近红外荧光染料在泌尿系肿瘤研究中的应用

杨文杰，秦 靖，赵菊梅，师长宏*

(1.延安大学医学院，陕西 延安 716000；2.空军军医大学实验动物中心，陕西 西安 710032)

泌尿系肿瘤是指发生在泌尿系统的肿瘤，主要包括前列腺癌、肾癌和膀胱癌等[1]。据世界卫生组织报告，泌尿系肿瘤的发病率呈快速上升势头，由于大部分肿瘤发现时就已处于中晚期，相应的治疗手段有限[2]，导致其发病率和死亡率高居不下，临床上对于泌尿系肿瘤通常采取手术切除、放射治疗和化学治疗[3]，但这些治疗方式往往创伤大、不良反应多、易发生耐药，导致治疗效果欠佳[4]。近年来，近红外荧光成像作为一种新兴的生物医学成像模式颇受关注，近红外荧光具有组织干扰小，实时图像采集、高灵敏、无毒性和穿透能力强等优点，已广泛用于肿瘤基础研究和临床实践[5]。目前已开发了多种近红外荧光染料用于肿瘤的诊疗和靶向治疗，本文就近红外荧光染料在泌尿系肿瘤中应用的研究进展进行综述。

1 近红外探针用于肿瘤模型诊断

近红外荧光染料可以在700～1000 nm波长处诱导强烈的荧光，此区域生物组织背景荧光低，吸收弱，为肿瘤诊断提供了可能[6]。吲哚菁绿(Indo cyanine green，ICG)是目前唯一由美国食品药品监督管理局(Foodand Drug Administration，FDA)批准用于临床诊断的近红外荧光染料[7]，广泛用于鉴别良性或恶性肿瘤。传统的近红外荧光染料必须化学结合肿瘤特异性的靶向配体，例如代谢底物、细胞表面肽、生长因子抗体或肿瘤特异性的细胞表面生物标志物[8]。因此，这些成像只能检测有限数量的特定目标。而新型的七甲川菁染料因其具有双重成像和肿瘤靶向特性的杂环聚甲基花青素，可以优先聚集并滞留在不同类型的癌细胞中，无需化学结合即可实现靶向肿瘤细胞。因此该类探针已成为肿瘤成像和靶向治疗的理想实验工具，例如IR-780[9]、IR-783[10]、IR-808[5]和MHI-148[11]等。由于七甲川菁染料光学性能和成像效果良好，可利用该染料进行体内显影以确认癌症的发生，目前该方法已经应用于筛选人源性肿瘤组织异种移植模型，例如前列腺癌和肾癌等。研究发现IR-783可以实现肾癌及前列腺癌的近红外荧光成像，较之ICG优点更加突出，成像稳定，可以直接识别肿瘤细胞，无需连接靶向物质[12]。Yang X，等[11]研究表明IR-783及其同类物在体外可以被多种肾脏癌症细胞特异性摄取，从而对肾癌组织进行体内近红外荧光成像诊断。另外，IR-780碘化物能够实现前列腺癌细胞的选择性近红外荧光成像，在裸小鼠前列腺癌异种移植瘤模型中，该染料可以通过近红外荧光成像实现前列腺癌组织的体内成像诊断[6]。

早期诊断和术后随访的测试方法大多是创伤性检查，对患者往往会引起一定的痛苦。由于近红外荧光染料可以与多种类型肿瘤细胞结合，尤其是异常细胞如循环肿瘤细胞(circulation cancer cell，CTC)也可以被特异性吸收。研究证实近红外荧光染料识别血液中的肿瘤细胞，可用于体外细胞学检查，因此可用于肿瘤包括泌尿系肿瘤的早期检测，实现对肿瘤细胞的快速临床筛查。IR-783可以在体内和体外实现膀胱癌的选择性近红外荧光成像，在加入IR-783后，通过近红荧光外成像可以检测出混入血样及尿样中的膀胱癌细胞，可用于膀胱癌的临床筛查[11]。同时，IR780碘化物和IR-783可以有效识别混入血样中的前列腺癌细胞[6]。虽然血液中的循环肿瘤细胞如前列腺癌CTC数量非常少，但是应用纳米芯片技术可以实现检测血液中的CTC，从而对癌症的早期监测和治疗奠定基础。

