光声成像联合光热治疗在肝癌诊治中的应用进展

2023-06-14庄填宇焦嘉澎连韵钰方驰华黄振驹

分子影像学杂志 2023年3期

庄填宇，焦嘉澎，连韵钰，方驰华，黄振驹，曾宁

1南方医科大学第二临床医学院，广东广州 510282；2南方医科大学珠江医院肝胆一区//广东省数字医学临床工程技术研究中心，广东广州510282

肝癌在世界范围内发病率排名第6位，是癌症相关死亡的第2大因素［1］。在欧洲和美国，肝癌的5年生存率为18%，其死亡率仅次于胰腺癌［2］。中国肝癌患者的总体5年存活率仅为12%。虽然已经采取了各种诊断和治疗策略，包括级联筛查和免疫治疗，但肝癌的总体发病率和死亡率仍较高［3］。开发针对肝癌诊治的新型技术对于提高患者生存率及预防肝癌复发具有重要意义。光声成像结合了光学成像和超声成像的优点，能够有效地了解肝癌内部构造和代谢；基于靶向纳米探针的光热治疗有着精确和高效的优点，这两项技术的联合为肝癌的诊治提供一种有效的方法，且使用一种高效光声材料就能同时实现对早期肝癌的诊断和治疗［4］。本文主要对光声成像技术、光热治疗的基本概况进行介绍，综述了光声成像技术联合光热治疗所需的纳米诊疗剂分别在成像与治疗的作用，阐述了联合技术在早期肝癌诊治中的可行性和优势。

1 概述

1.1 光声成像与光热治疗

光声成像原理是用激光照射到生物组织上，引起组织局部温度的迅速上升进而引起热弹性膨胀，向外辐射出超声波，称为光声信号，计算机利用信息处理技术将接收到的信息重建为可视化的二维或三维图像。传统的超声成像通过分辨不同组织反射的回波和时间的关系来进行成像，其本质是利用生物组织之间的超声性质差异，虽然能提供更大的成像深度，但对比度和分辨率往往不尽人意；且肿瘤与正常组织的超声性质十分相似，需要借助超声成像剂实现高分辨率成像进行分辨［5］。光声成像技术解决了光学成像低深度和超声成像低分辨率的问题，且因其高兼容性得以与其他的医学影像技术相结合，组成多模态光声分子成像技术，进而开展更加精确的诊断与治疗，有着广阔的医学前景。

光热治疗以光热转导剂作为治疗媒介，利用各种靶向性识别技术主动或被动地使其在肿瘤组织富集，外部再加以组织穿透力较强的近红外光源照射，光热转导剂能将光线中的能量转化为热量从而使周围环境的温度升高。肿瘤血管发育不完善，无法像正常血管遇热扩张，让血流带走热量，所以肿瘤组织内温度更容易蓄积，使得温度高于正常组织，因此能够利用高温杀灭癌组织中的细胞［6］。除了直接杀灭癌细胞外，光热治疗还能抑制肿瘤的多药耐药性，降低癌症复发的可能性，提高化疗成功率，是一种高等特异性、精确时空选择性的高效非侵入性新型肿瘤治疗方式［7］。

1.2 诊疗一体化

诊疗一体化是将检测诊断、治疗以及监测治疗效果相结合的一种新型生物医学技术［4］。于肿瘤治疗而言，如果缺少成像技术对肿瘤的定位和对药物的引导，则难以实现治疗的精确性，且无法做到对疗效的监测。同时实现成像和治疗的纳米材料能够实现早期肝癌诊疗一体化平台，在精确定位肿瘤、清晰勾勒肿瘤轮廓后，在纳米材料在肿瘤中达到最佳聚集效果时通过近红外光照射使局部温度升高，诱导蛋白质变性和细胞膜破裂，并保持周围组织的正常［6,8］，同时还需要通过监控纳米材料和局部肿瘤微环境来判断疗效［5］。光声成像材料和光热治疗剂是有交叉的，当纳米材料在红外波段有强吸收和一定的光热转换效率，同时实现光声成像和光热治疗，该纳米材料就能应用于光声成像引导光热治疗的诊疗一体化中（表1）。特别是用于第二近红外区（NIR-Ⅱ）光声成像的纳米材料，相比第一近红外区有着更高的空间分辨率和信噪比，成像质量得到改善［8］。

表1 纳米材料在光声成像和光热治疗中的应用Tab.1 Application of nanomaterials in photoacoustic imaging and photothermal therapy

