纳米材料在肿瘤光动力治疗中的应用

周 洁 陈 钰 综述 陈道桢 审校

光动力治疗(Photodynamic therapy，PDT)是经美国FDA和中国CFDA批准临床治疗恶性肿瘤的一种辅助治疗手段，具有选择性强、可重复治疗、微创、无累积毒性、疗效好等优点。PDT通过特定波长的光激活光敏剂(Photosensitizer，PS)，激发的PS将能量传递给周围的分子氧，产生可杀伤肿瘤细胞的细胞毒性活性氧(Reactive oxygen species，ROS)，最主要的为单线态氧(Singlet Oxygen，1O2)[1]。PDT可用于多种肿瘤的治疗如皮肤癌、前列腺癌和乳腺癌等[2-4]，也可作为辅助疗法联合其他治疗手段，如化疗、放疗和免疫疗法等，增强肿瘤杀伤效率。

由于缺乏理想的PS，光源组织穿透深度不足，肿瘤组织缺氧等局限性，PDT未能作为肿瘤临床治疗的一线干预措施，光动力治疗与纳米材料的结合，为恶性肿瘤治疗带来了新的思路。下面主要对PDT目前存在的问题和纳米材料在恶性肿瘤中的应用进展进行介绍。

1 光动力治疗的局限性

1.1 缺乏理想的光敏剂

光动力治疗中的三个基本要素为PS、特定波长的光、分子氧。其中，PS是光动力治疗中的关键分子。最早用于PDT的第一代光敏剂是血卟啉衍生物(Haematoporphyrin Derivative，HpD)，第二代PS大部分是从血卟啉优化得到的，代表的有血卟啉单甲醚、金属酞菁、叶绿素降解衍生物等。最新的第三代PS主要是经过生物缀合物如载体、抗体等修饰的二代PS的衍生物，改善了其物理、化学或者治疗方面的特性，改进PS在治疗的应用，但其仍处在发展早期阶段。现在临床上常用的PS大多为疏水性，在体内溶解度低，生物利用度差，1O2量子产率较低，易在体内正常组织积聚对周围正常组织有暗光毒性，这些缺陷限制了PDT在临床上的利用。

1.2 光源穿透组织深度不足

光源穿透组织深度不足是PDT临床应用受限的另一主要原因，临床上PS大多是被紫外光或可见光激活，常用于浅表部位的肿瘤，对深部组织肿瘤穿透深度有限，例如波长630～700 nm的红光穿透深度在2～3 mm左右，波长570～590 nm的黄光穿透深度小于2 mm[5]，体内组织发色团如血红蛋白、黑色素、脂肪等对可见光谱的光发生强烈的光吸收和光散射，导致可见光的衰减、限制穿透组织能力。如何提高组织穿透能力是改善PDT治疗体内深部肿瘤疗效的重要问题。

1.3 肿瘤组织缺氧

缺氧是肿瘤的重要特征之一，PDT通过消耗分子氧来产生细胞毒性物质1O2进而杀伤肿瘤，并且1O2会破坏肿瘤血管进一步加重组织的缺氧。肿瘤组织中的氧合水平显著影响PDT疗效，相对于低氧肿瘤组织中，PDT在氧合水平较高的肿瘤组织中疗效更好[6]。有研究通过PDT光照射分成受控光照和无光照黑暗期或者降低通量率来补充氧气消耗以提高PDT治疗效率，然而研究证明这种方法并不能改善疗效或者长期生存率，并且整体治疗光照时间延长[7]。因此，PDT中肿瘤缺氧的问题仍待解决。

1.4 单一治疗疗效不佳

临床上PDT主要用于浅表部位肿瘤，对深部肿瘤、实体瘤疗效不佳，且临床上常用的PS溶解性差，具有光毒性，进行单一PDT治疗肿瘤达不到最佳治疗效果，存在着诸多局限性。

2 纳米材料在肿瘤光动力治疗中的应用

2.1 改善PS的性质，增加肿瘤中1O2产率

2.1.1 脂质体纳米颗粒 脂质体(Liposomes)是具亲水性核心的、磷脂和胆固醇组成的多层或单层囊泡，作为治疗肿瘤常用药物的纳米载体之一，常用于负载来提高药物的选择性、溶解度以及减少治疗毒副反应等[8]。Li等[9]利用脂质体纳米颗粒提高了PS芦荟大黄素在水中的溶解度和生物利用度，减轻其肾毒性等不良反应，提高了ROS产率，有效杀伤胃癌细胞。Shi等[10]构建了有效负载大量PS血卟啉单甲醚和化疗药物多柔比星的脂质体纳米颗粒，脂质体显著改善药物的肿瘤摄取，减少体内非特异性器官分布，减少药物毒副作用，增加1O2生成率，改善疗效。

