金纳米棒联合内放疗靶向性肿瘤治疗的研究进展

许 军， 贺克武， 高 斌

进入21世纪，肿瘤发病率不断上升并已成为人类因疾病死亡的主要原因。传统肿瘤治疗手段主要包括化疗、放疗和手术切除等［1］。在放疗领域，放射性核素内照射已被证明是许多实体肿瘤有效的治疗手段。然而，现阶段临床治疗中很多因素制约着放射疗法的发展［2］。近年来，金纳米材料表现出令人瞩目的性质和优势。金纳米棒（GNR），作为一类新兴的贵金属纳米材料，由于其拥有较低的细胞毒性，较高的鲁棒稳定性（性能稳定）及独特的光学性质在纳米材料中备受瞩目。GNR的光热治疗和放疗增敏作用在肿瘤治疗方面发挥重要的作用［3-6］。GNR联合内放疗靶向性肿瘤治疗正在成为肿瘤治疗的研究热点。本文旨在对这一研究的原理及其进展加以综述。

1 GNR的理化性质

1.1 GNR的光学性质

纳米科学与肿瘤医学相结合形成的纳米肿瘤医学是纳米科学中新兴的重要领域，也是当前各国前沿科技优先发展的核心领域。金纳米粒子具有独特的光学性质。这种特殊的性质来源于入射光与金纳米粒子的自由电子相互作用：当入射光的波长与自由电子的振动频率发生共振耦合时，就会产生表面等离子体共振（SPR），在紫外-可见光谱上显示强的吸收峰。GNR是一种胶囊状的金纳米颗粒，具有一个横向等离子共振吸收峰（TSPR）和一个纵向等离子共振吸收峰（LSPR），前者位于可见光 520 nm区域，后者的位置取决于GNR颗粒的面径比（表面积与直径比值），因此通过制备不同面径比的GNR颗粒，可以人为调控 LSPR的位置［7］。

1.2 GNR的表面修饰及功能化

晶体生长法是目前合成GNR最为广泛的一种方法，然而用这种方法制备的GNR，表面包覆了一层具有生物毒性的表面活性剂——十六烷基三甲基溴化铵（CTAB），其分子有很长的烷基链从而阻碍对GNR的进一步修饰［8］。因此，作为药物载体，需要对GNR表面进行修饰，去除或覆盖GNR表面残余的CTAB。此外，从肿瘤靶向治疗方面考虑，也需要对GNR表面进行修饰并与特异性生物探针耦合，通过被动和（或）主动与肿瘤细胞结合，从而达到治疗目的。目前用于对GNR表面进行修饰的分子主要有以下3种：小分子化合物、高分子聚合物和二氧化硅。小分子化合物修饰GNR方法中，最常见的是通过金-硫键偶联巯基化合物。由于巯基（-SH）和金原子之间有很强的亲和力，带巯基的化合物可以与GNR表面的CTAB进行相对直接的置换，在数小时内即可完成修饰。Xiao等［9］用带巯基的聚乙二醇（-SH-PEG）修饰GNR后发现聚乙二醇可以完全取代CTAB，从而使GNR的细胞毒性降到忽略不计的程度。-SH-PEG的另一端可以与一些靶向性分子相连，如RGD肽［9］、叶酸（FA）［10］等，与肿瘤细胞特异性结合。Boyes等［11］用不同的高分子聚合物采用可逆加成-断裂链转移聚合（RAFT）方法修饰GNR表面，研究表明RAFT利用活性自由基聚合的方法使反应后的聚合物不仅具有很强的活性，而且聚合物附着在GNR表面的厚度可在3～14 nm范围内调控。采用纳米二氧化硅（SiO2）包覆法进行GNR表面修饰是一种更有前景的修饰方法，SiO2生物相容性和透光性好，修饰后不仅降低纳米棒表面的毒性，而且GNR表面SiO2包覆层呈现出明显的介孔结构（孔径在2～50 nm）。由于介孔材料具有较大的比表面积和吸附容量，因此在药物载体方面具有极大的应用价值［12］。研究证明，采用SiO2等包覆GNR，并以寡核苷酸［13］、生物素［14-15］或抗体［16］修饰，以使其与瘤细胞的互补DNA/RNA、生物素受体蛋白或抗原相结合，具有很强的靶向性。

1.3 GNR的靶向热疗

肿瘤热疗是利用物理能量（光波、超声波、电磁波等）使组织加热，达到杀灭癌细胞的特定温度并维持一段时间，以治疗恶性肿瘤的一种治疗手段。GNR的光热治疗便是其中最受关注的一种。由于GNR独特的表面等离子共振特性，使其对光的强吸收性质比传统的光热治疗媒介强好几个数量级，并能在约1 ps（10-12s）时间内快速将光能转化为热能。很多研究表明光热治疗过程中产生的热能可以使肿瘤细胞内的温度增加超过20℃而诱发肿瘤组织的消融［17-19］。2003年，Pitsillides等［20］将球形金纳米微粒通过抗体与淋巴球细胞上的抗原结合，然后用纳秒脉冲激光照射细胞金纳米微粒结合体，发现细胞由于过高热而被杀死。这是第1次将金纳米微粒成功应用在光热治疗的体外实验并展现出巨大的应用前景。El-Sayed等［21］在实验中将EGFR抗体-金纳米结合体和2株口腔鳞片癌细胞系及1株良性细胞系一起孵育，然后将样品接受可见氩激光照射，结果发现只需用于杀死良性细胞一半的激光能量就能将恶性癌细胞杀死。此外，GNR作为一种磁性纳米材料，其优异的吸波（包括超声波［22］、电磁波［23］等）升温和导热特性，在肿瘤的定位热疗中具有很大的应用价值。

