光热治疗在口腔鳞状细胞癌治疗中的研究进展

赵卓平 辛鹏飞 高阳 张彩凤 张宽收 刘青梅,

1.山西医科大学口腔医学院·口腔医院 太原 030001；2.山西医科大学第三医院（山西白求恩医院 山西医学科学院 同济山西医院）口腔科 太原 030032；3.华中科技大学同济医学院附属同济医院 武汉 430030；4.太原师范学院化学系 山西省腐植酸工程技术研究中心 晋中 030619；5.山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室山西大学光电研究所极端光学协同创新中心 太原 030006

2018年全球癌症统计数据表明，口腔癌是世界上最常见的十五大致死性肿瘤之一，约有177 344人死于口腔癌，占全球癌症总死亡人数的1.9%，严重威胁人类生命[1]。其中，超过90%的口腔恶性肿瘤为口腔鳞状细胞癌（oral squamous cell carcinoma，OSCC）[2]。目前，OSCC的常规治疗方法包括：手术治疗、放射治疗、化学治疗以及基于三者的综合治疗。然而，对于大多数患者并未获得令人十分满意的效果，并且存在明显的不良反应。传统热疗、基因疗法、免疫疗法和光动力疗法（photodynamic therapy，PDT）为常规疗法的补充，在一定程度上改善了OSCC的治疗效果。但其依然存在局限性，无法在临床中大量推广。近年来，利用光热转换剂（photothermal conversion agent，PTCA）将近红外光（near infrared，NIR）转化为热能来杀伤肿瘤细胞的光热治疗（photothermal therapy，PTT）引起了人们的极大关注[3]。PTT不仅具有非侵入性、靶向性、不良反应少等优势，还可与其他治疗手段联合产生“1+1＞2”的超加性疗效[4]，在OSCC的治疗中具有广阔的应用前景。

本文对OSCC的治疗现状、PTT的光热转换原理及在OSCC的治疗等方面进行综述，旨在为PTT在OSCC中的治疗提供理论依据。

1 OSCC的治疗现状

早期OSCC患者采用手术切除或者单纯放射治疗；晚期患者中适宜手术的患者可行手术治疗，术后择情辅助放射治疗或化学治疗，不适宜手术患者则采用放射治疗加化学治疗或者单纯放射治疗[5]。以上常规疗法虽然取得了一定的治疗效果，但都存在明显的不良反应。手术治疗在切除肿瘤组织的同时不可避免地会损伤邻近组织或其他解剖结构，造成咀嚼、吞咽、言语等功能障碍，同时也会造成不同程度的美观缺陷，影响患者身心健康以及正常社交[6-7]。放射治疗后患者可能出现口腔黏膜炎[8]、口干症[9]、放射性颌骨坏死[10]等并发症。化学治疗常作为治疗口腔癌的一种辅助手段，然而大多数化疗药物存在恶心/呕吐、脱发、贫血、感染易感性等全身不良反应[11]。采用常规治疗方法后，OSCC患者的5年总生存率（overall survival，OS）为50%～64%[12-14]，然而高达2/3的患者会复发，复发患者进行二次挽救性手术后的5年OS明显降低[15-16]。

除常规治疗方法外，传统热疗、基因疗法和免疫疗法也被应用于OSCC的治疗及研究当中。传统热疗具有微创、使用方便及不良反应少等优点，还可增强患者对放射治疗和化学治疗的敏感性而受到广泛关注[17]，被医学界称为“绿色疗法”。人们已经探索并创造了多种热疗技术用于OSCC的治疗，例如微波热疗[18]、超声波热疗[19-20]和激光热疗[21]等。然而，传统加热源对照射区域组织的升温效应不具有特异性，在杀死肿瘤细胞或消融肿瘤组织的同时对正常组织也会造成损伤，在治疗OSCC的临床应用中受到限制。基因疗法和免疫疗法都属于生物疗法，目前经食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准用于口腔癌治疗的基因药物主要为p53，免疫药物为抗程序性死亡受体配体-1（programmed death legend 1，PD-L1）单克隆抗体，它们在某些口腔肿瘤的治疗中取得了一定的成效[22-26]。但基因治疗技术复杂、价格昂贵且存在安全及伦理问题[27]；而免疫疗法仅对有免疫源性的肿瘤有效，且存在神经肌肉不良反应及肾毒性等[28-29]。因此，尚需开发新的疗法用于OSCC的治疗。