2 提高纳米材料在肿瘤的富集度的应用研究

光热治疗的疗效很大程度取决于纳米诊疗剂在肿瘤组织中的富集浓度，只有当肿瘤中纳米诊疗剂水平最高时激活光照治疗才能达到最好的肿瘤杀伤效果，而为了防止光热治疗过程中正常组织的损伤，应尽可能使纳米诊疗剂聚集在肿瘤组织中，降低循环中的纳米诊疗剂浓度［21］。光声成像能够把诊断肿瘤与实时监测纳米诊疗剂在体内聚集效果结合到一起，一些研究中指出，光声信号的强度和纳米诊疗剂的浓度呈正比，能够很好地描绘肿瘤的轮廓与范围［5,8］。纳米诊疗剂在体内代谢是动态的过程，注入体内后先会在循环中被单核吞噬细胞系统（MPS）消耗，未被消耗的部分再通过靶向作用在肿瘤组织富集，达到高峰后逐渐被代谢，通过肾脏、肝脏等方式被清除［22］。因此，提高光热治疗疗效重点在于实现纳米诊疗剂在体内长循环、靶向肿瘤部位和肿瘤内长保留［23］。

2.1 纳米材料的主动靶向

有研究指出，纳米诊疗剂在肿瘤中的富集依赖主动靶向和被动靶向两种方式[24]。后者的机制是纳米材料在肿瘤组织中的高渗透长保留效应（EPR），在后文将着重讲述。前者依靠的是结合在纳米药物上的官能团被肿瘤组织的靶点配体所吸引，进而达到主动靶向的目的。在肿瘤组织中，蛋白质、多肽、肿瘤微环境物质等都能成为主动靶向的标志物［24］。有学者研究合成PLACPDI NPs，通过特异性识别ASGPR受体进入人肝癌细胞株HepG2细胞［5］。通过PLAC-PDI NPs与HepG2细胞共培养并检测信号，发现光声信号强度提升了13.7倍。AFP是HepG-2的标志物，高振等［25］合成金纳米笼-量子点-Anti-AFP复合探针，通过抗原抗体反应使探针与肝癌细胞特异性结合，发挥靶向光热治疗杀伤作用。因此，开发肝癌细胞特异性标志物对研究纳米诊疗剂有很大意义。

2.2 纳米材料的被动靶向

肝癌肿瘤组织的EPR效应是针对纳米粒子而言的，适当大小的纳米粒子在肿瘤组织中有相比于正常组织更高的富集量和更长的滞留时间，其本质是肿瘤血管网和正常血管的差异。肿瘤细胞的增殖周边促进了新的、不规则的血管的快速发展，这些血管呈现不连续的上皮，毛细血管窗口大小200～2000 nm，甚至缺乏正常血管结构的基底膜［26-27］。而正常毛细血管窗口一般小于2 nm，因此尺寸在20～2000 nm的纳米诊疗剂更易富集在肿瘤血管网中［28］。肿瘤的EPR效应还能让材料被动靶向富集到肿瘤中，但一些研究表示单靠EPR效应进入肿瘤的小尺寸纳米诊疗剂，并不能使其在肿瘤中达到一个理想的治疗浓度［29］，因为小尺寸的纳米材料尽管有着更高的肿瘤渗透力，但清除速度较快，难以达到一个有效的治疗浓度，而大尺寸的纳米材料虽然能够在肿瘤中保留更长时间，但在循环中易被MPS系统清除。因此需要纳米材料在循环中有着小尺寸，进入肿瘤后则维持大尺寸，对于如此矛盾的问题，学者们利用小尺寸纳米探针聚集的方法来解决。有学者设计出了一款光敏金纳米粒子，可在激光照射下，金纳米颗粒之间发生强烈的耦合反应，通过光声成像和808 nm的激光照射，验证了交联型的金纳米颗粒聚集体相比于非交联的颗粒有着更强的光声信号和更高的光热转换效率［30］。此外，还有学者会利用特殊的肿瘤微环境使小尺寸的纳米诊疗剂在肿瘤中组合，实现纳米探针尺寸的智能调控［31］。