2 近红外探针用于术中导航

近红外荧光成像技术通过使用荧光探针可对特定的活组织进行显像，在手术过程中获得血管、淋巴管和特定组织的实时视觉信息，发现传统方法无法识别的微小病灶，正确显示肿瘤边缘，帮助外科医生作出术中决策。该技术由于其操作简单、快速实时、安全无害，具有良好的应用前景[13]。目前，ICG已成功地用于肾切除手术过程中的实时观察，由于在正常组织中，ICG可以发出高强度的近红外荧光信号，而肿瘤组织因为血液灌注不良，导致没有荧光或只有微弱的荧光，这种差异使外科医生可以轻松地区分肾肿瘤组织和正常组织[14]。同时，ICG还可以对膀胱癌进行根治性切除，同时查看是否转移至前哨淋巴结。目前仅有ICG被美国FDA批准应用于临床，由于其缺乏肿瘤特异性，ICG的累积不仅局限于癌组织，还可能少量积聚在炎症组织及创伤区域，必须将ICG与特异靶向配体结合才能实现特异性，因此其应用受到限制[15]。甘氨酸-精氨酸-天冬氨酸(glycine-arginine-aspartic，RGD)结合形成的RGD作为一种多肽配体，可以特异性结合整联蛋白[16]。已有研究证明可以在多种癌症细胞中过量表达，同时具有调节癌症细胞生长、迁移以及血管生成的重要作用。刘玉伟，等[17]将ICG与RGD通过化学耦合得到膀胱癌特异性探针ICG-RGD，在体内实验中，ICG-RGD可高度特异且敏感地检测膀胱癌的肿瘤残留量，具有良好的光学稳定性和生物兼容性，通过近红外荧光成像下的术中导航技术可清晰地显示膀胱癌边缘并可切除<0.5 mm的微小肿瘤灶，表明其在近红外荧光成像在指导泌尿外科医师精确切除膀胱癌方面具有良好的应用前景。

3 近红外探针应用于肿瘤治疗

近红外荧光探针除了可以用作光学成像外，部分染料本身就是强效的光敏剂[18]，可用于肿瘤的光动力学治疗(Photodynamic therapy，PDT)，通过光照后使其释放活性氧类物质，从而直接杀伤肿瘤细胞[19]。另外，近红外荧光染料也可应用于光热治疗(Photothermal therapy，PTT)，利用近红外荧光化合物在近红外光照射之后产生大量热导致照射部位温度升高引起热损伤，最终抑制肿瘤细胞活性达到杀死肿瘤细胞的目的[20]。PDT及PTT联合疗法均已成为肿瘤局部特异性治疗的手段[21]。与传统治疗方法相比，PDT/PTT在癌症治疗中显示出独特的优势，包括高特异性、无创性和准确的时空选择性。IR-808具有光依赖性细胞毒性，在接受近红外荧光照射后，引起肿瘤细胞的光毒性，从而抑制细胞生长，呈现出抗肿瘤的PDT潜在效能[22]。IR-808DB作为IR-808的衍生物，在结构修饰后用作光敏剂，显示出更高的敏感性和对肿瘤细胞的PDT功效。Luo S，等[23]开发了一种小分子PS化合物，同时具有靶向肿瘤细胞线粒体、近红外荧光成像和PDT/PTT效应的功能。由于线粒体是重要的能量产生细胞器，易受热疗和过度ROS的影响。该小分子通过靶向线粒体，利用PDT/PTT效应，导致光疗功效的显著增强，达到抗肿瘤的效果。Min ho Park开发了一种靶向肿瘤细胞的近红外荧光团CA800SO3用于PTT治疗[24]。基于结构固有的靶向方法，这种新型的近红外荧光化合物显示出高的肿瘤靶向性，同时可以产生足够的高温和活性氧(Reactive Oxygen Species，ROS)，用于协同癌症治疗。Ma Y，等[25]合成了一种特定的针对肿瘤的小分子荧光团，用于同步肿瘤成像、PDT和PTT，与传统的近红外荧光团相比，这种新型的荧光团显著增强了对光漂白的稳定性，可以延长肿瘤成像时间并提高光疗效率。Tan X，等[22]设计合成的IR-808近红外荧光染料与肿瘤细胞结合后，进行光诱导时，可对肿瘤细胞产生光热杀伤效能。IR-780已被证明在肿瘤细胞的线粒体中特异性聚集，具有抑制癌细胞的生长、迁移和自我更新能力，其机制在于IR-780在线粒体产生了大量ROS，导致线粒体毒性和癌细胞死亡。目前，近红外荧光染料作为一种多功能的治疗诊断探针，在光动力学疗法中具有广阔的应用前景[22]。

