铋基纳米材料在癌症成像诊断与治疗中的应用

刘应兵 于文生 王进贤 董相廷 付振东 刘桂霞＊,

(1长春理工大学，化学与环境工程学院，长春 130022)

(2天津津航技术物理研究所，天津 300070)

0 引言

癌症是目前死亡率最高的疾病之一，其被有效地诊断和治疗对降低癌症死亡率具有重要意义[1]。目前，用于癌症诊断的成像技术包括上转换发光成像(UCL)[2]、磁共振成像(MR)[3]、电子计算机断层扫描(CT)成像[4]和光声(PA)成像[5]等，它们不仅可以在早期诊断癌症，还可以监测患者不断变化的疾病状态，为应对癌细胞的复杂变化提供了多种解决方案。在目前的临床治疗中，癌症的治疗方法主要有化学治疗(CTX)[6]、放射治疗(RT)和手术切除等，通过抑制肿瘤细胞增殖，取得了良好的疗效[7]。此外，还涌现了大量新兴的癌症治疗方法，包括免疫疗法[8]、基因疗法(GT)[9]、光热疗法(PTT)[10]和光动力疗法(PDT)[11]等，这些方法均具有很好的抗癌效果。将安全高效的生物成像技术和新型癌症治疗方法相结合，构建新型纳米诊疗平台，从而实现对癌症的诊断治疗一体化，是现代医学的一个重大研究方向[12]。近年来，已开发的综合癌症诊断和治疗的纳米平台包括：贵金属金(Au)基纳米材料[13]、碳(C)基纳米材料[14]、铋(Bi)基纳米材料[15]、半导体纳米材料[16]和有机纳米材料[17]等，在这些纳米平台中，我们课题组以前的研究工作主要集中在以贵金属基纳米材料和碳基纳米材料为主的多功能纳米平台的构筑上，主要合成了贵金属Au[18]、Ag[19-24]以及碳纳米管[25-27]和稀土发光材料、磁性材料复合得到的具有磁性、发光和光热转换性能的多功能纳米材料，并探讨了其在肿瘤诊疗、生物成像领域的应用，而Bi基纳米材料因其毒性可接受、价格低廉、具有高X射线衰减能力和近红外吸收系数，成为癌症诊疗体系很好的候选材料[28]。首先，较高的原子序数和X射线衰减系数使Bi基纳米材料成为理想的X射线计算机断层成像造影剂和X射线放射治疗剂[29]；其次，一些Bi基半导体可以被可见光或近红外(NIR)光激发产生活性氧(ROS)或热，可用于PDT、PTT和PA成像[30]。基于Bi基纳米材料良好的生物相容性，将其构建成癌症诊断和治疗于一体的纳米诊疗平台，对于推动纳米医学材料向临床转化具有重要意义。

本文聚焦于Bi基纳米材料在癌症诊断与治疗领域的最新研究成果，对Bi基纳米材料的安全性和构建方法进行了总结，详细介绍了Bi基纳米材料在生物成像诊断和癌症治疗上的应用。最后，对Bi基纳米材料的未来发展进行了总结和展望。

1 铋基纳米材料的构建

用于癌症诊疗的Bi基纳米材料的构建方法有很多，常用的有水热/溶剂热法、热分解法、离子交换法和模板法等。人们通过不同的制备方法，或复合其他材料，构建出各种Bi基多功能纳米诊疗平台，将癌症诊疗的多种解决方案集合到一个纳米平台上，进一步提升抗癌效果。例如，Cheng等[31]采用一步阳离子交换法，在氮气(N2)气氛下的烯胺(OM)和十八烯(ODE)混合溶剂中合成了FeSe2修饰的FeSe2/Bi2S3纳米片(图1a)，然后通过无螯合的方法用放射性同位素64Cu标记FeSe2/Bi2Se3-PEG(PEG=聚乙二醇)，实现了CT、MR、PA和正电子发射断层扫描(PET)四模式成像引导下的光热/放射协同疗法。Zhang等[32]采用溶剂热法，在聚乙烯吡咯烷酮(PVP)存在下，将Bi2Se3纳米粒子直接沉积在氧化石墨烯(GO)表面，构建了GO/Bi2Se3/PVP复合纳米材料，实现了计算机断层扫描/光声(CT/PA)双模式成像引导的光热治疗。Li等[33]采用水热法制备了PVP修饰的Bi2S3纳米棒，随后在Bi2S3纳米棒表面包覆了介孔二氧化硅(mPS)外壳，并将化疗药物阿霉素(DOX)负载到多孔壳中，再将Tam(HER-2单克隆抗体)通过PEG连接到Bi2S3@mPS上，最终形成Tam-Bi2S3@mPS/DOX复合纳米材料，实现光热/化学协同疗法(PTT/CTX)，其构建过程如图1b所示。Yu等[34]采用热分解法将铋和铜硫化物复合，制备了海胆状的Bi2S3/Cu2S/Cu3BiS3复合纳米材料(图 1c、1d)，其光热转换率达43.8%，高于已报道的大多数铜和铋硫化物基光热转换剂。Wang等[35]通过硬模板辅助多元醇法，以ZnS复合微球为牺牲模板，合成了类似海胆的 Bi2S3空心微球(图 1e、1f)，随后将芳樟醇(3,7-二甲基-1,6-辛二烯-3-醇，Linalool)和热敏性 1-十四烷醇(TD)加载到海胆状Bi2S3纳米球的内部，构建了TD/Linalool@Bi2S3复合材料，在808 nm激光照射下，能精确控制释放出负载的Linalool和TD，同时配合光热效应可以有效地杀灭革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌。Yang等[36]以纯金属Bi纳米粒子为内核，采用简单的一步化学氧化聚合自组装的聚吡咯(PPy)层为壳层，合成了Bi@PPy核壳复合纳米材料(图1g、1h)，与纯铋相比，其光热转换效率显著提高(从30.4%到46.3%)，并且具有良好的生理稳定性和生物相容性。

