)[18],DVDMS介導(dǎo)的PDT和聲動(dòng)力學(xué)療法(sonodynamic therapy,SDT)通過生成ROS,損傷DNA,基質(zhì)金屬蛋白酶下調(diào),F-肌動(dòng)蛋白絲崩潰和細(xì)胞凋亡等機(jī)制抑制腫瘤。結(jié)果表明DVDMS-PDT和DVDMS-SDT均在體外顯著抑制神經(jīng)膠質(zhì)瘤U-118 MG細(xì)胞的增殖并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。此外,在裸鼠異種移植模型中靜脈注射DVDMS,24h后行PDT和SDT,治療前腫瘤大小無明顯差異,但治療后PDT組和SDT組腫瘤明顯減小,這兩組的腫瘤增殖也低于對(duì)照組,PDT聯(lián)合SDT后凋亡細(xì)胞比例隨時(shí)間延長而增加。另外,DVDMS具有良好的水溶性和穩(wěn)定性,DVDMS可能是一種有希望的PDT和SDT增敏劑。DVDMS可作為熒光指示劑顯示腫瘤邊界并指導(dǎo)手術(shù)切除,然而血腦屏障可能會(huì)阻止DVDMS進(jìn)入大腦。有研究[19-20]表明與錳離子螯合的DVDMS封裝到納米脂質(zhì)體中,使用超聲靶向微泡破壞結(jié)合iRGD修飾的DVDMS脂質(zhì)體治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤可行,表明DVDMS介導(dǎo)的PDT和SDT增加了cleaved-caspase 3,抑制了增殖細(xì)胞核抗原和Bcl-xL的表達(dá)水平,并減少了PI3K/AKT/mTOR通路的蛋白質(zhì)磷酸化來抑制神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞增殖并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。綜上所述,DVDMS-PDT和DVDMS-SDT可能會(huì)成為治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤的潛在方案。

5.2 光動(dòng)力聯(lián)合高熱療法

Hermisson等[21]在人類和大鼠神經(jīng)膠質(zhì)瘤球體中進(jìn)行了高熱療法(hyperthermia therapy,HT)和PDT聯(lián)合治療的研究,觀察到顯著的抑制反應(yīng),在49℃以下,反應(yīng)程度明顯與溫度和光照有關(guān),治療效果隨著溫度和光照影響的增加而提高。總而言之,細(xì)胞凋亡是低通量PDT和HT+PDT聯(lián)合治療后細(xì)胞死亡的主要模式,通過熒光圖像顯示HT+PDT對(duì)細(xì)胞凋亡的誘導(dǎo)作用顯著,而HT單獨(dú)對(duì)細(xì)胞凋亡的誘導(dǎo)作用較差。在神經(jīng)膠質(zhì)瘤的治療中,同時(shí)添加HT也可能是增加ALA介導(dǎo)的PDT抗腫瘤作用的有效策略[22]。有研究發(fā)現(xiàn)[23]在HT中,將光敏劑注入體內(nèi)可以很好的靶向富集在腫瘤附近,增強(qiáng)癌組織周圍的近紅外吸收,光能與熱能間轉(zhuǎn)換效率明顯提升,以實(shí)現(xiàn)殺死癌細(xì)胞的目的。通過上調(diào)Caspase-3、Caspase-8、Caspase-9、Bax和下調(diào)Bcl-2,HT可顯著促進(jìn)PDT抑制神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞增殖,促進(jìn)細(xì)胞凋亡。

5.3 光動(dòng)力聯(lián)合納米技術(shù)

Chen等[24]報(bào)道[Ru(bpy)2(tip)]2+(RBT)是PDT治療腫瘤的高效光敏劑。通過負(fù)載RBT藥物的納米載體對(duì)神經(jīng)膠質(zhì)瘤進(jìn)行靶向化療和PDT是一種合理可行的治療方案。為了克服血腦屏障和靶向性低,提高納米藥物的抗神經(jīng)膠質(zhì)瘤活性,科學(xué)界已開發(fā)具有雙重靶向功能的介孔釕納米體系RBT@MRN-SS-Tf/Apt。該療法有助于特異性靶向腫瘤類型,同時(shí)確保對(duì)神經(jīng)膠質(zhì)瘤的高度特異性。而且納米藥物遞送系統(tǒng)可以穩(wěn)定地包裹RBT,克服血腦屏障并深入腫瘤組織,通過熒光成像可以觀察納米藥物靶向腦腫瘤的遞送及其組織分布。同時(shí)研究結(jié)果也表明與Tf和AS1411協(xié)同偶聯(lián)的納米顆粒對(duì)神經(jīng)膠質(zhì)瘤的療效顯著提高,這可以為抗神經(jīng)膠質(zhì)瘤治療提供潛在的藥物遞送系統(tǒng)。在異種裸鼠模型中注射RBT、RBT@MRN-SS-Tf+激光治療20d后觀察小鼠體重分別為14.6、18.99g,存活的時(shí)間分別為26、56d。顯然,RBT@MRN-SS-Tf/Apt+激光治療可以顯著提高裸鼠的生存時(shí)間,改善體重。隨后,在PDT過程中通過觀察模型小鼠的日常行為,如飲食、飲水、梳理、探索行為、排便或神經(jīng)狀態(tài),小鼠沒有死亡或明顯的毒性反應(yīng)。因此,這種化學(xué)PDT納米系統(tǒng)可以作為一種高效、強(qiáng)大的協(xié)同系統(tǒng),用于治療腦腫瘤和其他中樞神經(jīng)系統(tǒng)的腦疾病[25]。