1.4 GNR的放疗增敏作用

近年来随着金纳米微粒研究的深入，GNR的放疗增敏作用也越来越受关注。这是由于高原子序数物质在肿瘤组织内产生较周围正常组织强的光电吸收和二次电子引起的γ射线和X线辐射能加速DNA链断裂。理论上，辐射敏感材料的光电吸收横截面以及他们的放射治疗效果直接取决于原子半径大小。这个物理原理决定了金原子（原子序数Z＝79）比其他对辐射敏感的材料如碳（Z＝6），碘（Z＝53）和铂（Z＝78）通过光电效应可以产生更强的辐射增强效果。由于GNR比金原子的的原子半径更大，因此具有更强的辐射增强效果［24］。Roa等［25］将葡萄糖耦合的金纳米球与人类前列腺癌细胞株DU-145孵育后，接受2 Gy照射发现相对于单纯的X线照射组，混合金纳米微粒的实验组对细胞的生长抑制作用是前者的1.5～2.0倍。并发现金纳米微粒可以触发细胞CDK激酶活化，导致细胞分裂周期滞留于对放射线相对敏感的G2/M期，并且降低p53及细胞周期蛋白A的表达，增加细胞周期蛋白B1及细胞周期蛋白E的表达等。最近研究表明，GNR进入细胞内虽然不引起排斥，但是并不是惰性物质，其可以导致细胞内活性氧产生，造成细胞毒性，细胞质裂解和细胞凋亡［26］。GNR对放射线的增敏作用也可能与金属化合物对细胞DNA修复抑制有关［27］。到目前为止，GNR的放疗增敏的明确生物学机制仍待进一步研究。

2 GNR的作用原理和应用前景

2.1 GNR联合内放疗治疗肿瘤的机制

GNR联合内放疗的的临床协同效应是目前肿瘤治疗的研究热点。GNR联合内放疗可以明显提高放疗的疗效，提高肿瘤的治疗效果。

放射治疗计划的目的是尽可能选择最好的照射方案，使对肿瘤靶区的治疗达到均匀性、适行性以及避免对敏感组织的损伤。然而，在实际治疗过程中，也存在一些问题。一方面由于肿瘤组织向各个方向的生长速度不一致，很难达到肿瘤组织内放射剂量分布的均匀性；另一方面由于操作过程中对治疗医师的主观依赖性，放射冷点及热点难以避免，也不可能达到完全适形放疗。另外，放射性核素进入肿瘤组织内特别是放射性粒子植入后，由于肿瘤体积的缩小，原来位于瘤体内的核素、粒子边缘化，对周围正常细胞造成放射损伤。GNR联合内放疗治疗肿瘤的机制是首先将放射性核素植入肿瘤病灶内，然后将GNR靶向输送到肿瘤细胞膜表面，一方面由于GNR对放射线的增敏作用，提高放疗的治疗效果；另一方面，其吸收了核素的辐射能量后产生光热效应，在极短的时间内产生大量的热能，从而杀死肿瘤细胞，以期达到对肿瘤细胞的最大杀伤作用、最佳适形效果，并最大限度地保护正常组织细胞。

2.2 GNR联合内放疗治疗肿瘤的研究进展

Roeske等［28］和Cho等［29］研究发现当低能量的射线照射到高原子序数物质时，可以产生最大程度的增强效果，从而在理论上证明了金纳米微粒联合放射性核素近距离放射疗法的高度可行性和诱人的发展前景。Vilchis-Juarez等［30］将金纳米微粒与生物多肽c［RGDfK（C）］共轭包覆并用放射性核素177 Lu标记对小鼠的神经胶质瘤模型靶向性放射治疗，证明177Lu-AuNP-c［RGDfK（C）］治疗组可以明显提高肿瘤组织的辐射吸收剂量（67 Gy），抑制肿瘤内血管的生成和表皮生长因子的表达，显著延缓肿瘤进展。Xie等［31］用64Cu-DOTA（四乙酸复合物）标记的GNR采用热疗辅助内放疗靶向性治疗小鼠的头颈部鳞状细胞癌取得满意疗效，PET/CT图像显示肿瘤组织对GNR的持续吸收长达20 h，联合治疗组相对对照组肿瘤内出现明显出血和大面积坏死。Chen等［32］利用磁性纳米粒子联合结合VEGF抗体的131I核素，采用瘤内注射方式靶向性治疗小鼠肝脏肿瘤，发现纳米粒子可以增加放射性药剂的滞留从而提高有效生物放射剂量，肿瘤生长被明显抑制。Buckway等［33］采用GNR联合90Y标记的HPMA（甲基丙烯酰胺）聚合物治疗小鼠前列腺肿瘤，结果发现GNR与90Y-HPMA主要聚集在肿瘤组织对其进行靶向性放疗并在局部形成高热达（43±1）℃，肿瘤组织内出现大片坏死，肿瘤生长明显抑制。

本文系统总结了GNR联合内放疗对肿瘤靶向性治疗的机制及其研究应用，包括GNR的光热治疗和放疗增敏作用。国内外的研究表明，GNR联合内放疗作为一种新兴疗法，对肿瘤的靶向性治疗取得的疗效毋庸置疑［34］。但其目前仍面临很多不足，还有一些问题和挑战需要我们去解决和面对：纳米材料的生物安全性。GNR作为一种无机纳米材料在体内较难降解的问题对其将来临床应用而言是一个巨大的挑战。纳米材料在体内的行为包括药效、稳定性、毒性、分布等问题仍然需要系统研究。但相信随着纳米技术及相关多学科的相互渗透和发展，GNR联合内放疗在肿瘤治疗领域会发挥更加重要的作用，也希望它能够为更加有效地治疗肿瘤开辟一条新的途径。

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