2.1.2 聚合物纳米颗粒 聚合物纳米颗粒由于良好的生物相容性和生物可降解能力在肿瘤治疗药物递送方面运用广泛，包裹了PS的聚合物纳米颗粒可以改善PS生物、化学特性，其表面可进一步修饰偶联成像剂、化疗药物或者官能团等，改善PDT疗效[11]。常用的共聚物有聚乳酸-乙醇酸共聚物(Poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA)、聚乙二醇(Polyethylene glycol，PEG)、聚ε-己内酯(Poly(-caprolactone)，PCL)等。例如Kumari等[12]利用共聚物PEG-PCL来运输疏水性PS二氢卟吩e6，共聚物包裹增加了PS的负载量和溶解性，甚至使PS表现了更高的肿瘤细胞摄取能力，1O2在靶细胞的产率增加，疗效改善。Chang等[13]利用甲氧基聚(乙二醇)-b-聚(丙交酯)(Poly(ethylene glycol)-b-poly(lactide)，mPEG-b-PLA)纳米颗粒包裹PS和西妥昔单抗，用于PDT和化疗协同治疗，聚合物胶束能够提高疏水性PS的负载量，减小对皮肤的光毒性，联合PDT和化疗增加肿瘤杀伤效率。

2.1.3 二氧化硅纳米颗粒 二氧化硅纳米颗粒(Silica nanoparticles)是PDT中常用的纳米载体，其生物相容性良好、有较大的比表面积和孔径、表面易于修饰和官能化，这些特性使得二氧化硅纳米颗粒可用于PDT中来改善PS性质，增加1O2产率[14]。在Zhan等[15]的研究中构建了磁性和pH双靶向的介孔二氧化硅纳米颗粒(Mesoporous silica nanoparticles，MSNs)，其大的孔径和比表面积能负载较多的PS玫瑰红，使得玫瑰红在肿瘤细胞内高度聚集，对正常组织的光毒性明显减小，提高1O2生成量，改善PDT疗效。最近，Xuan等[16]在MSN多孔中加载PS二氢卟酚e6和化疗药物阿霉素(Doxorubicin，Dox)联合PDT和化疗，并将红细胞模拟囊泡涂覆在MSN表面，提高了纳米颗粒的稳定性，延长PS和化疗药在血液内的循环，提高药物在肿瘤内的释放能力，提高1O2在肿瘤细胞中的产率，增强肿瘤杀伤。二氧化硅纳米颗粒有效解决了PS高度疏水性、负载量、稳定性和光毒性的问题，有效增强PDT疗效。

2.2 提高光源穿透组织的能力

近红外光(Near infrared light，NIR)比紫外光或者可见光有更强的组织穿透深度，对组织的伤害小，是进行PDT的理想光波段。以下是几种可用于NIR激活来提高组织穿透力改善PDT疗效的纳米材料。

2.2.1 量子点 量子点(Quantum dots，QDs)是具有独特的光学特性和电子特性的半导体纳米晶体，能被激光激活产生荧光，通过改变量子点的尺寸大小改变其发射光谱，其吸收光谱宽，发射带窄[17]。近年来出现了多种QDs-PS缀合物用于PDT治疗。Morosini等[18]合成了具有光敏性质的CdTe型量子点，在NIR激发下能够发射可见光并激活PS生成1O2，随着量子点的浓度增加显著提高了1O2的生成，从而改善疗效。有研究基于CdTe/ ZnS型半导体量子点构建了一个新型杂化纳米颗粒，其具有很大的光吸收能力，激光照射后显示了增强的荧光发射和1O2生成能力，改善了PDT组织穿透深度不足的问题[19]。

2.2.2 上转换纳米颗粒 上转换纳米颗粒(Up conversion nanoparticles，UCNPs)是一种在NIR激发下转换为紫外光或者可见光的发光材料，具有良好的物理化学特性和光学特性，发光寿命长，毒性低。通过掺杂不同的金属的UCNPs可以产生不同波长的光[20]，可改善光源穿透组织深度不足的问题。Hou等[21]构建二氧化钛包裹的UCNPs的纳米载体，经NIR激发UCNPs转换为与二氧化钛吸收相匹配的紫外光，促进1O2生成，有效杀伤肿瘤。除此之外，Zhang等[22]人将稀土掺杂的UCNPs与石墨烯量子点协同用于PDT，UCNPs在NIR下发射紫外光和可见光，进而激发量子点，提高1O2产率，显著抑制肿瘤生长。

2.3 提高肿瘤氧合水平增加1O2量子产率

2.3.1 全氟化碳纳米颗粒 化学惰性分子全氟化碳(Perfluorocarbon，PFC)的液体状态对氧有高亲和性，可作为改善肿瘤缺氧以提高PDT疗效的新手段。Cheng等[23]设计了基于PFC的自富集氧纳米颗粒，将PFC纳米颗粒作为PS的载体，在体内将氧分子拖到光敏剂附近增加肿瘤组织的氧水平，提高1O2的产率，改善PDT的治疗效果。另外，在Song等[24]人研究中同样得到了证明，纳米PFC作为氧载体成为克服肿瘤缺氧、提高1O2在肿瘤细胞的产率、改善疗效的有效手段。