Wang等[26]為了解決神經(jīng)膠質(zhì)瘤組織中光敏劑濃度低和缺氧微環(huán)境阻礙PDT的問題,構(gòu)建了PB@PMO-5-ALA來增強(qiáng)PDT治療。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PB@PMO5-ALA在注射后12h在腫瘤組織中高度積聚,與5-ALA相比,原卟啉I X(protoporphyrin I X,PpI X)濃度顯著增加了75%。PBS治療的小鼠出現(xiàn)了腫瘤增大,5-ALA組腫瘤生長適度抑制,而PB@PMO-5-ALA介導(dǎo)的PDT對(duì)腫瘤生長延遲的影響最為明顯。體外實(shí)驗(yàn)表明PB@PMO-5-ALA在激光照射下誘導(dǎo)了大量ROS的產(chǎn)生,與5-ALA組相比,PB@PMO-5-ALA細(xì)胞的活力12h時(shí)降至45%以下。激光照射PB@PMO-5-ALA引起顯著的氧化應(yīng)激、腫瘤細(xì)胞凋亡和抑制細(xì)胞增殖,成功延緩腫瘤生長。體外和體內(nèi)的結(jié)果表明PB@PMO-5-ALA可以通過增加光敏劑的積累和氧氣供應(yīng)來增強(qiáng)對(duì)PDT治療效應(yīng)?？傊?5-ALA結(jié)合PB@PMO納米顆粒無明顯毒性,并在腫瘤細(xì)胞中將5-ALA轉(zhuǎn)化為足夠的PpIX,從而協(xié)同增強(qiáng)PDT抗腫瘤活性。PB@PMO-5-ALA協(xié)同PDT在治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤方面具有治療潛力[26]。

6 總結(jié)與展望

PDT與傳統(tǒng)的癌癥治療方法相比,具有治療效果較好、副作用較低、耗時(shí)短、愈合后幾乎沒有疤痕等優(yōu)點(diǎn)。PDT治療無需大手術(shù),顯微手術(shù)切除后僅配合內(nèi)鏡或其他介入技術(shù)將光源引導(dǎo)到顱內(nèi)進(jìn)行治療,盡可能避免手術(shù)造成的創(chuàng)傷和痛苦。但是,治療侵襲性神經(jīng)膠質(zhì)瘤的挑戰(zhàn)仍然艱巨,比如中樞神經(jīng)系統(tǒng)腫瘤位置較深,需要手術(shù)后再進(jìn)行光源照射,在治療的可重復(fù)性、手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、治療的安全性與便利性及患者經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)方面均存在較多挑戰(zhàn)。此外,PDT治療后可能會(huì)出現(xiàn)光敏性。PDT治療效果取決于照射的準(zhǔn)確性,所以很難用于播散性轉(zhuǎn)移瘤。組織氧合對(duì)于光動(dòng)力效應(yīng)的發(fā)生至關(guān)重要,因此,被壞死組織或致密腫瘤腫塊包圍的腫瘤會(huì)導(dǎo)致PDT無效。而且,由于可見光對(duì)組織的滲透率低,深部腫瘤如果不進(jìn)行手術(shù)干預(yù),不易進(jìn)入,難以治療。這些臨床應(yīng)用上的不便也促進(jìn)了廣大研究人員對(duì)PDT的不斷探索。當(dāng)然,腫瘤切除是保障PDT治療效果最大化的重要前提。綜上所述,PDT為診斷和治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤提供了重要的臨床選擇方案。尤其是對(duì)于不能接受傳統(tǒng)治療或治療效果不佳的患者,PDT可以高度選擇性地治療腫瘤,準(zhǔn)確度高,恢復(fù)期快,顯著改善病人生活質(zhì)量。PDT隨著分子生物學(xué)、光學(xué)和其它交叉學(xué)科的不斷融合與深入發(fā)展,相信在未來的臨床治療中將扮演重要角色,為神經(jīng)膠質(zhì)瘤臨床治療策略提供新選擇。