2 Bi基纳米材料的生物成像应用

研究表明，纳米药物经静脉给药之后，通过血液循环和高渗透长滞留效应(EPR)在肿瘤部位聚集，由于不同的理化性质，纳米药物的药代动力学彼此存在差异[37]。通常对于肿瘤的治疗来说，当纳米药物在肿瘤部位达到最大累积量时进行治疗会达到最理想治疗效果[38]。具有成像能力的治疗剂可以在静脉给药后实时监测肿瘤中纳米药物的富集情况，并为其治疗提供指导，称为成像引导治疗。因此，将成像技术与肿瘤治疗相结合，不仅可以监控肿瘤部位纳米药物的积累，实现活体水平的无损伤、实时成像[39]，还可以监测患者不断变化的疾病状态，为肿瘤治疗提供指导，更有利于个性化诊断和治疗方案的实施[40]。用于生物成像的Bi基纳米材料如表1所示。

图1 (a)阳离子交换法制备FeSe2/Bi2Se3纳米结构的机理方案[31];(b)Tam-Bi2S3@mPS/DOX复合纳米材料的合成示意图[33];海胆状Bi2S3/Cu2S/Cu3BiS3复合材料的(c)SEM照片和(d)TEM照片[34];Bi2S3空心微球的(e)SEM照片和(f)TEM照片[35];(g)Bi纳米粒子和(h)Bi@PPy核壳复合纳米材料的TEM照片[36]Fig.1 (a)A scheme showing the mechanism of the synthesis of FeSe2/Bi2Se3nanostructures via cation exchange[31];(b)Schematic diagram of the synthesis of Tam-Bi2S3@mPS/DOX composite nanomaterials[33];(c)SEM images and(d)TEM images of sea urchin-shaped Bi2S3/Cu2S/Cu3BiS3composite materials[34];(e)SEM images and(f)TEM images of Bi2S3hollow microspheres[35];(g)TEM images of Bi nanoparticles and(h)Bi@PPy core-shell composite nanomaterials[36]

2.1 计算机断层扫描(CT)成像

CT成像是利用不同的生物组织对X射线、γ射线的吸收能力不同，通过测定X射线的透过量，然后利用计算机对数位几何进行处理，最后重建出身体内部分区域详细扫描图像的技术[41]。目前广泛使用的CT造影剂主要是含碘的分子，但这些小分子在临床应用上存在易于被肾脏清除、呈现非特异性的生物分布、缺乏主动靶向性和引起机体的过敏反应等缺陷[42]。而纳米造影剂的出现，为克服这些缺陷提供了思路，因此人们把目光转向了包含高原子序数的金属元素(如金、铂、铋和钽)的纳米CT造影剂，以便于将来能在临床中替代目前使用的小分子造影剂[43]。其中Bi元素的X射线衰减系数最大(Bi：5.74 cm2·g-1，Au：5.16 cm2·g-1，Pt：4.99 cm2·g-1，Ta：4.3 cm2·g-1，100 keV)，原子数最高(Bi：83，Au：79，Pt：78，Ta：72)，在临床CT中有更合适的K边缘能量，因而受到人们的广泛关注[44]。目前用于CT成像的Bi基纳米材料主要有Bi、BiOI、Bi2Se3、Bi2S3和Bi2O3等。

Lei等[45]通过在相同浓度下，PVP-Bi纳米点与医用碘比醇的CT对比度对比发现：PVP-Bi纳米点的CT值更高，且随着浓度增加，PVP-Bi纳米点的CT信号增强得更加明显(图2A)。如图2B的活体CT成像显示，静脉注射后肿瘤周围CT信号在0～2 h内持续增强，平均CT值由注射前的30.3 HU逐渐增加到45.0 HU(1 h)和 48.0 HU(2 h)，并且注射后 24 h仍可在肿瘤部位观察到明显的CT信号(53.8 HU)，表明PVP-Bi纳米点可通过增强通透性和滞留作用在肿瘤内蓄积。

表1 用于生物成像的Bi基纳米材料Table 1 Bi-based nanomaterials used for biological imaging

图2 (A)PVP-Bi纳米点和碘比醇的CT值与浓度的关系和(B)荷瘤BALB/c小鼠的CT图像[45];(C、D)Bi2S3-PEG的CT图像、CT值和(E)小鼠注射Bi2S3-PEG纳米球前后的三维体内CT图像[47]Fig.2 (A)Relationship between CT value and concentration of PVP-Bi nanodots and iodobiol and(B)CT images of tumor-bearing BALB/c mice[45];(C,D)CT images and CT values of Bi2S3-PEG and(E)3D in vivo CT images of mice before and after injection of Bi2S3-PEG nanospheres[47]

