基于上轉(zhuǎn)換納米顆粒的腫瘤光動(dòng)力治療研究進(jìn)展

王 芳，孫照剛，褚洪遷，

(1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京胸科醫(yī)院轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究室，北京 101149；2.北京市結(jié)核病胸部腫瘤研究所耐藥結(jié)核病研究北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101149）

目前，癌癥依然是威脅人類健康的重要原因之一[1]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)顯示，2020 年全球約有1 930 萬癌癥新發(fā)病例和近1 000 萬癌癥死亡病例[2]，因此研究有效的癌癥治療新技術(shù)備受關(guān)注。傳統(tǒng)的癌癥治療方法主要包括手術(shù)、化學(xué)療法、放射療法等[3]。但是，傳統(tǒng)療法存在較大的缺陷，如療效差、毒副作用大和免疫耐受等[4]。因此，亟需開發(fā)有效的新型癌癥治療方案。光動(dòng)力療法(photodynamic therapy，PDT)是一種非侵入性的腫瘤治療方法，已被廣泛應(yīng)用于臨床抗腫瘤治療領(lǐng)域[5]。然而，PDT 的臨床應(yīng)用還面臨許多挑戰(zhàn)，比如光敏劑(photosensitizer，PS)的激發(fā)光多為可見光，其組織穿透能力弱，導(dǎo)致PDT 的治療局限在表層病灶，對(duì)深部腫瘤治療效果差[6]，嚴(yán)重限制了其實(shí)際臨床應(yīng)用，因此，開發(fā)具有高穿透深度的近紅外光激活的光敏劑具有重要的意義。

上轉(zhuǎn)換納米顆粒(upconversion nanoparticle，UCNPs)是一類摻雜鑭系元素的光學(xué)納米晶體，在近紅外光(near infrared，NIR)激發(fā)下，可將兩個(gè)或多個(gè)低能光子轉(zhuǎn)換為單個(gè)高能輸出光子[7]。由于UCNPs 的NIR 激發(fā)光具有更深的組織穿透能力，并且其發(fā)射的紫外光或者可見光可激活光敏劑，從而產(chǎn)生具有高度反應(yīng)性的活性氧(reactive oxygenspecies，ROS)，達(dá)到直接殺死腫瘤細(xì)胞或者激活免疫系統(tǒng)的目的。因此，具有毒性小、化學(xué)穩(wěn)定性高和光穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)的UCNPs在PDT抗腫瘤治療中具有廣泛的應(yīng)用前景[8]。

1 光動(dòng)力療法

PDT作為一種新型的微創(chuàng)性抗腫瘤治療手段，逐漸引起研究者的興趣。PDT 主要由3 種元素組成：PS、特定波長(zhǎng)的激發(fā)光和氧氣(O2)。PDT 根據(jù)光物理和光化學(xué)可分為Ⅰ型和Ⅱ型兩種類型[9](見圖1)。Ⅰ型PDT 是基于電子轉(zhuǎn)移的光動(dòng)力反應(yīng)，可產(chǎn)生自由基(如、HO·和H2O2)，但不是大多數(shù)PDT 的主要機(jī)制；Ⅱ型PDT 是三重態(tài)光敏劑與三重態(tài)分子氧發(fā)生相互作用，形成單線態(tài)氧(1O2)，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡殺傷腫瘤細(xì)胞，這個(gè)過程需要O2的參與[10]。

圖1 光動(dòng)力療法的機(jī)制示意圖[9]