2.3 减少纳米组织在肿瘤外部位的消耗

全身给药的纳米粒子在到达目标并参与光热治疗之前往往会遇到许多生物屏障。这些屏障包括单核吞噬细胞系统的清除、穿透血管进入肿瘤、抵抗肿瘤中的肿瘤坏死因子扩散以及由于肿瘤内压力升高将肿瘤坏死因子排出肿瘤等。纳米诊疗剂最主要的清除原因是单核吞噬细胞系统，导致血液循环时间短，目前的解决办法多为纳米诊疗剂的表面修饰［6］。纳米诊疗剂的表面电荷是影响循环时间和肿瘤吸收的因素之一，但矛盾的是两性离子虽然增加了肿瘤的摄取作用，也使其更易被MPS系统识别吞噬，纳米粒子的电中性表面增加其在循环系统的稳定型，但也会阻碍肿瘤细胞的吸收［32］。有研究通过层层自组装技术，使Pt-Cu表面均匀覆盖带正电荷的聚赖氨酸和带负电荷的透明质酸，其电中性可以保护纳米诊疗剂不被MPS识别吞噬［8］，肿瘤组织中的透明质酸酶降解负电透明质酸层，使其电荷变成聚赖氨酸的正电，进入肿瘤细胞过程中易出现溶酶体逃逸现象，增加肿瘤细胞对纳米诊疗剂的摄取。聚乙二醇（PEG）化能够提高纳米诊疗剂在循环中的稳定性，但会降低肿瘤细胞的摄取量，被称为PEG窘境，且多次注射PEG修饰的纳米诊疗剂会增加血液中的抗PEG抗体，出现加速血液清除现象［33-34］。

3 光声成像技术联合光热治疗在肝癌治疗中的作用

3.1 调节肿瘤微环境

肿瘤周围和内部新血管的形成是肿瘤生长的关键步骤。血管生成增加了肿瘤的血液和营养供应，因此加速了肿瘤的生长，增殖和扩散。在正常的血管生成过程中，促血管生成信号和抗血管生成信号的平衡受到严格调节，因此新血管迅速成熟和稳定。然而，在肿瘤血管生成过程中，这种平衡没有得到维持，新的血管不断形成。基于这些差异，肿瘤血管生成是肿瘤诊断的重要标志［35］。而光声成像能够对新生血管形成和对微血管构筑进行成像，从而建立了一种研究肿瘤血管生成的方法。有团队通过将环精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）肽与GNS结合，连续激光照射验证了RGD-GNS对荷瘤小鼠的治疗能力。在RGD-GNS组中，肿瘤的分子印迹图像显示出显著增强的信号和更好的图像对比度。光热治疗后，RGD-GNS治疗组出现对比度降低和血管抑制的现象，而在对照组中，没有明显的变化［36-37］。

当肿瘤生长超出血液供应时，肿瘤的中心区域过度消耗氧气，且由于肿瘤血管网络的高度不规则性，无法向所有区域输送足够氧气［38］，从而导致缺氧的微环境。但肿瘤细胞能够激活新型通路，从而激活因子HIF-1α，使其不断适应所处的缺氧环境，并且促进肿瘤细胞的增殖，侵袭和转移，使得治疗效果不理想。此外，肿瘤组织处缺氧导致其能量代谢方式主要以无氧酵解为主，产生的乳酸因为肿瘤血管网络的不均匀导致蓄积，引起pH值下降［39］。恶性肿瘤细胞往往能够进行补偿过程并且驱动后期恶性程度更高的疾病的发生［40］。除了缺氧和低pH值外，肿瘤微环境中还原性谷胱甘肽和过氧化氢含量均比正常组织要高，因此有些研究人员会利用这样的特性来开发刺激响应型的纳米诊疗剂，从而实现纳米诊疗剂的“智能化”精确识别相应［41-42］。有学者新构建出的MONs@PDA-ICG纳米诊疗剂，可以在肿瘤微环境中释放氧气和Mn2+离子，产生的氧能缓解肿瘤缺氧，有效增强光动力疗法的治疗效果［23］。Zhou等［43］利用多孔中空普鲁士蓝纳米颗粒(PHPBN)作为葡萄糖氧化酶的纳米载体开发了一种肿瘤靶向多功能纳米平台，用于肿瘤饥饿和光热治疗联合治疗，PHPBN不仅在近红外区有较强的光吸收和良好的光热转换效率，且有过氧化氢酶的特性，改善肿瘤缺氧微环境，并放大Gox消耗氧气耗尽肿瘤组织中的葡萄糖引起的肿瘤饥饿效应，该效应抑制了光热处理后热休克蛋白的表达，降低肿瘤组织对光热治疗的抵抗力。另外一项研究合成了BM-PEG NSs，其能够通过消耗谷胱甘肽和通过Fe3+的高氧化性生成O2来调节肿瘤微环境，降低肿瘤的抗氧化能力，有利于活性氧介导的治疗。值得注意的是，BM-PEG NSs通过荧光成像、光声成像结合光热治疗对肿瘤的杀伤能力已经在体内和体外得到证实，是诊治肿瘤的有效手段［44］。