除了纯Bi-NP(纳米颗粒)具有100%的Bi元素含量，是X射线吸收效率最大化的最好选择外，其它的Bi基纳米材料也具有较好的CT成像能力[46]。Li等[47]以Bi2O3纳米球为前驱体和牺牲模板，经聚乙二醇(PEG)表面功能化后，制备了Bi2S3-PEG纳米球。体外/体内CT图像表明，CT信号强度随着Bi2S3-PEG浓度呈线性增加趋势(图2C、2D)，并推算出X射线吸收系数为28.8 HU·mL·mg-1，远高于临床使用的CT造影剂碘普罗胺的吸收系数(16.4 HU·mL·mg-1)。并且，注射Bi2S3-PEG纳米球后能立即观察到来自肿瘤区的高对比度图像(图2E)。

2.2 光声(PA)成像

PA成像是基于光声现象发展起来的非侵入性成像技术，结合了光学成像和声学成像的优点，在保持较高空间分辨率的同时使组织成像深度达7 cm，已经在血管生物学、肿瘤学、神经病学和眼科学等多个领域展现了巨大的应用前景，受到越来越多的关注[48]。一般来说，光声造影剂和光热转换剂(PTAs)几乎拥有相同的理化性质，即用于光热治疗的PTAs通常能有效地用于PA成像[49]。目前用于PA成像的 Bi基纳米材料有Bi、Bi2Se3、Bi2S3、Cu3BiS3和Bi2O2Se等。

Song等[50]将对整联蛋白(αvβ3)具有良好靶向性的肽(RGD)与壳聚糖(CS)通过酰胺键连接，通过静电作用将CS-RGD复合物与Bi2Se3纳米片结合制备了超薄Bi2Se3-CS-RGD纳米片(NSs)。如图3a所示，从肿瘤组织中检测到纳米片的PA信号逐渐增加，并且在最初的6 h内肿瘤轮廓变得越来越清晰，表明纳米片在肿瘤处随时间积累。如图3b所示，瘤内注射与静脉注射相同浓度的Bi2Se3-CS-RGD纳米片后，来自肿瘤部位的PA信号持续长达6 h，并且注射48 h后可有效地排出体外。Wang等[51]通过牛血清白蛋白(BSA)介导的生物矿化过程制备的Bi2S3纳米球用于PA成像研究。由于BSA包覆的Bi2S3纳米球具有超小的尺寸和胶体稳定性，具有优异的血液循环行为，血液半衰期长达14.85 h，极利于肿瘤的摄取，为后续PA成像提供了有利条件。如图3c所示，注射前肿瘤部位PA信号较弱，在注射2 h后PA信号明显增强，并且24 h后仍然可以看到明显的PA信号。除Bi2Se3与Bi2S3外，其它具有强NIR吸收特性的Bi基纳米材料也可以用于PA成像，如纯Bi、Cu3BiS3和Bi2O2Se等，其中光热性能越好的Bi基纳米材料PA成像效果越显著，因此，可以通过提高Bi基纳米材料的光热性能来增强PA成像能力。

图3 (a、b)静脉注射和瘤内注射Bi2Se3-CS-RGD纳米片后不同时间肿瘤部位PA的变化[50];(c)静脉注射Bi2S3纳米球给4T1荷瘤小鼠后不同时间肿瘤部位PA的变化[51]Fig.3 (a,b)PA of tumor sites at different post-injection times of Bi2Se3-CS-RGD nanosheets with different injection modes：intravenous injection and intratumoral injection[50];(c)PA of the tumorous area recorded after intravenous injection of Bi2S3nanosphere into mice bearing 4T1 tumors[51]

2.3 上转换发光/计算机断层扫描(UCL/CT)双模成像

图4 (a)不同浓度PEI修饰的Bi2O3：Yb3+,Er3+纳米球和碘海醇的体外CT图像;(b、c)瘤内注射PEI修饰的Bi2O3∶Yb3+,Er3+纳米球前后荷瘤小鼠的活体CT图像，红色圆圈表示肿瘤的位置[54]Fig.4 (a)In vitro CT images of PEI-modified Bi2O3∶Yb3+,Er3+nanospheres and iohexol with different concentrations;(b,c)In vivo CT images of a tumorbearing mouse before and after intratumoral injection of the PEI-modified Bi2O3：Yb3+,Er3+nanospheres.The red circles indicate the site of tumor[54]