除了光和O2之外，光敏劑(PS)是PDT 的關(guān)鍵因素之一。PDT 的優(yōu)點(diǎn)在于可通過控制光照對(duì)腫瘤部位進(jìn)行針對(duì)性的治療，而PS在黑暗環(huán)境下不會(huì)被激活。在激發(fā)光存在的條件下，可以引發(fā)PS 發(fā)生光化學(xué)或光物理反應(yīng)[11]。但是PS 的組織滲透性差，自聚集使其無法滲透脂質(zhì)雙層，導(dǎo)致PDT 療效降低[12]。目前，PS 的研究已經(jīng)發(fā)展至第3 代[5]。第1 代PS 是卟啉類，其中血卟啉最早應(yīng)用于臨床治療[13]，但是存在純度低、穿透能力差及毒性強(qiáng)的缺點(diǎn)；第2代PS是基于第一代發(fā)展而來，主要是血卟啉衍生物(hematoporphyrin derivative， Hp D)、 氯6(chlorine6，Ce6)、5-氨基酮戊酸(5-aminolevulinic acid，5-ALA)、3,7-雙(二甲氨基)吩噻嗪-5 鎓氯(methyleneblue，MB)等，改善了第一代PS的缺點(diǎn)，但存在水溶性差的特點(diǎn)[13]；第3代PS 是對(duì)第二代PS 進(jìn)行化學(xué)修飾、結(jié)合靶向分子或者負(fù)載在納米顆粒，具有更好的靶向性和生物相容性[14]。

2 上轉(zhuǎn)換納米材料

UCNPs 主要由敏化劑離子、活化劑離子和基質(zhì)材料組成。其中，敏化劑鑭系離子(如Yb3+)可以吸收近紅外光，并將兩個(gè)或多個(gè)光子傳遞給發(fā)射鑭系離子(最常見的是Er3+、Ho3+和Tm3+)[15]?；|(zhì)材料主要提供結(jié)晶主晶格結(jié)構(gòu)，用于活化離子并將離子敏化到正確的位置，為其提供適當(dāng)?shù)墓庹諚l件[16]。

上轉(zhuǎn)換發(fā)光(upconversion luminescence，UCL)是指將兩個(gè)或多個(gè)低能泵光子從近紅外(NIR)光譜區(qū)域轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)較短的高能量輸出光子的非線性光學(xué)過程[17]。UCNPs 的發(fā)光機(jī)制主要分為3 個(gè)過程：激發(fā)態(tài)吸收(excited state absorbption，ESA)、能量轉(zhuǎn)移(energy transfer，ETU)和光子雪崩(photon avalanches，PA)[18]，見圖2。ESA中的激發(fā)態(tài)吸收過程是基于同一離子通過連續(xù)多光子吸收從基態(tài)(G)達(dá)到更高能激發(fā)態(tài)能級(jí)的原理[19]。由于敏化離子和活化離子的激發(fā)態(tài)和初始能量狀態(tài)之間的能量差是相同的，當(dāng)它們之間的距離足夠近時(shí)，激活離子中的電子跳躍到更高的激發(fā)態(tài)能級(jí)，兩者之間可以發(fā)生共振產(chǎn)生能量，從而發(fā)生ETU[20]。PA是將ESA和ETU相結(jié)合的過程[21]。

圖2 鑭系元素?fù)诫s的UCNP上轉(zhuǎn)換發(fā)光過程[18]

合成UCNPs最常用的方法是熱分解法、微乳液法、相轉(zhuǎn)移水熱合成法、溶膠-凝膠法等[22]。與傳統(tǒng)發(fā)光材料(包括有機(jī)染料和量子點(diǎn))相比，UCNPs 具有化學(xué)穩(wěn)定性高、光學(xué)穩(wěn)定性好、帶隙發(fā)射窄等優(yōu)點(diǎn)[23]。此外，在近紅外光的激發(fā)下，具有較強(qiáng)的生物組織穿透力，對(duì)生物組織無損傷，信噪比高，在腫瘤治療領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[24]。