近年来，随着纳米医学和激光医学的发展，PDT和PTT作为新兴的肿瘤靶向治疗手段成为人们研究的热点。PDT的基本原理是：利用特定波长的光照射光敏剂（photosensitizer，PS），从而诱导电子转移产生单线态氧或活性氧等细胞毒性物质杀伤癌细胞[30]。由于PDT受药物扩散不均一、肿瘤内部乏氧等条件限制，仅在口腔浅表型肿瘤中具有较好的疗效[31-32]。与之相反，PTT的热扩散作用可以弥补药物在肿瘤组织渗透不均的弱点，不受乏氧环境的限制。另外，PTT使用的激光波长更长，该光的能量较低且具有更深的穿透深度[33]，可以用于深层次肿瘤的治疗。例如，已有学者[34]将PTT用于乳腺癌、前列腺癌及卵巢癌等的研究中，并取得了较好的疗效。受此启发，越来越多的学者开始将PTT用于治疗OSCC的研究中。

2 PTT的光热转换原理

目前研究中应用的PTCA属于纳米材料，经静脉注射后可以通过增强渗透和滞留（enhanced permeability and retention，EPR）效应在肿瘤组织内聚集[35]。当没有任何光照时，PTCA对细胞基本无不良作用。治疗时选择NIR照射肿瘤部位，PTCA会将光能转化为热能，使肿瘤细胞温度快速升高至热损伤阈值并持续一段时间，从而杀伤癌细胞。由于生物组织在波长为700～1 700 nm的NIR区域的吸收系数和散射系数最低，因此NIR可以达到较深的组织穿透深度并减小对正常组织的光损伤，被称为光学“生物窗口”[36]。基于此，理想的PTCA应对NIR有较强的吸收并将其转换为热能。国内外学者对光热转换原理做了许多研究，目前比较认可的机制主要包括：局域表面等离子体共振（localized surface plasmon resonance，LSPR）[37]和电子非辐射跃迁。

2.1 LSPR

LSPR是指当光线入射到金属纳米颗粒上时，若颗粒表面的自由电子谐振频与入射光的振动频率相同，产生的相干振荡就会触发电子的集体激发。激发的热电子和入射的电磁场形成共振，使颗粒内部的自由电子气体振荡，从而产生热能[37-38]。基于LSPR产生热量的PTCA大多数为贵金属纳米颗粒，例如金基纳米颗粒（包括金纳米球[39]、金纳米棒[40]、金纳米笼[41]等）、钯基纳米颗粒（包括钯纳米片[42]、钯纳米线[43]等）和铜纳米粒子[44]等。这些PTCA的吸光能力与纳米颗粒的粒径大小、形貌和介电性质等密切相关。此外，硫属铜基半导体纳米材料（如Cu9S5纳米晶体[45]、CuSe[46]等）和一些过渡金属氧化物（包括MoOX纳米片[47]、W18O49纳米片[48]等）等有缺陷结构的PTCA也具有类似的LSPR效应。这类PTCA的LSPR效应主要与载流子浓度相关，比贵金属纳米颗粒具有更好的光热稳定性。