上转换发光(UCL)是指吸收2个或2个以上的低能稳态光子，通过能量转移而辐射高能光子的过程。稀土离子具有特殊的4f电子层结构，因此具有丰富的电子能级和能级跃迁，具有光、磁、放射性等功能[52]。以稀土上转换发光纳米材料为探针的发光成像具有很高的灵敏度，可实现小动物活体成像，但组织穿透深度不及CT成像。将上转换发光和CT成像结合起来，既具有高的灵敏度，又具有较高的组织穿透深度，实现从细胞到活体多尺度、多种目的、多功能成像。并且Bi3+与稀土离子的半径相近，具有相同的价态，加上Bi粒子良好的X射线衰减性能，某些掺杂有稀土上转换发光离子的Bi基纳米材料可以用作上转换发光/计算机断层扫描(UCL/CT)双模式成像探针[53]。Chen等[54]采用水热法制备了Bi2O3∶Yb3+，Er3+纳米球，在同等浓度下该纳米球比商用CT造影剂(碘海醇)具有更高的对比度(图4a)。注射Bi2O3∶Yb3+，Er3+纳米球之后，可以清楚地观察到肿瘤部位(红色圆圈处)的CT信号明显增强(图4b、4c)。并且，在980 nm激光的激发下，这些纳米球呈现出强烈的红色UCL，说明Bi2O3∶Yb3+，Er3+纳米球可以用于UCL/CT双模式成像。Lei等[55]通过溶剂热法合成了Yb3+/Er3+(Tm3+)共掺杂的NaBiF4上转换纳米粒子(UCNPs)，在980 nm激光激发下表现出强烈的UCL。并且，通过聚丙烯酸(PAA)改性还可以进一步提高UCL强度和UCNPs光学温度计的灵敏度，使得NaBiF4∶Yb3+/Er3+上转换纳米粒子还可用作具有高灵敏度的温度传感器。Zhao等[56]通过原位生长策略将小尺寸的Bi2Se3纳米材料与基于Ln3+的UCNPs偶联，不仅克服了纯Bi2Se3纳米材料的团聚现象，对A549癌细胞的体外研究还进一步证明了它们作为UCL/CT双模式成像造影剂的潜力。

2.4 磁共振/计算机断层扫描(MR/CT)双模成像

MR成像是目前最强大的医学诊断工具之一，它通过体外高频磁场作用，使生物体组织中的质子受到激励而发生磁共振现象，质子在弛豫过程中发射出磁共振信号从而成像；同时，它具有实时非侵入性的三维立体成像和连续成像特点，可以获得身体的深部组织或器官的断层图像[57]。按照弛豫方式，可分为T1加权造影剂和T2加权造影剂，其中T1加权造影剂以缩短质子的纵向弛豫效率(rl)为主，使磁共振信号增强，导致图像变亮；而T2加权造影剂以缩短质子的横向弛豫效率(r2)为主，使磁共振信号下降，导致图像变暗[58]。由于MR成像的灵敏度较低，将其与CT成像结合到一个系统上形成MR/CT双模式成像探针则可以克服这个局限[59]。目前用于MR/CT成像的Bi基纳米材料主要有Fe3O4@PDA@BSA-Bi2S3、GQDs-Fe/Bi和Gd-PEG-Bi等。

图5 (a)不同铁浓度的Fe3O4@PDA@BSA-Bi2S3的体外T2加权MRI图像;(b)不同处理小鼠的肿瘤MRI图像;(c)不同铁浓度的Fe3O4@PDA@BSA-Bi2S3的体外T2信号强度;(d)静脉注射(I.V.)或腹腔注射(I.T.)Fe3O4@PDA@BSA-Bi2S3与对照组相比的体内T2信号强度[61]Fig.5 (a)In vitro T2-weighted MRI picture of Fe3O4@PDA@BSA-Bi2S3NPs with the noted Fe concentrations;(b)Tumor MRI pictures of the different treated mices;(c)In vitro T2signal intensity of Fe3O4@PDA@BSA-Bi2S3NPs of varied Fe concentrations;(d)In vivo T2signal intensity of mice with intravenous or intratumoral Fe3O4@PDA@BSA-Bi2S3NPs injection versus control[61]

超顺磁性氧化铁(SPIO)纳米颗粒(NPs)是常见的T2型造影剂，由于其良好的成像性能和生物相容性，在癌症诊断和治疗中受到广泛关注[60]。Luo等[61]利用牛血清白蛋白(BSA)的羧基和聚多巴胺(PDA)的氨基之间的酰胺化反应，将Fe3O4@PDA与BSA-Bi2S3化学连接，合成了Fe3O4@PDA@BSA-Bi2S3纳米复合材料。在磁共振成像(MRI)实验中，将Fe3O4@PDA@BSA-Bi2S3纳米粒子静脉或腹腔注射给HT29荷瘤小鼠，定量T2-MRI图像会随着铁浓度的降低而逐渐变亮(图5a、5c)。而无论静脉注射还是腹腔注射，MRI信号强度分别下降了26.2%和36.4%，进一步显示了NPs突出的MR成像功能(图5b、5d)，结合Bi2S3强大的X射线吸收，实现了MR/CT双模式成像。Badrigilan等[62]通过热分解法制备了具有生物相容性的石墨烯量子点(GQDs)涂层的GQDs-Fe/Bi纳米复合材料。GQDs-Fe/Bi纳米粒子的X射线吸收系数为44.4 HU·mmol-1·L，远高于商业临床用碘。此外，由于铁纳米粒子的超顺磁性，在MR成像中表现出很高的性能，横向弛豫效率(T2)为62.34 mmol-1·L·s-1，即GQDs-Fe/Bi纳米粒子可以用于MR/CT双模式成像。

