纳米光热剂在肿瘤诊断及治疗一体化的研究进展

刘勤敏综述，金观桥审校

0 引 言

光热治疗作为一种新型非侵入性的治疗技术，自20世纪80年代以来发展十分迅速。由于外科手术治疗、化疗、放疗或其联合治疗在肿瘤治疗中的局限性，光热治疗越来越被众多研究者所关注[1]。光热治疗的原理是首先通过靶向技术将光热治疗剂聚集于肿瘤组织或肿瘤细胞周围，再由光热治疗剂吸收光能(主要为近红外光辐照)并将其转换为热能之后，对周围肿瘤组织或细胞造成光热损伤，最终导致肿瘤组织的坏死或肿瘤细胞的凋亡[1]。当由光热治疗剂转换近红外光的温度达到41 ℃时，其周围的肿瘤细胞开始出现热损伤[2]。在乏氧环境下，中等度温度(41.8～45 ℃)的热疗即可对肿瘤细胞造成影响，在该环境和温度下的热疗不但不会引起肿瘤周围正常组织与细胞的损伤，而且还能协同增强放疗及化疗的疗效；然而，如果热疗温度进一步增高(45～90 ℃)，则会引起正常组织的热损伤，从而造成细胞凋亡[3]。目前用于肿瘤光热治疗的材料多为纳米材料[1]，Deng等[4]研究表明，合成的纳米复合材料不但可以运用于肿瘤的光热治疗，还可以用于肿瘤的靶向成像即肿瘤诊断。

1 各类纳米光热治疗剂的特点和诊断治疗一体化应用

用于肿瘤光热治疗的材料主要为各种纳米颗粒及其螯合物。一种好的纳米光热治疗剂应该满足：低毒性、高生物相容性、高近红外光吸收能力、高吸收截面积及直径在30～200 nm之间等要求[5]。纳米治疗剂主要可以分为四类：金属纳米治疗剂、碳基纳米治疗剂、金属和非金属化合物纳米治疗剂以及有机纳米治疗剂[6]。为了动态监测光热治疗中的光热转换效应，提高光热治疗的疗效，采用非侵入性的成像技术对光热治疗进行疗效评估是非常有必要的，其中，以应用磁共振成像技术较为理想[7]。近年来有学者提出了纳米治疗诊断平台这一学说[8]。Ban等[8]认为，为了构建纳米诊断治疗平台，所需功能物质的设计应当包括光热转换纳米材料、药物、靶向配体、成像造影剂及功能聚合物，以实现肿瘤诊断(成像)和治疗一体化。目前，各类材料均已被设计出多种多功能复合纳米材料，其在肿瘤诊断和治疗一体化的应用研究也越来越广泛。

2 金属纳米治疗剂

金属纳米治疗剂多数为贵金属纳米粒子，且以金纳米粒子为代表，如金纳米笼、金纳米棒等，其光学性能受其大小、形状和周围环境的影响较大[9-11]。金纳米粒子具有一种独特的性质，称之为表面等离子体共振，由于这一特性，金纳米粒子可吸收波长为650～900 nm之间的近红外光，并能有效地将光能转化为局部热能[12]。由于金纳米粒子固有的内在惰性，且具有较宽的核芯尺寸(1～150 nm)及较高的生物相容性等优势特点，使其易于制备并能用于合成纳米复合物[13]。大多数金纳米颗粒对人体组织和细胞没有毒副作用[14]，但MGC等[15]认为，侧链带阳离子的金纳米粒子是有中等毒性的，而侧链为阴离子的金纳米粒子则没有生物学毒性；Pan等[16]研究发现：表面覆盖三苯基膦苯磺酸盐的直径1.4 nm的金纳米球在一定剂量下存在细胞毒性，能够通过引起氧化应激造成细胞坏死；然而，当与这种化学结构成分相同的金纳米球直径达到15 nm时，其细胞毒性作用却并不明显。这些研究意味着金纳米粒子的生物学毒性与其表面所带电荷及纳米颗粒大小等因素有关。此外，同一浓度和结构的金纳米粒子，在体外实验研究中没有生物学毒性，但在体内实验中却能对实验动物产生致命影响[14]。

