纳米二氧化钛抗癌光敏剂灭杀肿瘤细胞的研究进展

徐丽霜，隋丽丽，葛欣，张俊

（1.沈阳医学院基础医学院临床医学专业2016级8班，辽宁 沈阳 110034；2.基础医学院化学教研室）

肿瘤光动力治疗法是指采用适当波长的光照射肿瘤细胞摄入的特定化学物质（光敏剂），经过一系列光物理、光化学及生理反应杀伤肿瘤细胞的方法。光敏剂的选择是光动力治疗的关键，随着现代生物医学研究领域的快速发展，光敏剂的研发引起人们的重视［1-2］。纳米二氧化钛（TiO2）作为新一代光敏剂的代表，具有较好的生物相容性、较高的光催化活性、良好的化学稳定性以及无毒性等诸多优点，在光动力治疗中显示出其巨大的优势与应用价值，是近年来医学领域的研究热点［3-4］。本文系统地阐述了纳米TiO2的晶型结构，作为抗癌光敏剂灭杀肿瘤细胞的工作原理及其研究进展，纳米TiO2光催化灭杀肿瘤细胞的治疗方法安全、微创，是现今具有应用前景和发展潜力的抗癌光敏剂之一。

1 纳米TiO2的晶型结构

纳米TiO2的晶型主要有锐钛矿型、金红石型、板钛矿型，3种晶相的基本结构单元都是相互连接的TiO2八面体，只是八面体的畸变程度和相互连接方式不同［5］。从热力学角度来看，板钛矿相TiO2晶型极不稳定，锐钛矿TiO2是亚稳定相，金红石相属于稳定相，焙烧升温的过程中TiO2会由锐钛矿型逐渐转化为金红石型。研究表明，肿瘤光动力治疗中TiO2光敏剂主要选用的是锐钛矿型和金红石型［6-8］。TiO2的晶相结构是影响其光催化活性的重要因素之一，控制纳米TiO2的晶相转变，制备出具有良好光催化性能的纳米TiO2产品，对光动力法治疗肿瘤细胞具有重要意义。

2 纳米TiO2光敏剂光动力灭杀肿瘤细胞的机制

肿瘤是正常细胞在外来和内在有关因素长期作用下出现过度增生或异常分化而形成的新生物质［9］。光动力治疗是通过光敏剂的光化学反应进行治疗，基于光敏剂对正常组织细胞和肿瘤细胞的亲和性不同，有选择性地只在肿瘤组织内进行光化学反应，达到灭杀肿瘤细胞的目的。光敏剂利用特定波长的光激发，在基态吸收光子后从激发单线态转变至激发三线态［10］。激发三线态光敏剂可作用于组织底物或氢原子或电子，其产物可再与三重态的氧分子作用形成氧化物，也可直接将能量转移给氧形成单线态氧，从而产生氧化活性分子，使有机体细胞或生物分子的结构和功能发生改变和破坏，积累的氧化损伤超过一定阈值时，这些作用就可杀死肿瘤细胞［11-12］。

纳米TiO2是一种N型半导体，锐钛型和金红石型的禁带宽度（带隙）分别为3.2 eV和3.0 eV，当用能量大于或等于禁带宽度的光照射纳米TiO2时，可激发价带电子向导带跃迁，形成高度活性的光生空穴电子对（e-）-（h+），光生空穴具有强氧化性，光生电子具有强还原性。在空间电场的作用下，电子和空穴被分离并迁移到TiO2颗粒表面的不同位置。TiO2若置于水中，则吸附于TiO2颗粒表面的水分子被光生空穴氧化，生成·OH、H2O2、HO2·等活性氧类，与多种生物大分子发生氧化反应，可攻击肿瘤细胞，达到杀灭肿瘤细胞的目的［13-14］。

3 纳米TiO2光敏剂灭杀肿瘤细胞的研究进展

20世纪 90年代，Fujishima等［15］首次开展了纳米TiO2抗癌光敏剂灭杀肿瘤细胞的研究，通过热解技术将TiO2薄膜沉积于涂覆有SnO2的玻璃片上，在TiO2薄膜上培养宫颈癌HeLa细胞，利用TiO2薄膜做工作电极，以Ag/AgCI和Pt分别作参比电极，电解液采用磷酸盐溶液。使用500 W高压汞灯照射TiO2电极，发现当TiO2电极电位为0.5 V时，TiO2电极上的HeLa细胞被完全杀死。之后他们又进行了光激发TiO2颗粒抗肿瘤活性的体内和体外实验，结果表明在体外光激发TiO2颗粒对HeLa细胞具有显著的杀灭效果，在体内具有显著的抗肿瘤效果。