由于T2加权造影剂变暗的成像图片并不利于观察，在临床应用中具有一定局限性，而T1加权造影剂是通过图像变亮来增加MR成像的灵敏度，比如含钆(Gd)和锰(Mn)的复合物[63]。Wu等[64]制备了水溶性钆螯合功能化铋纳米球(Gd-PEG-Bi)。如图6a所示，将脑胶质瘤细胞(C6)与Gd-PEG-Bi共培养后，表现出对纳米球的高效摄取和MRI明显增强。纵向弛豫效率(T2)为4.9 mmol-1·L·s-1，且MR成像的亮度和信号强度随Gd（Ⅲ）浓度的增加而增加(图6c、6e)。同时，PA信号值与纳米球浓度呈良好的线性关系(R2=0.99)，线性范围为 0.625～10 mg·mL-1，斜率为597.6(图6b)。并且，Gd-PEG-Bi在不同浓度下也表现出很强的CT对比效应，CT值随浓度的增加呈线性增加(图 6d、6f)，即Gd-PEG-Bi纳米球具有MR/PA/CT三模式成像能力。大量具有多模式成像的Bi基纳米材料被陆续开发出来，说明Bi基纳米材料在生物成像领域仍具有巨大的潜力。

3 铋基纳米材料在癌症治疗中的应用

研究表明，纳米材料可以通过增强的通透性和滞留效应(EPR)在肿瘤部位以较高的浓度积累，并且可以在纳米材料的表面用不同的功能基团(如肽、蛋白质和其他生物分子)修饰，以减少通过网状内皮系统(RES)的非特异性摄取来增强纳米材料的蓄积[65]。此外，功能化纳米材料可以在使用内部或外部刺激(如pH和光)的控制方式下释放治疗药物，极大地防止了治疗剂在非靶标组织内的早期流出，减少了副作用，为临床治疗癌症带来了希望[66]。Bi基纳米材料由于毒性可接受、价格低廉、方便制备、高X射线衰减能力和高近红外吸收系数等优异性能而被广泛研究[67]。用于癌症治疗的Bi基纳米材料如表2所示。

3.1 放射疗法(RT)

图6 (a)不同浓度Gd-PEG-Bi纳米粒子孵育C6细胞的体外T1加权MR图像;(b)不同浓度Gd-PEG-Bi的体外PA图像、PA信号值和(c)体外T1加权图像;(d)不同浓度Gd-PEG-Bi的体外CT图像及相应的彩色图像;(e)Gd-PEG-Bi的纵向弛豫速率(1/T1)和横向弛豫速率(1/T2);(f)Gd-PEG-Bi和碘海醇在不同条件下的CT值[64]Fig.6 (a)In vitro T1-weighted MR images of C6 cells incubated with different concentrations of Gd-PEG-Bi;(b)In vitro PA images and PA signal values of Gd-PEG-Bi with different concentrations and(c)T1-mapping images;(d)In vitro CT images of Gd-PEG-Bi at different concentrations and the corresponding pseudocolor images;(e)Longitudinal relaxation rate(1/T1)and transverse relaxation rate(1/T2)of the Gd-PEG-Bi;(f)CT values of Gd-PEG-Bi and iohexol at different concentrations[64]

RT是目前已经广泛应用于临床的癌症治疗策略，它的抗癌原理是基于DNA在受到X射线、γ射线和带电粒子等高能辐射源照射后，受到辐射产生的二次电子和电离形成的以氧为中心的自由基的双重破坏(图7A)。Bi基纳米材料因其对X射线的高吸收能力和低毒作用，成为有潜力的辐射增敏剂[15]。Zhang等[68]提出Bi2Se3纳米粒子不仅可以在辐射下诱导肿瘤细胞DNA的显著损伤，还可以作为保护免受电离辐射的佐剂，起到恢复辐射引起的白细胞和血小板损伤的作用。Alqathami等[69]通过多室三维放射变色剂测量辐射与Bi基纳米材料的相互作用时发现，Bi2O3和Bi2S3都可以通过相互作用增强辐射效应。然而，由于放射疗法不可避免地会对正常细胞造成损伤，降低辐射增敏剂的用量，因而减少对正常细胞的副作用仍是重点关注的问题。通过延长血液循环，加强与肿瘤的相互作用和加载供氧材料是提高放疗效果的主要手段(图7B、7C)。Mao等[70]通过羟乙基硫代硒醚与氯化铋在水溶液中反应，制备了生物相容性好的BSA-Bi2Se3量子点，证明了在相同剂量的X射线照射下，BSA-Bi2Se3对癌细胞损伤的效果好于Bi2Se3。Hu等[71]将小型(BiO)2CO3纳米簇(BNC)组装成细长的中空(BiO)2CO3纳米管(BNTs)，用于放射治疗。他们发现BNTs、X射线照射和DOX的不同组合增加了细胞质和细胞核的ROS水平，其中BNTs/DOX联合X射线照射导致荧光强度显著增强，说明DOX可以刺激细胞内ROS的产生，提高放疗效果。