3 UCNPs在光動(dòng)力治療腫瘤中的應(yīng)用

UCNPs具有將NIR光轉(zhuǎn)換為可見光的能力，然后可以通過電子激發(fā)能量的轉(zhuǎn)移激活PS，可改善傳統(tǒng)PDT組織穿透受限的問題[25]。通常，與UCNPs 結(jié)合的PS 分為有機(jī)分子和無機(jī)分子。在大多數(shù)有機(jī)分子作為PS 的情況下，UCNPs 首先涂有聚合物或二氧化硅殼，實(shí)現(xiàn)PS的高有效載荷，保護(hù)其免受惡劣環(huán)境的降解。有機(jī)PS主要是通過物理吸附、靜電吸附、物理包埋法、共價(jià)偶聯(lián)等方法負(fù)載在UCNPs上[26]。對(duì)于無機(jī)晶體作為PS的情況，它們通常被設(shè)計(jì)成由UCNPs 為核、PS 為殼的核-殼結(jié)構(gòu)。UCNPs 與PS 的結(jié)合不僅可以解決PDT 中PS 的組織滲透能力差的問題，還可以改善PS遞送以及靶向性低等問題，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景[27]，見表1。

表1 UCNPs的修飾及對(duì)應(yīng)的腫瘤治療改善效果

3.1 UCNPs增加PDT的組織穿透能力

Zhang 等[28]最先報(bào)道了PS-UCNPs 用于PDT 治療腫瘤的例子，該體系是由二氧化硅涂層的NaYF4∶Yb3+,Er3+納米顆粒包裹光敏劑M-540組成，可顯著增加PDT的穿透深度，并有效誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。Wang 等[29]將光敏劑Ce6 加載到基于NaFY4的聚乙二醇(PEG)功能化的UCNPs 上，形成一個(gè)超分子復(fù)合物UCNPCe6。與依靠可見光激發(fā)的傳統(tǒng)PDT相比，使用UCNP-Ce6納米復(fù)合物的近紅外光觸發(fā)的PDT顯著改善組織穿透深度，可能更適合治療大腫瘤或內(nèi)部腫瘤。Hou 等[30]介紹了一種基于無機(jī)PS二氧化鈦(TiO2)包覆在上轉(zhuǎn)換納米顆粒(UCNP)核/殼的納米復(fù)合材料(UCNPs@TiO2NCs)，其中NaYF4∶Yb3+,Tm3+@NaGdF4∶Yb3+核/殼UCNPs可以有效地將近紅外光轉(zhuǎn)化為與TiO2殼層吸收匹配的紫外線，見圖3。此外，UCNPs@TiO2NCs 可以通過980 nm 近紅外光的激發(fā)有效地產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)ROS，誘導(dǎo)體外癌細(xì)胞凋亡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示對(duì)照組和UCNPs@TiO2未照光組有大量的活細(xì)胞群，早期和晚期凋亡細(xì)胞很少。然而在500 μg/mL劑量下，近紅外或紫外光介導(dǎo)的UCNPs@TiO2組凋亡細(xì)胞群顯著增加。

3.2 UCNPs提高PDT的靶向性

UCNPs遞送腫瘤治療藥物的方式包括被動(dòng)和主動(dòng)。被動(dòng)靶向是經(jīng)高滲透滯留效應(yīng)(enhanced permeability and retention effect，EPR)實(shí)現(xiàn)材料在腫瘤的聚集，但是效率偏低[40]。主動(dòng)靶向是根據(jù)UCNPs材料的可修飾性，利用納米系統(tǒng)表面的特定分子與腫瘤部位的特定分子間、蛋白間(如葉酸受體，適配體等)的主動(dòng)識(shí)別而結(jié)合，達(dá)到藥物在腫瘤部位特異性聚集的目的[41]。