黄宁平等［16］制备了超微粒TiO2溶胶，使用300～400 nm的长波紫外光为光源，以组织细胞淋巴瘤细胞U937为研究对象，经过光催化氧化后纳米TiO2对U937细胞有明显的杀伤作用，光照30 min后，细胞存活率几乎为0。

王浩等［17］应用TiO2光催化性能进行了灭杀宫颈癌Hela细胞的试验，结果证明，TiO2浓度在200μg/ml，紫外光照射50 min时，对宫颈癌细胞有明显的灭杀作用。

Zhang等［18］采用溶胶-凝胶法制备了 TiO2溶胶，研究光诱导纳米TiO2对人结肠癌细胞Ls-174-t的光催化杀伤作用，采用MTT法检测细胞活力，结果发现，纳米TiO2溶胶浓度在200～1 029μg/ml对Ls-174-t细胞有显著的杀伤效果；在1 000μg/ml TiO2存在下，紫外光照射10 min可杀死44%的细胞，紫外光照射30 min可杀死88%的细胞，表明当TiO2溶胶浓度一定时，紫外光照射时间越长，紫外光激发TiO2溶胶对Ls-174-t细胞的杀伤性越强。

许娟等［19］利用免疫方法把抗结肠癌细胞LoVo表面抗原CEA的抗体吸附在纳米TiO2粒子表面，抗体-纳米TiO2可自动吸附到LoVo细胞表面，利用电穿孔法使其进入LoVo细胞中，实验研究发现，在含有3.12 μg/ml抗体-纳米TiO2的细胞培养液内，紫外光强度为4 mW/cm2，只需30 min就可将所有LoVo癌细胞杀死；此法对不表达CEA的人正常皮肤细胞TE353.sk的杀伤力显著降低，显示该方法灭杀癌细胞具有很高的选择性。此方法可将生物和电化学技术联合，在纳米TiO2浓度很低的情况下提高了纳米TiO2灭杀肿瘤细胞的能力，方法简单可行，适用面广，发展前景良好。

夏春辉等［20］研究了纳米TiO2对胃癌SGC-7901细胞的杀伤作用，发现光激发纳米TiO2有明显的抑瘤效果，且抑瘤率较高，TiO2浓度为300 μg/ml时，其过程表现出类似一级反应动力学的规律，光激发纳米TiO2杀伤SGC-7901细胞的作用表现为细胞坏死和细胞凋亡两种形式。

张树超等［21-22］将层状钛酸盐 H2Ti3O7纳米纤维经过煅烧、酸性水热反应、高温及热处理等方式，制备出了新型的TiO2复合纳米纤维。然后将其加入宫颈癌HeLa细胞中一起培养，观察贴壁HeLa细胞在加入纳米纤维之后的形态学变化，发现TiO2复合纳米纤维具有很好的生物相容性，有向HeLa细胞内进行聚集的趋势而不改变细胞形态。利用MTT实验检测了HeLa细胞在光动力作用之后的增殖变化，利用流式细胞术检测了TiO2复合纳米纤维在光动力作用下对HeLa细胞凋亡的影响，发现当无光动力作用存在时，TiO2复合纳米纤维对HeLa细胞的增殖并无影响，而在光动力作用下，HeLa细胞的增殖明显受到抑制，细胞凋亡也显著增加。

4 小结与展望

纳米TiO2肿瘤光动力法是一种新型的癌症治疗技术，因为纳米TiO2稳定、无毒、对癌细胞杀伤能力强，且不会引起白细胞减少，这项技术在生物领域、医学领域等都有广泛的应用前景。随着纳米医学、生物和光学等学科的发展和融合，纳米TiO2肿瘤光动力法会成为临床肿瘤治疗的重要手段之一。纳米TiO2作为光敏剂有其突出的优点，但其缺点也不容忽视。此项技术在实施时要求一定的TiO2浓度，一定的紫外光照射时间，而且选择性杀伤的控制性不够强［23-24］。因此，如何稳定提高纳米TiO2可见光利用率及其对肿瘤细胞的选择性杀伤作用，有待于进一步的研究与实践。此外，在纳米TiO2制备和临床实际应用方面都需要进行技术创新，还需要对抗癌机制进行深入研究，以期提高纳米TiO2的光动力杀伤效果。