表2 用于癌症治疗的Bi基纳米材料Table 2 Bi based nanomaterials used for cancer treatment

图7 (A)癌症放射治疗方案和(B、C)提高Bi基纳米粒子放射治疗效果的策略[15]Fig.7 (A)Scheme of cancer radiation therapy and(B,C)strategies to improve RT efficacy of Bi-based nanoparticles[15]

近年来，降低RT的副作用是人们普遍研究的课题。Du等[72]制备PVP和硒代半胱氨酸(Sec)修饰的Bi2Se3纳米粒子(PVP-Bi2Se3@Sec)，治疗原理如图8所示，通过光热治疗改善瘤内血流，有效地改善肿瘤的氧合状态，从而降低肿瘤细胞的抗辐射性，提升放疗效果。更重要的是，这种纳米粒子在治疗后会逐渐降解，部分硒离子会被释放进入血液循环系统，而这些硒能提高超氧化物歧化酶和谷胱甘肽过氧化物酶的活性，从而恢复白细胞水平，修复骨髓DNA损伤，有效降低了RT对正常组织的副作用。该思路为降低RT的副作用提供了一个新的方向。

图8 基于PVP-Bi2Se3@Sec纳米粒子的治疗原理示意图[72]Fig.8 Schematic illustration of the therapeutic principle based on PVP-Bi2Se3@Sec nanoparticles[72]

3.2 光热疗法(PTT)

PTT是利用PTAs将光能转换成热能，局部产生热量杀死肿瘤细胞，从而有效治疗肿瘤的新方法[73]。PTAs的光热转换效率(PCE)是评价光热疗法抗癌效果的重要参数之一。另外，由于PTT具有高特异性、非侵入性和精确时空选择性的优势，且能直接根除原发肿瘤或局部转移到淋巴结中的癌细胞，是最有希望应用于临床的新兴抗癌方法[74]。目前，国内外用于PTT的Bi基纳米材料主要为Bi-NPs、Bi2Se3、Bi2S3和 Cu3BiS3等。

Yu等[75]用能靶向乳腺细胞(4T1)的氨基酸环肽(LyP-1)标记，以油胺(OAM)为还原剂和稳定剂制备了Bi-LyP-1纳米球，在1 064 nm激光(NIR-Ⅱ)照射下具有较高的光热转换效率(32.2%)和光稳定性，还表现出高的细胞摄取和肿瘤聚集。同时，Yu等[76]通过化学还原法制备了均匀的硫醇配体修饰的聚乙二醇-铋纳米球(Bi-SR-PEG)，并对Bi-SR-PEG纳米粒子与Bi-PVP纳米球和Au纳米棒的光热性能进行了比较，计算得到Bi-SR-PEG纳米粒子的光热转换效率为45.3%，Au纳米棒的光热转换效率为36.7%，Bi-PVP纳米球的光热转换效率为29.1%。由于硫与金属之间强大的化学吸附能，Bi-SR-PEG表面的巯基配体能阻止金属Bi核的氧化，从而使其具有良好的稳定性和近红外光吸收能力。结果表明配体修饰很有可能提高Bi基纳米材料的光吸收能力，从而提高光热转换效率，并为Bi基纳米材料提供更好的稳定性。

Bi2S3作为一种窄禁带(约为1.3 eV)半导体，已被人们用作光热治疗。2015年，Liu等[77]发现油酸(OA)包覆的Bi2S3纳米棒(OA-Bi2S3)不仅可以作为有效的光热治疗剂(PCE：28.1%)，还可以作为CT/MSOT/PA造影剂(MSOT为多光谱光声层析成像)来实现血管造影和器官成像，实时监测肿瘤情况。但Bi2S3纳米棒较低的光热转换效率会限制其临床应用，因此提高光热转换效率势在必行。Chen等[78]采用溶剂热法在富Bi缺S的条件下合成了Bi2S3纳米棒，并在其表面原位生长Au纳米粒子形成Bi2S3-Au异质结纳米棒，揭示了Bi2S3纳米棒(NRs)的光热性质与其本征深能级缺陷密切相关。当被近红外激光照射时，光诱导电子和空穴可以通过深能级缺陷进行非辐射重组，这些缺陷促进了声子的产生，最终产生热量(图9A)。而在Bi2S3中掺入金纳米点形成Bi2S3-Au异质结，增加了电子-空穴非辐射复合的机会，因为Au粒子介导的Bi原子置换S可以形成更多的BiS缺陷，同时更多的电子可以通过Au费米能级到达BiS缺陷，最终将光热性能显著地提高到了51.06%(图9B)。Dou等[79]将GO与Bi2S3纳米棒复合来提高光热转化效率，并以PVP进行修饰，制备的PVP-rGO/Bi2S3纳米复合材料可以分散在水和生理溶液中，具有较低的细胞毒性和良好的血液相容性。石墨烯不仅提高了复合纳米材料的光热转换效率(47.83%)，其大的表面积还可负载抗癌药物DOX，用于光热/化疗协同疗法，结合Bi基纳米材料固有的CT/PA双模成像，进一步提高了癌症的杀伤治愈效果。另外，Xiao等[80]采用溶剂热法制备了Bi2S3纳米材料，通过调节PVP的用量不仅可以合成纳米花和纳米带2种形貌，还可以改善Bi2S3纳米材料的亲水性和胶体稳定性。由于纳米花具有较低的带隙，表现出对808 nm处近红外光(NIR)极大的吸收增强，光热转换效率从纳米带的36.5%提升到了64.3%。