葉酸(folic acid，F(xiàn)A)受體在多種腫瘤中過表達(dá)，而在絕大多數(shù)正常組織中基本不表達(dá)或低表達(dá)[42]，因此可對(duì)UCNPs進(jìn)行葉酸修飾，借助葉酸-葉酸受體的相互作用將藥物主動(dòng)靶向至腫瘤部位。Zhao等[31]開發(fā)了一種基于葉酸-聚乙二醇-聚天冬氨酸-腙-二氫硫辛酸(FA-PEAH)聚合物改性的UCNPs載體，偶聯(lián)疏水性PS pheophorbide a(Pha)的新型治療診斷系統(tǒng)(FA-PEAHUCNPs-Pha，見圖4A。與游離Pha 和非FA-配體偶聯(lián)的CH3-PEAH-UCNPs-Pha 相 比，F(xiàn)A-PEAH-UCNPs-Pha 對(duì)MCF-7 細(xì)胞的細(xì)胞毒性和細(xì)胞攝取均顯著增強(qiáng)，并產(chǎn)生高效率的PDT作用。值得注意的是，F(xiàn)A-PEAH-UCNPs-Pha 組在30 μg/mL 濃度下處理5 min 后，MCF-7 細(xì)胞的存活率下降到近25%。Lu等[32]把UCNPs、酞菁鋅(II)和葉酸共價(jià)組裝成一種高效的納米顆粒(UCNPs-ZnPc/FA)，可以通過980 nm 的近紅外光照射觸發(fā)PDT產(chǎn)生高效的單線態(tài)氧，還可以通過腫瘤成像引導(dǎo)PDT抑制腫瘤生長(zhǎng)。生理鹽水組、生理鹽水+NIR 組和UCNPs-ZnPc/FA組在皮下注射Hepa1-6 細(xì)胞2 周后長(zhǎng)成直徑為10～15 mm 的實(shí)體瘤，而UCNPs-ZnPc/FA+NIR 組腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)受到明顯抑制，相比于對(duì)照組腫瘤抑制率約為80.1%。

圖4 利用葉酸修飾UCNPs實(shí)現(xiàn)主動(dòng)靶向的抗腫瘤治療體系[31，33]

與單一PS 相比，將單一光源對(duì)UCNPs 的多次發(fā)射應(yīng)用于納米體系，可以明顯提高PDT療效。Yang等[33]首先利用葉酸改性的兩親性聚合物葉酸-聚丙烯酸-辛胺(FA-PAA-octylamine，F(xiàn)P)包覆在疏水性UCNPs 的表面，促進(jìn)UCNPs 的分散性和腫瘤細(xì)胞的靶向性，并充分利用UCNPs 在808 nm 光激發(fā)下的多色發(fā)射能力，同時(shí)激活兩種不同的PS(MC540 和ZnPc)達(dá)到增強(qiáng)PDT的功效，見圖4B。暴露在808 nm光下，隨著FPUMZ濃度的增加，與FPUMZ 孵育的HeLa 細(xì)胞的活力顯著下降。在808 nm激光照射下，當(dāng)納米系統(tǒng)與單一光敏劑MC540或ZnPc 結(jié)合時(shí)，腫瘤明顯縮小。與單一PS 治療相比，激活兩種光敏劑的PDT導(dǎo)致更明顯的腫瘤抑制。體外和體內(nèi)的治療效果均表明雙PS納米結(jié)構(gòu)為增強(qiáng)PDT治療提供了一種簡(jiǎn)單而有效的方法。