随着金属纳米治疗剂合成技术的不断改进提高，金纳米粒子依次经历了金纳米棒、金纳米核壳结构、金纳米星以及金纳米笼等不同形态的合成优化，其光热转换效率也得到了显著地增加[11]，如毕俊等[17]合成用于乳腺癌4T1细胞体外光热治疗的金纳米三角粒子，获得了良好的光热转换能力，在激光辐照下能迅速将光能转换为热能，杀死肿瘤细胞。由于金纳米粒子存在药物传递及靶向细胞表面配体的良好性能，使其在生物成像方面的应用也越来越广泛[18]。金纳米棒具有合成效率高、近红外光谱吸收系数高，以及可精确调节纵横比及光吸收范围等优点，已经成为目前生物医学领域应用最广的金属纳米治疗剂[12]。Shanmugam等[19]研究发现，金纳米棒具有各向异性结构，通过调节该结构上分别位于横、纵轴上的两个等离子体振子云的比例(纵横比)，可以改变金纳米棒的光吸收范围。当纵横比为4时，金纳米棒可吸收波长约为800 nm的近红外光。因此，当这种金纳米棒与波长为800 nm的激光辐照相结合时，即可吸收光子并将其吸收的光能转化为热能，最终达到消融周围肿瘤细胞的治疗目的。同时，由于金纳米棒具有体积小、易于合成、高吸收截面等优点，使通过金纳米棒研制一种用于CT成像引导下双模靶向放疗和光热治疗的多功能纳米探针成为可能[20]。Huang等[20]正是在金纳米棒表面包裹二氧化硅(SiO2)，再共价结合叶酸(folic acid，FA)，制成了GNR- SiO2-FA纳米复合物；该复合物不但能在体外细胞实验中通过光热转换作用杀死胃癌细胞，并且在体内动物实验中展示了良好的X线及CT成像能力及胃癌靶向能力，在胃癌的多模态纳米分子光热治疗、靶向放疗及CT成像中拥有巨大的潜能。有实验制备了由聚乙二醇包裹金纳米颗粒的纳米复合物作为对比剂用于CT成像，相对于传统的碘对比剂，该复合物具有在血液中的半衰期长、没有肾毒性等优点[21]。

3 碳基纳米治疗剂

研究用于光热治疗的碳基纳米治疗剂主要是石墨烯和碳纳米管[22]。石墨烯由sp2杂化的蜂窝状二维碳晶格组成[23]，由于其独特的结构，以及它与低频光子在红外线和太赫兹频率上的强烈相互作用，石墨烯在特定波长光(如近红外光)辐照下表现出等离子体效应，并通过随后发生的传输随机偶极子和共振，最终将光能转换成热能[24]。石墨烯具有较大的表面积及丰富的功能基团，相比其他纳米治疗剂能够更有效地进行表面修饰或共价结合其他化学基团，但其近红外光的吸收能力较差[22]；在其应用发展中，经历了氧化石墨烯、还原性氧化石墨烯及氧化石墨烯纳米复合材料等过程，其光热转换效能有了进一步的提高[24]。碳纳米管的结构实际上是两端开口或封闭的石墨烯圆柱体，按石墨烯的层数可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管[25]，目前被研究用于肿瘤光热治疗较多的是单壁碳纳米管[26-28]。虽然单壁碳纳米管的近红外光吸收能力较石墨烯要高[22]，但由于单壁碳纳米管的高度疏水表面，使其不溶于水，以及在制造过程中由于使用金属后污染而产生的毒性及不良生物相容性，使得通过优化单壁碳纳米管的理化参数或是将单壁碳纳米管以功能化复合物的形式存在，以期最大限度降低其生物毒性是非常有必要的[26]。另外，单壁碳纳米管还能够在近红外光辐照下抗肿瘤耐药，增强化疗药物在荷瘤小鼠体内的抗肿瘤作用[29]。

Yang等[30]在氧化石墨烯上螯合了超顺磁性铁锰纳米粒子(GO/MnFe2O4)，通过体内外磁共振成像实验表明， GO/MnFe2O4纳米复合物可以作为一种有效的磁共振T2加权成像造影剂。同时，由于该纳米复合物中氧化石墨烯的光热转换性能，其在肿瘤成像和光热治疗一体化的研究中具有一定的应用前景。相对于石墨烯来说，氧化石墨烯还具有一些与其不同的理化性质，如更大的表面积、高载药率、易于修饰以及更强的近红外光吸收能力，因此，氧化石墨烯在光热治疗的同时还可以协同化学治疗[31-32]，进一步提高肿瘤治疗效果。Wang等[33]在氧化石墨烯(graphene oxide,GO)表面螯合氧化铁纳米粒子(iron oxide nanoparticles,IONPs)，然后在其表面包裹聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)，制备GO-IONP-PEG纳米复合物，成功用于胰腺癌转移淋巴结的磁共振染色定位及光热治疗实验研究。Yang等[34]则利用还原性氧化石墨烯上制备了双模态rGO-IONP-PEG纳米探针，用于4T1乳腺癌细胞小鼠模型在磁共振成像引导下的光热治疗研究。