4 近红外探针联合治疗

具有靶向肿瘤功能的近红外荧光探针已成为化疗药物递送和释放的重要工具。利用近红外荧光染料的靶向性可以实现药物特异性聚集在肿瘤部位，该方法可以实现在实时监测药物的治疗效能的同时进一步减少药物的用量，降低与药物相关的不良反应。多西他赛被用来治疗去势抵抗性前列腺癌[26]，Wu J，等[27]将IR-783和多西他赛耦合制备了一种新型近红外荧光化合物，该染料不仅拥有优异的成像功能，同时具备良好的抗肿瘤能力，可以显著抑制裸鼠模型中前列腺癌的生长，同时与单用多西他赛相比，该染料的毒性及不良反应明显降低。易小敏，等[28]合成的Abi-780是一种多功能近红外荧光探针，该化合物是将阿比特龙(Abiraterone，Abi)与近红外探针IR-780结合，用以提高Abi的抗肿瘤作用，实现前列腺癌的靶向治疗。Wu JB，等[29]将近红外染料和单胺氧化酶A基因抑制剂clorgyline耦联获得了一种新型近红外染料NMI，通过靶向肿瘤传递单胺氧化酶A抑制基团发挥抗癌作用，使NMI成为一种新型的抗肿瘤药物。将近红外荧光染料和抗癌药物偶联，产生的新化合物将同时发挥肿瘤的诊断和治疗效能，从而可以在实现治疗的同时监测治疗效果，而不需要后续复杂的功能性成像，改变了原有抗癌药物单一治疗或诊断的方法，从而实现癌症模型的诊疗一体化。

此外，多功能复合纳米材料在构建新型纳米颗粒型近红外荧光探针中也体现出良好的优势，这类纳米颗粒可以通过肿瘤病灶内微血管的高通透和滞留效应在肿瘤部位聚集[30]，在纳米颗粒中载有抗肿瘤药物或者增强治疗敏感性的药物，利用纳米颗粒独特的分子成像功能可实现高度选择性的靶向成像以及治疗。Quan B，等[31]将聚乳酸-羟基乙酸的共聚物与ICG结合构建纳米颗粒，显著增加了ICG的稳定性，减少了ICG的降解和荧光淬灭，并且增强ICG的近红外荧光特性，目前已成功应用于前列腺癌的治疗。此外，ICG和磷脂聚乙二醇的共聚物结合形成纳米颗粒之后，新的化合物具有近红外荧光成像以及光热治疗功能。经照射后可以显著抑制移植到裸鼠体内肿瘤的生长，并呈现抗癌能力。通过将磷脂纳米颗粒与近红外荧光染料DY682-NHS结合而形成的化合物可以特异性聚集在肿瘤病变中。接受近红外光照后，可以显著促进癌症细胞凋亡并破坏肿瘤血管生成[32]。

5 展望

近红外荧光染料作为一种新型的肿瘤诊断和治疗试剂，已成功应用于肿瘤模型的早期诊断以及治疗期间的疗效评估。针对该类染料组织穿透力较弱等问题开发筛选的近红外II区荧光(近红外荧光-II，激发波长1000-1700 nm)染料已成为分子影像研究的热点。II区荧光由于具有高组织穿透性、高空间分辨率以及可忽略的自发荧光等特点，使其在生物医学分子诊断方面更具优势。生物组织对光子的吸收和散射及自发荧光会随着波长的增加而减少，因此近红外荧光-II区域可以实现活体内深穿透、高质量的成像，从而大大弥补了可见光和近红外荧光-I区荧光成像存在的不足，开发性能优异的近红外荧光-II荧光探针目前已成为分子影像研究领域的热点和难点。近年来国内外科学家开发出系列性能优异的无机近红外荧光-II荧光纳米探针，例如量子点、稀土掺杂纳米粒子、碳纳米管等。由于荧光探针、成像系统等方面的限制，该波段的成像仍处于不断发展和探索之中，但是基于有机小分子的近红外荧光-II荧光探针在重大疾病的诊断与治疗等领域具有潜在的临床应用价值，存在着巨大的机遇和挑战。