3.3 基于UCNPs的光動(dòng)力聯(lián)合其他療法

單一的PDT療法難以完全抑制腫瘤生長(zhǎng)和/或消除腫瘤，多平臺(tái)的協(xié)同療法備受關(guān)注。Xu 等[34]設(shè)計(jì)了同時(shí)負(fù)載PS Ce6 和Toll 樣受體7 激動(dòng)劑咪喹莫特(R837)的UCNP-Ce6-R837，通過NIR 激發(fā)誘導(dǎo)PDT 并引發(fā)抗腫瘤免疫治療。在NIR 的照射下，UCNP-Ce6-R837 不僅增強(qiáng)組織穿透深度，還有效地觸發(fā)PDT破壞腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生腫瘤相關(guān)抗原，同時(shí)作為佐劑的R837 可誘導(dǎo)產(chǎn)生強(qiáng)烈的抗腫瘤免疫反應(yīng)。Ding等[35]制備了以介孔二氧化硅為免疫佐劑包裹的上轉(zhuǎn)換納米粒子(UCMS)，同時(shí)負(fù)載光敏劑MC540、雞OVA或者腫瘤細(xì)胞碎片，用于抗腫瘤治療。在NIR光照射下，UCMSs-MC540-TF激活MC540，誘導(dǎo)PDT產(chǎn)生ROS殺傷腫瘤細(xì)胞，從而釋放TAA 刺激DC 細(xì)胞，引發(fā)一系列免疫反應(yīng)以增強(qiáng)抗腫瘤作用。目前，已有許多研究表明基于UCNPs的PDT與免疫療法的聯(lián)合使用，在增強(qiáng)消除腫瘤效果的同時(shí)還具有長(zhǎng)期免疫記憶的功能，可預(yù)防腫瘤復(fù)發(fā)。

化療與PDT 的聯(lián)合使用也被廣泛應(yīng)用于抗腫瘤研究[43]。Rafique 等[36]以UCNPs 為核心和mSiO2為殼，并將其與DOX 和Ce6 結(jié)合構(gòu)建了一個(gè)新型輸送系統(tǒng)(UCNPs@mSiO2-DOX/Ce6)。該系統(tǒng)可通過吸收近紅外光激活Ce6，誘發(fā)PDT 產(chǎn)生ROS，并釋放化療藥物DOX，實(shí)現(xiàn)有效的協(xié)同治療，增強(qiáng)腫瘤治療效果。當(dāng)UCNPs@mSiO2-DOX/Ce6濃度為200 μg/mL時(shí)，與SCC7細(xì)胞系孵育12、24 和48 h 后，細(xì)胞存活率分別下降到89%、80%和51%。由于Ce6 分子產(chǎn)生單線態(tài)氧并釋放DOX 分子，UCNPs@mSiO2-DOX/Ce6 在NIR 光誘導(dǎo)下的治療效果(即使孵育時(shí)間僅為12 h)也明顯高于黑暗環(huán)境下的治療效果(存活率：41%)。Lv等[37]基于UCNPs以光敏劑NH2-MIL-53(Fe)為外殼，負(fù)載DOX，構(gòu)建一種多功能納米藥物平臺(tái)(UMD)。在NIR 照射下，UCNPs激活NH2-MIL-53(Fe)誘導(dǎo)PDT，并在TME的酸性條件下釋放DOX，協(xié)同化療抑制膠質(zhì)瘤的生長(zhǎng)。

