基于碳纳米管的靶向超声造影剂在肿瘤中的应用进展

胡 琦，温朝辉

(哈尔滨医科大学附属第一医院神经内科脑超声室，黑龙江 哈尔滨 150001)

超声成像现已成为成熟的成像模式，具有非侵入、非电离、可实时成像等优点。为更好地观察特定组织，靶向超声造影剂应运而生。靶向超声造影剂是指能够与靶组织特异性结合并聚集的超声造影剂，相比传统超声造影剂具有更高的敏感度和特异度，可对早期肿瘤及转移病灶进行定位和显影，还可作为药物或生物分子的载体而用于直观评估治疗效果，实现从血管内成像到血管外成像、从单模态到多模态的转变，正在逐渐从单一成像造影剂向集诊断与治疗为一体的多功能造影剂发展。碳纳米管(carbon nanotube， CNT)具有独特结构和性质，可增强细胞对药物的摄取及靶向特异性[1-2]，用于各种生物工程、医学诊断及治疗领域；其固有的近红外(near infrared， NIR)荧光、拉曼和光声信号使其可作为非侵入性和高敏感的成像辅助工具[3]。研制基于CNT的集成像功能与治疗作用于一体的多功能靶向超声造影剂是当前超声医学研究的热点和方向。本研究对基于CNT的靶向超声造影剂在肿瘤中的应用进展进行综述。

1 CNT的特性

1.1 基本性质 CNT是由石墨烯片卷曲形成的中空圆柱形纳米结构，分为单壁CNT(signal-walled CNT，SWCNT)和多壁CNT(multi-walled CNT，MWCNT)，具有独特的机械性能及高比表面积、导电等属性。原始CNT具有疏水性，可在细胞和分子水平产生毒性[4]，但可通过表面修饰即氧化、硝化及酰化而被最小化。 通过表面活性剂涂层或与其结合，可以改善CNT的水分散性和生物相容性。

1.2 光声特性 光声成像(photoacoustic imaging， PAI)是快速兴起的成像模式，其检测对象是声音而非光，并将声音转换为二维或三维图像[5]。与传统荧光成像相比，PAI可避免成像中发射光的吸收和散射，增强组织穿透力及空间分辨率[6]。CNT在NIR区域具有强光学活性，并可产生强拉曼信号[3]，具有光声和回声性质；经激光照射后可显著增强超声显像，提高对肿瘤的诊断效能。CNT还可通过与其他吸收光的纳米结构或分子耦合进行增强PAI或多路PAI。XIE等[7]提出多功能白蛋白/氯霉素e6(chlorin e6， Ce6)负载的基于伊文思蓝(Evans blue， EB)/CNT的递送系统(简称ACEC)，ACEC处理后肿瘤区光声信号随时间而增加，而经游离Ce6处理者未发现明显的光声信号变化。WANG等[8]成功制备了基于吲哚菁绿(indocyanine green，ICG)-透明质酸纳米颗粒(hyaluronic acid nanoparticles， HANP)/SWCNT的纳米复合物(简称IHANPT)，并发现经IHANPT干预的肿瘤组织的光声对比度随时间推移而增加，而注射游离ICG后未见明确光声信号改变。NGUYEN等[9]研究证实，向猪膀胱组织注射与ICG结合的SWCNT后，其吸光度较注射未与ICG结合者增加20倍，光声图像对比度增加2倍，膀胱癌诊断效能提高。

1.3 生物相容性 在生物医学工程中，生物材料及其降解产物将不可避免地进入循环系统，与血液发生相互作用。作为新型造影剂的载体，CNT具有薄且长的纤维状形状，其纵横比(长度/直径)>3。根据WHO用于描述石棉纤维毒性的标准，CNT符合“纤维毒理学范例”[10]。ZHAO等[11]发现，经过修饰后，CNT的毒性明显降低，且长度<300 nm的MWCNT经聚乙二醇(polyethylene glycol， PEG)修饰后具有较好的生物相容性。YU等[12]指出，以壳聚糖及透明质酸修饰的SWCNT装载紫杉醇生成的复合物对A549人肺癌细胞系具有显著毒性，对正常细胞表现出低毒性，证实SWCNT具有良好的生物相容性。此外，RATHOD等[13]采用3-氨基苯基硼酸(3-aminobenzeneboronic acid hemisulfate salt， PBA)和碳二亚胺(carbodiimide， EDC)修饰CNT，使其溶血率降低，提示其具有良好的生物安全性，可作为多功能纳米载体用于靶向治疗肿瘤。

2 基于CNT的靶向超声造影剂在肿瘤中的应用

肿瘤新生血管结构不完整、管壁薄，其通透性显著高于正常血管[14]，成为超声造影的主要适应证。目前用于肿瘤的常规包膜微泡超声造影剂直径为2～4 μm，不能自由通过血管内皮，故仅能进行血管内成像，临床应用存在局限性。随着超声成像与分子生物学及纳米技术的结合，超声造影剂逐渐步入纳米级。纳米超声造影剂粒径更小、穿透力更强，能够自由通过血管内皮，经过靶向配体修饰，还可在靶区特定聚集[15]，实现肿瘤靶区的特异性显影及治疗。CNT为无机材料，具有高比表面积、高负载能力和易于修饰的特性，是成为靶向超声造影剂的理想材料。