2.2 电子非辐射跃迁

基于电子非辐射跃迁的光热效应与材料的本征吸收带隙或者共轭效应相关。某些半导体材料具有本征吸收带隙，在NIR照射下材料内部的电子吸收光子后从价带顶部跨过禁带跃迁到导带底部，在价带上产生空穴从而形成电子-空穴对。随后，电子回落至价带过程中的部分能量以声子的形式释放，从而引起晶格振动产生热量[49]。此类PTCA主要包括过渡族金属硫化物（如：MoS2[50]、Bi2S3[51]等）和硒化物（如：MoSe[52]、WSe2[53]等）等。碳基纳米材料和有机纳米材料的光热转换机制相似，这两类PTCA存在共轭π键分子轨道和π*反键分子轨道，价带与导带的能带间隙较小。在NIR照射下发生π→π*跃迁，激发态电子回落至基态过程中释放的能量引起晶格振动，导致材料温度升高[54-55]。目前研究较多的碳基材料主要包括碳纳米管[56]、石墨烯[57]和碳点[58]等。有机纳米材料包括近红外荧光染料[如：吲哚菁绿（indocyanine green，ICG）[59-60]等）、聚合物纳米材料（如：聚苯胺[61]、聚吡咯[62]和聚多巴胺[63]等）和腐植酸[64]等。与其他材料相比，有机纳米PTCA在体内更易降解，生物安全性更高，具有更大的临床应用可能性。

3 PTT治疗OSCC

3.1 PTT单独治疗OSCC

金基纳米颗粒具有较强的近红外吸收能力，并且可调控尺寸和形貌将其设计成不同的形状以提高光热转换效率。通过EPR效应，金基纳米颗粒可在肿瘤内靶向聚积，是PTT在OSCC治疗中常用的PTCA之一。例如，Afifi等[39]设计了一种直径为30 nm的金纳米球用于金黄地鼠颊囊癌的治疗。与对照组相比，PTT组肿瘤平均温度升为（6.9±1.0）℃，肿瘤大小减少了83%以上，动物的平均存活时间延长了4周。MacKey等[40]在体外实验中研究了不同尺寸的金纳米棒对口腔鳞状细胞癌的治疗效果，结果证明了大小为28 nm×8 nm的金纳米棒在NIR照射下获得了最佳的治疗效果，在2 min内可导致80%以上的口腔鳞状细胞癌的细胞死亡。除了金基纳米颗粒外，碳基纳米材料也可用作PTCA。Das等[65]以表面活性剂Triton-X为结构导向剂，以苯胺和吡咯为前驱体，成功合成了粒径为65～70 nm的富N-介孔碳纳米球。在波长980 nm的激光照射下，其光热转换效率高达52%，并可引起67%的人咽鳞状细胞癌细胞系FaDu细胞凋亡。

为了使PTCA更有效、更精准地富集在肿瘤组织，可以将针对肿瘤细胞特异性受体的靶向分子或配体固定在纳米颗粒载体表面。经修饰后的PTCA通过受体介导的内吞作用在细胞内传递，在较低激光能量或PTCA浓度下即可热杀伤肿瘤细胞。例如，叶酸受体在人口腔上皮癌细胞系KB细胞中表达水平较高，Mehdizadeh等[66]设计了一种叶酸偶联金纳米棒（folate-conjugated gold nanorod，F-GNR）颗粒用于靶向杀伤KB细胞。在NIR照射下，浓度仅为20 μmol·L-1的F-GNR即可杀伤56%的KB细胞，细胞存活率的降低主要是由于诱导了细胞凋亡。此外，多数恶性细胞胞膜上的抗表皮生长因子受体（anti-epidermal growth factor receptor，anti-EGFR）过表达，anti-EGFR抗体与PTCA偶联也可以增加PTCA对肿瘤细胞的亲和力，进而减少对正常细胞的损伤。Huang等[67]将金纳米棒与anti-EGFR抗体偶联，通过细胞实验表明：PTT引起2种人口腔鳞状细胞癌细胞系HOC-313和HSC-3的致死激光能量仅为正常人角质形成细胞的一半。将金纳米球与anti-EGFR抗体偶联用于口腔鳞状细胞癌的PTT治疗中也表现出了比较优异的疗效[68]。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列（arginine-glycine-aspartic acid sequences，RGD）广 泛存在于细胞外基质，可以与人口腔鳞状细胞癌细胞表面特异表达的某些整合素相结合[69]，进而将PTCA输送到癌细胞或肿瘤内部。Ali等[70]设计了一种RGD功能化的金纳米棒，在NIR照射下不仅实现了对口腔鳞状细胞癌细胞系HSC-3热杀伤效应，而且可以极大地重排细胞骨架蛋白，增强对癌细胞迁移的抑制作用。这种可靶向热杀伤癌细胞并抑制癌细胞迁移的治疗策略有望降低口腔鳞状细胞癌的复发率。

