分子超声及声动力治疗在乳腺癌诊疗中的应用研究

沈振宇，张盛敏，钱雪琛

根据2020 世界卫生组织关于癌症的统计，乳腺癌已成为全球发病人数最多的恶性肿瘤[1]。在乳腺癌治疗过程中，常规治疗面临许多挑战，如乳腺癌特异性不足、药物无法进入转移部位、肿瘤微环境水平耐药及药物物理化学特性不理想等[2]。随着分子超声及纳米材料技术的发展，上述这些挑战可以通过纳米药物的特性获得一定的改善，因此分子超声在乳腺癌治疗中的应用也越来越被重视。

1 分子超声的概述

超声分子成像是将目的分子特异性抗体或配体连接到超声对比剂表面构筑靶向对比剂，使其主动结合到目的区，进行特异性的超声分子成像。分子超声的机制之一是空化效应。当声压幅值达一定程度后，微泡可以在短时间内坍塌崩溃，从而产生冲击波、局部高温和高压及自由基[3-4]。

纳米技术和生物医学的进步极大丰富了研究者们构建多功能纳米微泡的能力，这些纳米颗粒将靶向诊断和治疗功能结合在一个纳米尺度的复合物中，使其在癌症的成像诊断及靶向治疗中的应用越来越广泛。与传统的药物相比，纳米制剂的优势在于更好的靶向性、通透性，较长的循坏半衰期及肿瘤的高通透性和滞留效应（EPR）等[5-6]。EPR 效应即大分子物质如蛋白、脂质体、纳米复合物，在实体肿瘤中表现出增强或选择性积累[7-8]。

分子探针材料的选择是多样的，例如纳米级脂质体、金属纳米粒子、纳米聚合物（如PLGA 粒子）及液态氟碳纳米粒等。通过调整纳米粒子和涂层材料的物理特性，药物、基因或者其他物质可以加入到纳米颗粒中。纳米粒子进入预定地点破裂、坍塌，局部释放治疗剂，进行超声介导的靶向物质递送治疗。此外，纳米粒可以通过靶向肿瘤免疫微环境（TME）的主要成分来改变TME 的免疫抑制环境。声动力治疗（SDT）通过超声激发产生活性氧（ROS）和改变肿瘤的TME来杀灭癌细胞。纳米粒子作为声敏剂可以增加SDT的治疗效果和精准度[4]，这使得SDT和纳米粒子在超声下具有很好的结合性。

2 纳米粒子与分子超声结合应用

2.1 纳米粒子与靶向化疗 分子超声与化疗药物（如阿霉素、紫杉醇等）的结合可以增加化疗药物对于乳腺癌的定点治疗作用[9]。有研究发现，紫杉醇与CXC趋化因子受体4（CXCR4）结合在纳米微泡上可以增加化疗的效果，具有特异性结合乳腺癌细胞，抑制肿瘤细胞增殖的能力[10]。

2.2 纳米粒子与光热治疗 光热治疗（PDT）是近年来肿瘤微创治疗的热点，由于光的穿透性有限，只适用于乳腺癌等浅表性肿瘤，且光热材料在肿瘤组织的积蓄度不够也是一大问题。纳米光热粒子与分子超声的结合，可以增加光热材料在靶肿瘤组织的集聚。Shen 等[11]制备了一种新型多功能纳米气泡作为分子靶向超声对比剂，用于准确诊断和辅助治疗，其将叶酸和IR-780 碘化物合成在纳米微泡上，IR-780 碘化物可用于PDT，吸收局部光，诱导热，也可作为癌症治疗的光活性材料，但其水溶性差，在肿瘤中的浓度低，通过改造后可以增加IR-780 碘化物在肿瘤中的浓度，在特定波长红外光诱发下进行光热治疗。在动物实验组证实，该方法不仅提高IR-780 碘化物的输送，而且降低其毒性。IR-780 通过靶向微泡在肿瘤部位积累，导致癌细胞凋亡，红外辐射后靶区域的肿瘤体积减小。

2.3 纳米粒子与基因治疗 基因治疗将外源性遗传物质转移到宿主体内，调节特定细胞的基因表达，是多种疾病，特别是肿瘤的潜在治疗策略[12]。超声靶向破坏微泡（UTMD）在基因传递方面具有很大的潜力。超声辐照下，在微泡的振荡和破坏的过程中，产生冲击波和负压可逆地打开血-肿瘤屏障，提高细胞膜通透性，UTMD 与携带基因的纳米颗粒结合可以通过增加纳米颗粒在特定区域的聚集来获得更好的基因传递效率[13-15]。Du等[16]将质粒DNA（pDNA）包裹在磁性介孔二氧化硅纳米颗粒（M-MSNs）的孔中。此外，携带目的基因的M-MSNs也被加载到脂质微气泡中，制作出具有良好的生物相容性、DNA 结合稳定性、超声成像性能和磁响应性。最终提高pDNA 的传递效率，可以无创地促进肿瘤基因的导入。