在复杂的生物系统中，碳纳米管的靶向传递作用非常占优势[35]，再加上碳纳米管独特的光学性能，因此，只要在碳纳米管中加入适当的成像造影剂，就可以通过一定的成像技术对肿瘤进行成像[36]，同时，还能进行肿瘤的光热治疗。Zhao等[37]利用单壁碳纳米管(single-walled carbon nanotubes,SWNTs)、聚多巴胺(polydopamine,PDA)、PEG及Mn2+合成了SWNT@PDA-PEG/ Mn2+复合物，通过4T1乳腺癌细胞裸鼠模型，验证了该纳米复合物不但能在磁共振T1及T2加权像中提高对比效应，而且利用单壁碳纳米管的近红外光吸收能力对裸鼠移植瘤模型进行光热治疗，有效地建立了基于碳纳米管的多模态治疗诊断纳米平台。Li等[28]的研究发现，单壁碳纳米管可以通过在肿瘤局部微环境中吸收近红外光，以协助肿瘤抗原的释放，从而提高肿瘤光热治疗的选择性。

4 金属和非金属化合物纳米治疗剂

相比前述两种纳米治疗剂，金属和非金属化合物纳米治疗剂具有成本低廉、低毒性、吸光能力强及光热转换效率高等优势[6]，且以硫化铜为代表。水溶性硫化铜具有较强的近红外光热转换效应，这种效应的产生源自于硫化铜的能带跃迁特性而非等离子体共振，再加上硫化铜固有的近红外吸收峰(D-D跃迁峰约在900 nm处)，使之成为理想的光热治疗剂[38]。然而，我们对硫化铜纳米治疗剂的生物学毒性所知较少[39]，Feng等[40]研究发现，当硫化铜纳米薄片的浓度高于100 μg/mL时，细胞活力即发生下降。因此，在肿瘤光热治疗应用中，优化硫化铜纳米颗粒的浓度、找到最适治疗剂量是降低生物毒性、保障其安全性行之有效的方法。Yang等[41]以牛血清白蛋白为生物模板，合成了具有生物相容性的综合钆-硫化铜纳米诊断治疗剂(Gd：CuS@BSA)，该合成物由于具有钆剂作为磁共振造影剂的特性，同时又兼备硫化铜的光热转换性能，因此，该复合物不但能够在磁共振上进行肿瘤成像，还能够介导光热治疗。

超微顺磁性氧化铁纳米粒子(super-paramagnetic iron oxide nanoparticles,SPIONPs)是世界上第一种纳米级磁共振T2成像造影剂，目前在临床仍在广泛使用[42]。近年来，氧化铁纳米粒子在光热治疗中的应用也越来越被众多研究者所关注。氧化铁纳米粒子是一种磁性纳米粒子，具有良好的磁性、生物相容性、生物降解性、易合成性以及易于调节和功能化等特点[5]，这些特性使其能够成为良好的光热治疗剂。但是，当裸露的氧化铁纳米粒子直接暴露于生物系统时，由于其各向异性偶极吸引以及快速的生物降解特性，使得氧化铁纳米粒子易于在体内聚集[43]。此外，氧化铁用于肿瘤光热消融时所需剂量较高[5]，因此，目前研究者多把氧化铁纳米粒子设计成多功能复合纳米治疗剂，在解决上述问题的同时，氧化铁复合纳米治疗剂还能应用于磁共振靶向成像与光热治疗一体化的研究[43-44]。由于光热治疗应用的不断研究，目前已经研究设计出了氧化铁-金纳米粒子的芯-壳结构。在这一复合纳米治疗剂中，金纳米粒子壳层构成该纳米复合物的光热转化部分，氧化铁核芯则作为该复合物的成像剂，用于磁共振T2加权成像，最终达到肿瘤成像(即诊断)与光热治疗一体化的研究目的[45]。Ju等[46]合成了集磁共振成像/多光谱光声层析成像/CT成像为一体的多模态成像光热剂——金-碳化二铁两面纳米粒子(Au-Fe2C JNPs)，在该纳米粒子表面共轭结合亲合体蛋白ZHER2:342后，能靶向到HER2基因过表达的人乳腺癌MDA-MB-231 细胞小鼠模型的肿瘤内，并有效通过磁共振成像/多光谱光声层析成像/CT成像引导下对乳腺癌移植瘤模型进行光热治疗，成功制备了多模态诊断治疗学纳米平台，促进了纳米光热剂在肿瘤诊断与治疗一体化的研究应用。