图9 Bi2S3和Bi2S3-Au近红外光谱在NIR(808 nm)照射下的光热机制[78]Fig.9 Schematic illustration of photothermal mechanism of Bi2S3and Bi2S3-Au NRs under NIR(808 nm)irradiation[78]

此外，Xie等[81]开发了Bi2O2Se量子点作为光热转换剂，他们对Bi2O2Se量子点的光热效应进行了评价，结果表明Bi2O2Se量子点在紫外(UV)和近红外(NIR)区域显示出宽而强的吸收，在808 nm处的消光系数为 13.74 L·g-1·cm-1，光热转换效率为 35.7%。同时，还制备了2种尺寸的Bi2O2Se纳米片，其粒径越小，Bi2O2Se的光热转换效率越高。最后，在4个周期的近红外激光照射后，仅观察到约1℃的轻微下降，显示出优异的光热稳定性。

3.3 光热/光动力协同疗法(PTT/PDT)

越来越多的研究表明，单一的治疗技术不足以完全消除肿瘤，也不能成功地抑制癌细胞的转移[82]。因此，将肿瘤的治疗从单一疗法转向协同疗法，以实现肿瘤的完全治疗，已引起越来越多的研究关注[83]。Zhang等[84]采用溶剂热法制备了Bi2WO6纳米粒子。在808 nm激光照射下，这些纳米粒子不仅可以通过PTT杀灭肿瘤细胞，而且可以在不消耗氧气的情况下产生·OH自由基来执行PDT，从而极大地抑制了传统PDT所产生的缺氧问题。MTT实验表明，用Bi2WO6内化的HeLa细胞检测808 nm光照射(1 W·cm-2)下的细胞存活率，单独PTT的细胞抑制率为10%，单独PDT的细胞抑制率为47.5%，而PTT和PDT联合作用导致细胞死亡87%以上，明显大于PTT和PDT单独作用的总和。Zeng等[85]以EDTA-2Na(乙二胺四乙酸二钠)为助剂，采用水热法合成了均匀Bi2S3纳米球，再结合光敏剂Ce6(二氢卟吩e6)和CeO2，制备了Bi2S3@-Ce6-CeO2纳米复合材料。体外实验表明，单独使用PDT或PTT时，都能在一定程度上杀死癌细胞，而Bi2S3@-Ce6-CeO2(660和808 nm的NIR激发)的协同治疗能有效消融几乎所有癌细胞，证明了PTT/PDT的协同抗癌的有效性。

Guo等[86]通过阴离子交换法将硫化铋(Bi2S3)包覆在碘氧化铋(BiOI)上，制备了BiOI@Bi2S3@BSA半导体异质结纳米粒子(SHNPs)。形成的异质结结构，可以减少电子-空穴复合，电子-空穴对可以通过电荷分离来提高自由基反应的效率，因此在X射线照射下产生ROS可以同时有效地实现光动力学治疗和增强放射治疗效果，实现了独特的RT/PDT/PTT三模式协同疗法。并且，SHNPs+NIR和SHNPs+X射线处理的细胞存活率分别为18.9%和15.6%，而SHNPs+X射线+NIR处理的细胞存活率仅为2.1%，证实了RT/PDT/PTT三模式协同效应具有显著的抗癌效果。

3.4 光热/化学协同疗法(PTT/CTX)

CTX是依靠药物作用来破坏癌细胞[87]。热疗可以提高肿瘤的蓄积效率和药物的毒性敏感性，而细胞内药物摄取的增加和细胞对药物敏感性的提高是细胞毒性增强的机制。虽然PTT足以完全消除原发肿瘤，但对转移性肿瘤细胞不起作用。因此，PTT/CTX不仅可以消融热效应介导的局部肿瘤，而且可以有效地抑制转移性肿瘤[65]。

Li等[88]以Bi2O3纳米球为前驱体，采用水热法合成了Bi2Se3纳米球形海绵。其大空隙率的多孔纳米结构为抗癌药物的负载提供了空间(负载率19.1%)，比Bi2Se3纳米片高了约6倍。相同浓度纯Bi2Se3和游离DOX对荷瘤小鼠的杀伤率分别为49.6%和60.9%，而Bi2Se3+DOX的热化疗杀灭率却可达86.3%。证实了单一的光热治疗不足以根除HeLa细胞，但可增强膜通透性和细胞代谢，从而有利于药物摄取并引发更多药物释放，促进了CTX/PTT协同疗法的共同抗癌效果。为了进一步提高纳米材料的载药率，达到更好的协同治疗效果，Li等[89]将介孔二氧化硅(mSiO2)包覆在Bi2Se3上，制备的Bi2Se3@mSiO2-PEG纳米粒子的载药率达50.0%，并且具有pH和NIR响应性药物释放功能。采用CCK-8法评价协同效应治疗效果，发现单一的Bi2Se3@mSiO2-PEG没有杀灭效果，负载DOX后杀灭效果达69%，再加以NIR后杀灭效果达75%，而同时施用杀灭效果则高达92%(图10A、10B)。另外，Wang等[90]通过电穿孔法将Bi2Se3纳米点和化疗药物DOX导入H22肝癌细胞(MPs)。协同效应实验表明，游离DOX和Bi2Se3+NIR治疗的肿瘤抑制能力较弱，这是因为治疗剂量低，肿瘤积聚较少，而Bi2Se3/DOX@MPs+NIR则显示出明显的协同光热化疗效应，对H22荷瘤BALB/c小鼠杀灭效果达到了97.73%，且小鼠体重没有明显减轻，表明协同治疗在体内的全身毒性可以忽略不计(图10C、10D)。