2.1 功能化CNT的靶向性 目前治疗恶性肿瘤的主要方法包括手术、放射治疗、化学治疗及多种方法联合，但均不能保证在破坏癌细胞时不影响正常细胞。开发能靶向癌组织的纳米载药系统，以最大限度减少不良反应，提高细胞毒性药物的疗效和耐受性，是临床的急迫需要。YAN等[16]开发了新型主动靶向和pH值响应的MWCNT-PEI.Ac-FI-PEG-FA纳米系统，以叶酸(folate， FA)修饰阿霉素(doxorubicin， DOX)递送至肿瘤部位，对FA受体高表达的癌细胞具有高特异性和高亲和力。GU等[17]采用PEG和抗前列腺特异性膜抗原(prostate specific membrane antigen， PSMA)修饰MWCNT，与传统造影剂相比，经修饰的MWCNT具有更好的可视性和靶向性，能够更有效地靶向前列腺癌细胞。SU等[18]开发了基于MWCNT的双重靶向和共同递送系统——iRGD-PEI-MWCNT-SS-CD/pAT2，经体内外实验证明，该复合物具有良好的尺寸分布和较高的生物相容性，并表现出优异的靶向释放药物能力，具有高肿瘤特异性。

2.2 CNT的光热治疗 光热疗法(photothermotherapy， PTT)利用CNT在以NIR辐射激发时产生大量热量的特性，将NIR辐射转换为热能，通过光热消融杀死癌细胞。基于CNT的靶向药物递送载体，通过将化学疗法与PTT相结合，在癌症治疗领域显示出巨大潜力[19]。MARANGON等[20]发现，将CNT制剂注入肿瘤中，并将其暴露于NIR下，局部加热至52℃持续3 min，10天后肿瘤组织开始软化，提示CNT具有良好的光热治疗作用。WANG等[21]以SWCNT@BSA@Au-S-PEG-FA@DOX复合物处理肿瘤24 h，发现肿瘤生长受到抑制，而正常组织仅有轻微损伤。LI等[22]采用糖化壳聚糖修饰的SWCNT(SWCNT-GC)干预小鼠转移性乳腺肿瘤，通过PTT实现了肿瘤的完全局部消融。ZHANG等[23]成功制备了MWCNT-吉西他滨(gemcitabine， Ge)-香菇多糖(lentinan，Le)复合物，以808 nm激光对MWCNT-Ge-Le复合材料进行辐照，发现其具有良好的PTT作用，并与药物治疗具有很强的协同作用。

2.3 CNT的载药功能 纳米载药系统对肿瘤细胞具有高度靶向性，可形成肿瘤特异性生物分布模式、减少非特异性结合，将药物精准递送至肿瘤组织，显著降低传统化学治疗引起的毒副作用。药物载体系统包括脂质体、聚合物胶束、聚合物纳米粒子、聚合物-药物缀合物、纳米凝胶及CNT等[24]。CNT比表面积>1 000 m2/g，可为加载大量生物分子提供空间，药物负载量高，且能精准递送至细胞内。修饰后的CNT通过去除封端获得独特的内外表面，具有分散性好、不易聚集、细胞膜通透性高、载药量大及体内循环时间长等优势。YAN等[16]通过实验证实，FA修饰的MWCNT具有高药物载量和高达70.4%的包封率，且可降低游离DOX的不良反应。WANG等[21]通过制备pH和温度响应的SWCNT@BSA@Au-S-PEG-FA@DOX纳米系统，发现DOX药物加载率达590%。FALANK等[25]认为MWCNT可在不引起毒性反应的前提下将治疗药物递送至肝脏。SINGH等[26]制备了载有多西他赛(docetaxel， DTX)的转铁蛋白偶联MWCNT纳米系统，体外药物释放曲线显示其药物释放理想，且药物包封率高达74%。SOBH等[27]制备了MWCNT/Poly(MMA-co-HEMA)纳米复合材料，体外药物释放研究结果表明其可提高药物传递效率，从而提供长期可控的持续药物释放，并降低药物损失。

聚合物纳米复合物中MWCNT的存在使药物装载量及纳米复合物的热稳定性显著提高。纳米材料的开发有望为治疗肿瘤提供新的途径。采用纳米技术开发具有更好药理学特征的特异性载体，将在制药和其他生物医学领域得到更广泛的应用。

3 小结与展望

CNT具有独特的结构与性质，易于修饰，其良好的光声及光热效应等使其成为制备靶向超声造影剂的理想的纳米材料。靶向超声造影剂在生物医学领域蓬勃发展，但仍面临一些挑战：①基于CNT的靶向超声造影剂制备过程复杂，对显像和肿瘤治疗效果造成影响，制备方法有待优化；②如何以多重靶点修饰CNT，进一步提高对肿瘤的组织靶向性，以最小剂量达到最优治疗效果尚待研究；③CNT在治疗肿瘤的同时可能存在潜在的长期毒性，其在体内的安全降解有待观察。

超声造影剂正逐步向超声分子成像及靶向治疗方向发展，其与分子生物学和纳米技术有效结合，用于早期诊断及治疗肿瘤及转移病灶，是未来研究的方向。