3.2 抑制肿瘤转移

到目前为止，用于抑制肿瘤转移的治疗方法主要包括手术、放疗和化疗，但这些方法对于已经发生癌细胞转移的患者，疗效是有限的。肿瘤细胞一旦远处转移，则很难进行根治性治疗，也很难做到完全治愈［45］。肿瘤为了自身生长和转移，会高度表达许多种酶。在肿瘤相关的多种酶中，基质金属蛋白酶（MMPs），特别是MMP-2和MMP-9，几乎能降解细胞外基中的各种蛋白成分，改变细胞间黏附，使肿瘤细胞发生侵袭转移。因此，设计对MMPs响应的纳米材料对于肿瘤转移的检测和治疗非常重要。基于此，有学者设计开发出了纳米探针Mel-AK-GC8和Mel-AZ-GC8。在肿瘤转移组织中，Mel-AK-GC8和Mel-AZ-GC8会聚集形成聚集体，导致热场重叠，使得光声信号增强，能够有效检测肿瘤组织的存在。同时，利用聚集之后的纳米探针的光热效应能够进行光热治疗，为中晚期肝癌的诊断和治疗提供了强有力的方法［46］。还有研究表明，碳纳米管不仅能杀伤肿瘤细胞，还可通过活化机体免疫系统从而抑制肿瘤转移。另有团队制备出的Au@Bi2S3-PVP/DOX纳米复合材料在抑制HepG2细胞迁移方面也具有很高的活性，能够减弱体内肿瘤迁移［47］。

3.3 联合化疗的纳米诊疗一体化

单一的肿瘤治疗手段并不能获得很好的治疗效果，不同的肿瘤治疗手段共同联用能够产生理想的协同作用[48]，特别是相对于以纳米诊疗剂作为基石的诊疗一体化而言，纳米材料的多样性和可塑性使其功能不仅限于光声成像和光热治疗，还能作为化疗药物的载体［48］。纳米诊疗剂和化疗药物相结合的新型纳米递送系统有以下优点：（1）通过纳米诊疗剂的靶向作用增加化疗药物在肿瘤中的富集，阿霉素和甲氨蝶呤作为化疗药物广泛用于肝癌，但由于缺乏特异性，在抗癌的同时易伤害正常组织［49］。有研究将阿霉素、透明质酸、甲氨蝶呤和吲哚菁绿相结合，利用甲氨蝶呤的叶酸受体靶向性和透明质酸的肿瘤靶向性使纳米诊疗剂能够靶向进入肿瘤，其吲哚菁绿成分则发挥光声成像监测药物富集情况和光热治疗增加药物杀伤力的作用［50］；（2）通过纳米诊疗剂的“智能”响应功能调节化疗药物释放，Yang等［51］设计了对肿瘤特有的酸性微环境响应的胺取代苝二酰亚胺衍生物，酸性环境触发化疗药物阿霉素的释放，同时也通过纳米材料的光声信号监测阿霉素释放的情况；（3）光热治疗能够提高化疗药物的杀伤力，通过光热治疗使局部温度上升到40.5～43.0℃时，化疗药物的细胞毒性作用能够得到最大程度的增加［52］，常用的化疗药像顺铂、卡氮芥、环磷酰胺的细胞毒性随着肿瘤局部温度升高呈线性增强［53］。

肿瘤多药耐药性是造成化疗失败的主要原因之一，因为ATP结合盒转运蛋白家族的P-糖蛋白过表达会显著抑制细胞摄取化疗药物［54］，并通过外排泵泵出化疗药物［55］。研究者发现光热治疗克服并逆转多药耐药性，通过高温引发线粒体功能障碍来抑制ATP生成能够克服多药耐药性，Tu等［56］建造线粒体靶向的石墨烯纳米平台，通过激光照射引起线粒体功能障碍，进而影响ATP产生，阻断多药耐药性。能够高效负载阿霉素和药物外排抑制剂的介孔聚多巴胺纳米颗粒能够有效靶向肿瘤细胞并减少P-糖蛋白将药物泵出［57］，且光热治疗本身的热量也能杀死耐药的肿瘤细胞［58］。