3.2 基于PTT的双模式疗法

3.2.1 PTT联合PDT PS在肿瘤细胞内传递和肿瘤内部氧含量是PDT治疗成功的关键。PTT产生的热量能够增加膜的通透性，从而增加肿瘤细胞对PS的摄取。此外，轻度热疗也可加速血液流动，增加肿瘤组织区域的饱和氧浓度。因此，将PTCA和PS整合到一个纳米结构中可产生协同增强疗效。孟加拉红（Rose Bengal，RB）是一种常用的有机光敏剂，Wang等[71]将RB分子与金纳米棒偶联，开发了RB共轭金纳米棒（Rose-Bengal-conjugated gold nanorod，RB-GNR）用于OSCC的治疗。RBGNR在810 nm激光照射下表现出良好的光热效率，在波长为532 nm的绿光照射下具有高效的单线态氧产生能力。在金黄地鼠颊囊癌模型中，PTT联合PDT治疗组的肿瘤抑制率达95.5%，明显高于单纯PDT治疗组（抑瘤率为46.5%）以及单纯PTT治疗组（抑瘤率为65.5%）。此外，注射RB-GNR后的金黄地鼠未观察到明显的全身毒性作用。

为了避免PDT和PTT之间的时间间隔，将吸光波长相近的PTCA和PS偶联，然后在单一NIR照射下共激活，可以实现PTT-PDT的最佳协同效应。Ren等[72]合成了一种有机化合物C3作为PTCA，该化合物的光热转换率与金纳米棒相当，并具有更好的光热稳定性和生物相容性。然后将C3和ICG包裹在纳米载体聚乙二醇-聚己内酯[poly（ethylene glycol）-poly（ε-caprolactone），PEG-PCL]共聚物中，形成PEG-PCL-C3-ICG共聚纳米颗粒。在808 nm激光照射下，PTT-PDT联合效应对HSC-3细胞的杀伤率高达67.5%。在荷瘤裸鼠模型中，PTT-PDT的协同作用几乎完全抑制了肿瘤生长，明显延长了裸鼠的寿命。同理，Chu等[73]将金纳米环（Au nanoring，Au-NRI）与有机光敏剂磺化铝酞菁（sulfonated aluminum phthalocyanine，AlPcS）偶联，合成的NRI-AlPcS纳米颗粒对舌鳞状细胞癌细胞显示出优异的PDT-PTT联合治疗效果。值得注意的是，此研究中采用的1 064 nm激光具有更佳的穿透深度和更高的安全阈值。因此，NRI-AlPcS纳米颗粒在OSCC的治疗中具有很高的潜力。