2.3.2 氧化锰纳米颗粒 氧化锰(Manganese oxide，MnO2)无毒，具有良好的生物相容性，其纳米载体可以在肿瘤酸性微环境中分解生成Mn2+，并且分解H2O2产生大量氧气，肿瘤氧合水平大大提高[25]。因此，基于MnO2纳米材料研究是对PDT中改善肿瘤缺氧的新思路。Fan等[26]人的研究中设计了pH/H2O2响应的MnO2纳米片，与肿瘤组织中酸性H2O2反应产生大量的氧气，用NIR照射后1O2产率提高，疗效得到明显增加。同时，Liu等[27]构建了新的纳米载体，缀合多功能多肽、包封光敏剂的MnO2纳米颗粒，NIR照射后MnO2能够在富含H2O2的肿瘤组织中产生氧气，缓解组织缺氧来提高1O2产率，同样证明了MnO2纳米颗粒可以提高肿瘤氧合水平增加1O2产率。

2.4 联合其他治疗提高光动力疗效

2.4.1 联合光热治疗 光热治疗(Photothermal therapy，PTT)是利用光热转换效率高的吸光材料，在可见光或者近红外光照射下将光能转换为热能从而治疗肿瘤，常与PDT协同杀伤肿瘤细胞。

2.4.1.1 纳米金颗粒 纳米金颗粒(Gold nanoparticles，AuNPs)具有大比表面积、合成简单、低毒性和高生物相容性的特性，广泛应用于肿瘤治疗，常见的有金纳米棒(Gold nanorods，AuNRs)、金纳米星(Gold nanostars，AuNSs)、金纳米笼等。另外，AuNPs具有将光能转换为热能的独特光学特性，可用于PTT与PDT协同杀伤肿瘤。Freitas等[28]用PS酞菁覆盖的AuNRs治疗黑色素瘤，研究中PTT和PDT联合产生协同效应，杀死超过90%的黑色素瘤细胞。此外，相较于AuNPs和AuNSs，AuNRs具有更好的光热转换效应，Sun等[29]利用AuNRs和负载光敏剂Ce6的MSNR联合PTT和PDT杀伤肿瘤提高治疗效果。

2.4.1.2 碳基纳米材料 碳基纳米材料体积小、毒性低、易于功能化，在NIR窗口处光吸收强，有良好的光热转换效率，可利用PDT和PTT协同治疗肿瘤[30]，碳基纳米材料包括石墨烯、碳纳米管、富勒烯等。Gollavelli等[31]使用NIR单光源照射荧光石墨烯同时进行PDT和PTT改善其疗效，肿瘤细胞杀伤率可达到97.9%。另外，Li等[32]制备了氧化石墨烯(Graphene oxide，GO)-富勒烯C60杂化物，其显示了良好的溶解性和稳定性，在NIR照射后杂化物生成了大量的1O2，PDT和PTT产生协同效应有效杀伤肿瘤细胞。

2.4.1.3 磁纳米颗粒 磁性纳米颗粒是指具有良好磁导向性和光转换能力、比表面积效应的纳米颗粒，如常见的氧化铁纳米颗粒(Iron oxide nanoparticles，IONPs)等，研究中常在其表面包裹生物高分子材料来增加其在水中溶解度和体内生物相容性，常用于PDT、PTT和磁热治疗中[33]。Bhana等[34]利用具有优异的光热转换效能的IONPs和AuNPs复合纳米颗粒，在NIR和磁场作用下，靶向肿瘤细胞并联合PDT和PTT协同杀伤肿瘤。此外，有研究基于Fe3O4的纳米颗粒构建了负载PS吲哚花青绿和化疗药物多功能纳米平台，在NIR照射下，同时进行化疗、PDT和PTT，表现了良好的抗肿瘤效果[35]。

2.4.2 联合化疗、免疫治疗等治疗方法 除了联合PTT之外，多项研究在PDT中联合化疗、声动力治疗以及基因治疗等多种治疗手段来克服单一治疗的局限性带来协同效应，如Shi等[10]通过同时负载PS和化疗药物的脂质体纳米颗粒联合化疗和PDT，提高肿瘤杀伤效率。Li等[9]联合基因治疗和PDT治疗胃癌，胃癌细胞的杀伤率也显著提高。

3 小结与展望

纳米材料在PDT中的广泛应用为肿瘤治疗带来了新的希望。一些研究构建了集肿瘤的诊断、成像以及治疗的多功能纳米平台，有利于肿瘤的精准个体化治疗。然而，纳米材料在PDT中的应用现在还处于试验阶段，其存在一些问题，如在体内的生物分布、整体毒性、人体累积效应、缺乏明确药代动力学特征及制备、成本问题等。随着纳米技术、光动力学等领域的不断发展和进步，解决这些问题，使得PDT成为诊断、治疗肿瘤的重要方法。