5 有机纳米治疗剂

前述三种纳米治疗剂均为无机纳米治疗剂。有机纳米治疗剂主要为各种染料类物质[5]，包括花青染料(如吲哚菁绿)、普鲁士蓝等，以及其他各种有机化合物如吡咯并吡咯二酮类、克酮酸菁类、卟啉类及各种聚合物等[47]。当有机物在光激发后，经过快速的内部转化到最低的激发单线态，激发单线态再通过非辐射驰豫衰减回基态，通常大多数有机物的热产生是由这种非辐射驰豫产生的结果[47]，由此，有机分子或材料可进行光热转换。相比于无机纳米治疗剂，有机纳米治疗剂具有化学结构更易于调整、更良好的生物相容性、更低毒性、更好的生物降解能力、易于从肾脏代谢等优点[47-48]，使其越来越受到更多研究者的关注，而且，由于有机分子中存在共轭大π键，使其具有很强的近红外光吸收能力，能够有效地对体内深部肿瘤进行诊断和治疗[48]。

Zhang等[49]利用卟啉-金属有机骨架在Fe3O4@C核上原位生长，制备了具有生物相容性的芯-壳纳米复合材料，用于肿瘤的光热治疗，这与前述氧化铁-金纳米粒子复合材料制备相似，合成的纳米复合材料均为芯-壳结构。Cai 等[50]利用中空多孔结构普鲁士蓝纳米分子(hollow mesoporous Prussian blue nanoparticles,HMPBs)装载锰离子(Mn2+)，制备了HMPB-Mn核壳结构纳米治疗剂，利用Mn2+能增强纵向驰豫率的能力作为磁共振T1对比剂进行磁共振成像，动态监测化疗药物靶向释放的疗效；通过体外4T1细胞实验还证实，HMPB-Mn具有良好光热转换性能，并能协同增强化疗疗效，有望成为诊疗一体化的多模态纳米平台。Cano-Mejia等[51]研究发现，基于普鲁士蓝纳米治疗剂的光热疗法能够降低肿瘤负荷并启动免疫应答，增加肿瘤区域的T细胞和淋巴细胞浸润，从而协同增强抗肿瘤作用。因此，基于有机分子和材料的纳米光热治疗剂有着更为广泛的应用前景。

6 结语与展望

光热治疗作为一种新兴的治疗手段，虽然较传统的肿瘤治疗方法有着更多的优点，但是近红外光的选择性较差、穿透深度有限[3]，因此对于体内深部肿瘤可能难以达到理想的治疗效果，这就对纳米光热治疗剂的靶向性能和吸光能力提出了更高的要求。金属纳米治疗剂在四类纳米治疗剂中体现出的诸多优势促使其被广泛研究，但是，由于金属纳米治疗剂多为贵金属纳米粒子，价格昂贵，增加了癌症患者的负担，势必会限制其在临床治疗方面的应用。碳基纳米治疗剂虽然成本低廉，然而石墨烯的低近红外光吸收能力以及碳纳米管制造过程中被金属污染后的生物学毒性这些缺陷，使得碳基纳米治疗剂需以纳米复合物的形式存在，从而增加了临床应用中的难度。而金属和非金属化合物纳米治疗剂以及有机纳米治疗剂不但成本低廉，而且具有低毒、近红外光吸收能力强、生物相容性高等优点，在肿瘤诊疗一体化的临床应用中有着巨大的潜力。

近些年来，由于纳米治疗剂的飞速发展，用于生物医学的纳米治疗剂也在不断更新换代，新的纳米复合材料不断被设计出来并用于体内外实验研究，推进了光热治疗剂诊疗一体化的研究热潮。相对于单一诊断或治疗而言，肿瘤的诊疗一体化体现出其明显的优势：它不但能够动态监测纳米治疗剂在癌组织中的富集与分布情况，而且能够及时反馈该纳米治疗剂在肿瘤治疗中的效果[52]，使患者获益巨大。但是，如何让纳米光热治疗剂实现在肿瘤中的诊疗一体化则需要解决两个问题：首先，所设计的纳米治疗剂必须含有光热组件和成像组件，光热组件用于光热转换即治疗，成像组件用于肿瘤成像即诊断；其次，所设计的纳米治疗剂能够靶向到肿瘤组织并在其中尽可能富集，以提高诊疗一体化的效果。因此，合理设计纳米治疗剂的结构、精准靶向肿瘤、优化纳米治疗剂的治疗浓度、调整近红外光辐照强度及时间是保证肿瘤诊疗一体化的重要前提，也是光热治疗在肿瘤诊疗一体化中亟待解决的问题。而纳米光热治疗剂在肿瘤诊疗一体化中的不断应用研究，也为人类战胜癌症带来了新的希望。