除了Bi2Se3和Bi2S3外，人们还开发了更多的用于PTT/CTX协同治疗的Bi基纳米材料。Zhou等[91]通过PEG介导的溶剂热法制备了Cu3BiS3空心纳米球。其较大的比表面积和负的表面电荷使Cu3BiS3对带正电的DOX具有良好的负载量，载药率高达60.8%。超高的载药率协同光热疗法使得几乎100%的HeLa细胞被有效杀灭，进一步表明了PTT/CTX协同疗法的巨大潜力。

图10 (A、B)不同浓度的Bi2Se3@mSiO2-PEG和Bi2Se3@mSiO2/DOX与Bi2Se3@mSiO2/DOX纳米颗粒孵育24 h后的细胞存活率和对近红外辐射的协同效应[89];(C、D)不同治疗方法对H22荷瘤BALB/c小鼠相对肿瘤体积和体重的影响[90]Fig.10 (A)Cell viability and synergistic effect on near-infrared radiation after incubation of Bi2Se3@mSiO2-PEG and Bi2Se3@mSiO2/DOX with Bi2Se3@mSiO2/DOX nanoparticles at different concentrations for 24 h[89];(C,D)Relative tumor volumes and body weights of H22 tumor-bearing BALB/c mice after different treatings[90]

4 铋基纳米材料的安全性

近年来，越来越多的Bi基纳米材料被用于生物成像和癌症治疗，所以其安全性需要高度关注。Bi是全球公认的一种非常安全的“绿色”金属，常温下在干燥和潮湿的空气中都是稳定的，且毒性极低，不会对人体产生不良影响[92-93]。自18世纪末以来，有机Bi基化合物，已被用于治疗各种胃肠道疾病，如胃炎、消化不良和溃疡[94]。最近，无机Bi基材料由于其独特的物理和化学性质，被用于癌症生物成像和治疗。Liu等[95]比较了Bi2S3纳米粒子对多种细胞系的细胞毒性，包括人胚肾293细胞(HEK293)、人肝癌细胞(HepG2)、人脐静脉内皮细胞(HUVEC)和人肺腺癌细胞(A549)。发现Bi2S3对人肝脏和血管的毒性最小，而对肾脏细胞具有特异性，这种毒性作用可以部分归因于Bi离子的释放，这是由于80 g·mL-1的硝酸铋具有较高的细胞毒性，而Bi2S3的细胞毒性较小。结果表明毒性作用归因于Bi离子的释放和细胞摄取的综合作用所致。Hwang等[96]对Bi2O3纳米粒子的毒性作用进行了研究，发现在人牙周韧带细胞中，含有25%(质量分数)Bi2O3的硅酸盐水泥与三氧化二砷矿物聚集体(MTA)或不含Bi2O3的硅酸盐水泥相比，在细胞存活率和炎症反应方面没有显著差异。并且Bi2O3可以满足ISO6876/2001对牙科材料放射不透明度的最低要求。

5 总结与展望

综上所述，由于Bi基纳米材料具有的强X射线衰减、窄禁带等独特内在特性，使其具有多种与癌症诊断和治疗相关的性能。我们介绍了在过去的几年中Bi基纳米材料的构建方法及其安全性研究成果，还重点介绍了其在生物成像和癌症治疗方面的应用。尽管众多科研人员在Bi基纳米材料领域已经取得了重大进展，但仍有一些挑战需要研究和解决，以促进其更好地应用于临床实践，例如：(1)目前该类材料尚未进行全方位的生物安全性评价；(2)肿瘤主动靶向蓄积能力差；(3)作为光热剂，其光热机理还不明晰；(4)除了 Bi、Bi2S3和 Bi2Se3，其它 Bi基纳米材料(如：BiVO4、Bi2WO6和 Bi2O2Se)研究较少。因此，未来应开发更安全的Bi基辐射增敏剂，提升放疗效果的同时显著降低对正常细胞组织的损伤，同时可以通过改变形貌等方式提升其光热转换效率，避免长时间照射可能引起的皮肤过热反应。特别是，将磁、光、热等多功能集于一体的Bi基纳米平台协同多模式疗法，并对其进行表面修饰，提高肿瘤主动靶向蓄积能力和易生物降解性，显著提升治疗效果，实现最大治疗收益和最小副作用相统一。