腫瘤微環(huán)境具有含氧量低的特點(diǎn)，對(duì)氧依賴的PDT也是一種重大挑戰(zhàn)[44]。Ji等[38]使用光敏劑PFNS修飾在UCNPs 表面，包被上pH 敏感的Mn-Ca3(PO4)2(MnCaP)層，并將缺氧激活的前藥AQ4N 納入其中，形成73 nm 的納米復(fù)合材料(UCNP@PFNS/AQ4N)@MnCaP。該納米顆粒具有顯著增強(qiáng)的滲透性和EPR 效應(yīng)，并在酸性腫瘤微環(huán)境中分解MnCaP層，釋放出UCNP@PFNS和AQ4N，在NIR光照射下產(chǎn)生串聯(lián)激活的PDT和化療效果。在pH=7.4、980 nm 激光照射下，HeLa 細(xì)胞有很高的細(xì)胞存活率；而在pH=6.8、980 nm 激光照射下，UCNP@PFNS@MnCaP 組和UCNP@PFNS/AQ4N)@MnCaP 組的HeLa 細(xì)胞表現(xiàn)出明顯的細(xì)胞毒性，表明在酸性環(huán)境下釋放的MnCaP殼將PDT從關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)換到打開狀態(tài)。值得注意的是，UCNP@PFNS@MnCaP組的中位致死劑量(LD50)值約是(UCNP@PFNS/AQ4N)@MnCaP 組的100 倍。Shao 等[39]設(shè)計(jì)了由單個(gè)UCNP 為核心和卟啉MOF 為殼組成的核心-殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)(UCS)，將缺氧激活前藥替拉帕胺(TPZ)包封在異質(zhì)結(jié)構(gòu)MOF殼的納米孔中形成TPZ/UCSs，聯(lián)合PDT、缺氧激活的化療和免疫療法達(dá)到增強(qiáng)抗腫瘤效果(圖5)。與UCNP-MOF異二聚體(UCDs)相比，UCNP@MOF 核殼納米結(jié)構(gòu)(UCSs)表現(xiàn)出更高的近紅外光激活1O2效率，UCS和NIR輻照處理的細(xì)胞誘導(dǎo)的DCF熒光細(xì)胞為前者的1.4倍。TPZ受腫瘤微環(huán)境缺氧刺激，通過單電子還原反應(yīng)產(chǎn)生有毒的氧化自由基，對(duì)缺氧癌細(xì)胞的細(xì)胞毒性高于正常細(xì)胞。未加載TPZ的UCSs在缺氧條件下無細(xì)胞毒性，低氧和常氧條件下TPZ/UCSs 對(duì)CT26 細(xì)胞的半數(shù)抑制濃度(IC50)分別為3.02 和55.04 μg/mL，而TPZ/UCSs 缺氧后經(jīng)近紅外照射的細(xì)胞毒性更強(qiáng)(IC50=0.74 μg/mL)。此外，該納米平臺(tái)(TPZ/UCSs)與α-PD-L1 檢查點(diǎn)阻斷療法的組合不僅可以根除原發(fā)腫瘤，還可通過全身抗腫瘤免疫抑制未經(jīng)治療的遠(yuǎn)端瘤。

圖5 TPZ/UCSs的結(jié)構(gòu)及其觸發(fā)光動(dòng)力療法聯(lián)合缺氧激活化療和免疫治療抗腫瘤的示意圖[39]

4 結(jié)語與展望

目前，PDT因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于臨床研究，但傳統(tǒng)PDT依然存在局限性。隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，UCNPs在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注，本文主要概述了基于UCNPs的PDT在抗腫瘤治療中的應(yīng)用。作為光敏劑載體和光能轉(zhuǎn)換器的UCNPs可以顯著提高PDT的治療深度，降低光毒性，并且其可以通過表面修飾改變水溶性以提高生物相容性。此外，在藥物遞送和釋放方面，UCNPs 對(duì)腫瘤的PDT 療效明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的PDT療法，在臨床治療中具有更大的應(yīng)用潛力。

但是，在設(shè)計(jì)UCNPs 負(fù)載PS 用于PDT 時(shí)，需要認(rèn)真考慮以下幾個(gè)方面：①UCNPs 發(fā)出的光與PS 的最大吸收波長(zhǎng)之間的光譜是否重疊；②UCNPs 內(nèi)核與PS 之間的距離(有效能量轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵)；③PS 擔(dān)載量，PS 過量會(huì)對(duì)PDT 效果產(chǎn)生相反的影響；④殼的厚度，當(dāng)選擇核-殼策略時(shí)，由于PS藥物與發(fā)光核之間的距離影響激活PS 的能量轉(zhuǎn)移過程，從而影響PDT 效率；⑤納米系統(tǒng)的生物相容性；⑥靶向PDT 策略[15]。除此之外，還需要考慮UCNPs在臨床應(yīng)用中的最適安全劑量、毒性潛伏期以及在人體中的代謝過程等問題，為UCNPs在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域提供更寬廣的應(yīng)用前景。