2.4 纳米粒子与SDT

2.4.1 纳米粒子作为声敏剂 SDT是一种很有前途的非侵入性治疗方式。与PDT 相比，SDT 具有更深的组织穿透、高精度、更少的副作用和良好的患者依从性等优势[17]。声敏剂指的是可以增强超声的细胞毒性作用的化合物，随着纳米技术的蓬勃发展，进一步促进了纳米颗粒超声增敏剂的发展，其可提高SDT疗效、结合亲和力和靶向特异性[18-19]。SDT过程中除了超声空化产生自由基和单线态氧外，机械压力会对细胞和组织造成损伤，声化学效应也通过SDT 在细胞中发挥重要作用。空化产生的能量可以激活声敏剂，按一定的顺序产生ROS和自由基。随着足够的ROS 和自由基的产生，一系列的生物事件可以被激活，包括DNA碎片、细胞骨架收缩和染色质凝结，导致细胞凋亡。Huang 等[18]利用聚乳酸共乙醇酸（PLGA）构建了一个PLGA负载的多功能叶酸靶向治疗纳米复合物（FHMPNPs），当FHMPNPs 暴露于一定强度的超声后，基于FHMPNPs 的超声增敏效应产生大量的ROS。体外细胞水平的评估和体内肿瘤异种移植实验都确定了FA配体介导的活性靶向，对肿瘤细胞具有高特异性。与非靶向NPs 相比，它在肿瘤区域实现了FHMPNPs的大量积累。此外，基于ROS 的生成，对肿瘤的治疗效果也被评估并证明是有效的。张茜等[20]通过制备聚乳酸/羟基乙酸共聚物（PLGA）包载声敏剂二氢卟吩（Ce6）和全氟戊烷（PFP）的相变型纳米粒来作为声敏剂，细胞实验检测其能抑制4T1乳腺癌细胞的转移。

2.4.2 纳米粒子对TEM 的影响 癌细胞可以利用许多机制来逃避免疫系统，如逃避免疫细胞检测，增加对细胞死亡途径的抵抗力或创造一个免疫抑制环境。免疫检查点蛋白可以在肿瘤细胞或免疫细胞群上表达，其通过灭活能够破坏肿瘤的免疫细胞来抑制免疫反应[21-22]。因三阴性乳腺癌（TNBC）的特殊病理类型以及雌激素受体（ER）、孕激素受体（PR）和人表皮生长因子受体2（Her 2）的表达缺失，靶向治疗对其没有效果，所以当前免疫治疗是三阴性乳腺癌的研究热门。纳米粒子在特定超声下的声动力效应与免疫疗法的结合引起了研究者的广泛兴趣[23-24]。SDT 激活声敏剂后，可以激活多种肿瘤免疫成分，改变肿瘤免疫环境，SDT 对TEM 会产生多种影响，导致各种免疫成分的活跃，并可能影响免疫抑制点的作用，降低肿瘤的免疫逃逸[20]。目前研究报道纳米粒子可以TME的成分，包括树突状细胞、巨噬细胞、成纤维细胞及肿瘤血管等。此外，纳米颗粒可能会影响TME 的异常结构和功能，从而减少耐药性的发展，放大化疗、放疗和光动力治疗的效果[25]。Yue 等[26]报道了一种基于整合纳米肿瘤增敏剂的无创SDT和检查点阻断免疫治疗的联合肿瘤治疗方法，其中脂质体作为共封装超声增敏剂[血卟啉单甲基醚（HMME）和免疫佐剂（咪喹莫德（R837）]的载体，SDT 与抗pdl1 联合诱导抗肿瘤反应，不仅可以阻止原发肿瘤进展，还可以防止肺转移。国内也有早期研究证实超声联合二氢卟吩e6 声动力能够特异性抑制乳腺癌细胞生长[27]。Wang 等[28]报道了3 例晚期乳腺癌患者，他们在常规治疗无效的情况下，使用了声动力和光动力疗法联合治疗（SPDT），所有患者均有显著的部分或完全反应。

3 总结

分子超声和SDT 与纳米粒子的结合有助于定点运送纳米粒子，使药物、目的基因等更好地进入肿瘤组织；也可直接造成细胞的破坏，组织的损伤；还可通过各种机制产生活性氧、自由基等各种细胞毒性物质，使细胞凋亡，或激活肿瘤免疫因子，改变肿瘤免疫微环境，对肿瘤进行免疫治疗。然而，在将分子超声与纳米粒子结合转化为临床实践的过程中，还有几个挑战要面临。首先，纳米粒子在癌症免疫治疗中的局限性在很大程度上归因于对肿瘤发生过程中免疫系统的有限了解。其次，纳米药物的治疗效果存在个体差异。考虑到不同肿瘤结构的异质性，不同肿瘤对同一治疗的反应差异很大。此外，纳米声敏剂使用时，超声的频率、强度和照射时间等特定参数仍需对特定肿瘤进行更详细的研究。纳米粒子和分子超声结合在生物医学中的良好表现，吸引了更多与癌症相关的前沿交叉学科的关注。我们相信，分子超声及SDT 不久将对癌症患者的治疗产生重大影响。