3.2.2 PTT联合化学治疗某些针对肿瘤的化学治疗药物在高温下显示出更高的细胞毒性。将PTCA和化学治疗药物整合到一个纳米靶向递药平台，通过光和/或热刺激促进化学治疗药物在肿瘤内释放，可以充分发挥PTT与化学治疗的协同作用，大大提高治疗效果并减少不良反应。Zhang等[74]合成了具有高光热转换率和高稳定性的共组装纳米颗粒（简称CPCI-NP），并将化学治疗药物阿霉素（Doxorubicin，DOX）成功负载到CPCI-NP中制成了CPCI/DOX纳米颗粒。在808 nm激光照射下，该纳米颗粒不仅表现出良好的光热性能，而且可诱导DOX在人口腔鳞状细胞癌细胞系OSC-3细胞内释放，提高了瘤内药物浓度。在体内实验中，该纳米平台介导的PTT联合化学治疗的协同效应可以高效消除口腔鳞状细胞癌原位移植瘤，28 d后肿瘤无复发且未观察到全身毒性反应。Xiong等[75]在乳酸-羟基乙酸共聚物[poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA）上负载全氟己烷（perfluorohexane，PFH）、ICG、基质细胞衍生因子-1（stromal cell-derived factor-1，SDF-1）和DOX，制备成靶向聚合物SDF-1/ICG/PFH/DOX/PLGA纳米颗粒，该纳米颗粒可选择性在人舌鳞状细胞癌细胞系SCC-15内聚集。在808 nm激光照射下，产生的热量刺激纳米颗粒释放DOX，在舌鳞状细胞癌淋巴转移的动物模型中取得了良好的治疗效果。Wang等[76]合成了一种新型的近红外探针TQTPA，并进一步将其与透明质酸和化学治疗药物顺铂整合为一种多功能纳米颗粒。该纳米颗粒具有良好的成像能力及靶向抗肿瘤效果，不仅成功勾画出小至1 mm的裸鼠原位舌鳞状细胞癌细胞系HSC-3和转移淋巴结的轮廓，而且实现了PTT和化学治疗的协同作用，使肿瘤体积平均缩小了82.78%。体内外实验证明了纳米颗粒具有良好的生物相容性和低毒性。该纳米颗粒在可视化的PTT联合化学治疗口腔原位鳞状细胞癌及淋巴结转移方面有很大的应用价值。

3.2.3 PTT联合放射治疗放射治疗对处于G2/M期的肿瘤细胞有很好的杀伤效果，但对缺氧和S期肿瘤细胞的敏感性差，是放射治疗后复发及转移的重要原因。PTT引起的升温效应不仅可以加速肿瘤内的血液流动从而增加肿瘤组织内氧含量，而且能抑制癌细胞经放射治疗损伤后的自我修复。此外，S期肿瘤细胞对热疗敏感。因此，PTT治疗后再行放射治疗，可产生显著的协同效应。Neshastehriz等[77]将金纳米颗粒与叶酸偶联合成了叶酸-金纳米颗粒（folate conjugated gold nanoparticle，F-AuNP）。该纳米颗粒可与表面高表达叶酸受体的人口腔上皮癌细胞系KB细胞靶向结合。KB细胞用浓度为40 μmol·L-1的F-AuNP处理并经过NIR和X线照射后，细胞存活率下降了66%，分别比单独PTT和单独放射治疗多下降了14%和11%。这些结果证实了PTT联合放射治疗可明显提高OSCC的治疗效果。

3.3 基于PTT的三模式疗法

如上所述，基于PTT的双模式疗法比单一疗法更有效。基于此，将3种治疗剂整合到同一纳米载体上，有望进一步提高治疗效果并减小不良反应。Xue等[78]将叶绿酸a、DOX和聚乙二醇整合为一种双尺寸/电荷可转换的特洛伊木马结构纳米颗粒，该纳米颗粒用于输送具有集成的双模式成像和三模式治疗功能的超小、全活性药物成分。协同的光热、光动力和化学疗法在皮下和原位OSCC模型上都实现了100%的完全治愈率。这种纳米平台具有强大的输送效率和多功能的热疗功能，在改善癌症治疗方面显示出巨大的潜力。

4 总结与展望

在现有PTT研究中，通过对PTCA的进一步改进，PTT已经从一种单一消融局部肿瘤的方式扩展到一种能够治疗局部肿瘤和晚期转移性癌症的方式。体内、体外的结果均表明PTCA介导的PTT可以获得良好的肿瘤治疗效果，但是性能差异较大，其生物学特性，尤其是关于注射后的毒性和转归，研究者还知之甚少。如何选用合适的PTCA应用于OSCC的治疗还有待进一步研究。但值得肯定的是，大多数有机材料具有良好的生物相容性且在体内容易降解。因此与无机材料相比，有机材料更有走向临床应用的可能。许多纳米材料增强PTT的细胞和动物实验果显示这将是实现OSCC患者长期带瘤生存或者彻底治愈的非常有前途的策略之一。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。