纳米颗粒介导的传输系统用于结直肠癌光动力治疗的研究进展

杨全林，李耀平

结直肠癌（colorectal cancer，CRC）主要是起源于结直肠表面黏膜上皮细胞的腺癌，现已成为第四大最常见和第三大最致命的恶性肿瘤［1-2］。对于晚期转移病人，5 年生存率仅为6%左右［3］。手术切除是结直肠癌的主要治疗方式，但手术切除可能会增加肿瘤扩散和转移的风险；放疗和化疗是晚期结直肠癌转移病人的治疗策略，但因特异性差常产生副作用和耐药［4-7］。此外，细胞治疗、基因治疗、免疫治疗和靶向治疗在结直肠癌治疗中也表现出了突出的潜力，但这些策略的成本和系统毒性常会限制其应用［8］，因此，迫切需要探索一种新型的非侵入性、对肿瘤细胞具有高度选择性和对正常组织最小毒性的治疗策略应对这些挑战［9］。光动力疗法（photo‑dynamic therapy，PDT）是一种很有前途的抗癌治疗方法，具有相对快速和准确的肿瘤杀伤特性［10-11］，已成为CRC 抗癌治疗的一种新的替代干预手段［12］，受到了广泛的关注。本研究就光动力疗法的原理、纳米颗粒在结直肠癌光动力疗法中的应用展开综述。

1 PDT

PDT是基于使用适当波长的光照射并激活定位于肿瘤组织或细胞中的光敏剂分子，通过光敏剂分子活化在肿瘤局部产生多种活性氧，活性氧能够启动氧化细胞破坏，并通过坏死、凋亡、自噬，以及产生肿瘤特异性免疫等机制杀死肿瘤细胞［13-15］。与目前常规治疗方式相比，PDT 的特异性依赖于：（1）定位于肿瘤细胞的光敏剂；（2）精确且适宜波长的光激活光敏剂；（3）光敏剂活化后肿瘤周围分子氧含量［16］；即PDT 疗效取决于光敏剂、分子氧和光活化的结合［17］。其中，光敏剂的定位及聚集尤为关键。在临床肿瘤学领域，已有多种PDT 方案被常规使用［18-19］，但由此也暴露出PDT 过程中的一些缺点：（1）治疗中常用的光敏剂常为疏水分子，不易于癌肿富集；（2）使用现有光敏剂进行治疗后存在一定时间的皮肤光敏性，须采取避光措施；（3）光敏剂缺乏靶细胞特异性；（4）常规光照（600~700 nm）光线穿透有限，未能直达肿瘤部位［12，15］。因此，研究新的光敏剂和新的给药方法仍然是当前的挑战，纳米颗粒介导的光敏剂传递系统应运而生。

2 纳米颗粒（nanoparticles，NPs）

NPs可以被视为是原子、分子或离子的集合，大小通常介于1~100 nm，且往往具有较大的表面积与体积比［20］。根据组成、大小和形状的不同，通常将其分为硬纳米颗粒和软纳米颗粒［21］，即无机纳米颗粒和有机纳米颗粒。研究发现，纳米颗粒主要通过被动靶向及主动靶向介导传递过程［22］。目前，用于辅助CRC 治疗药物传递的无机纳米颗粒包括金属、金属氧化物、碳、量子点（quantum dots，QDs）、二氧化硅等，有机纳米颗粒包括脂质体、聚合物胶束、树突分子、聚合物NPs和聚合物共轭物等［20，22-23］。在过去几十年里，NPs 由于其独特的物理化学和生理特性，受到了广泛的关注，作为一种独特的纳米载体，已被证实在纳米诊断、纳米治疗及再生医学中应用广泛［24］。有研究［25］表明，使用NPs 作为载体进行药物递送具有以下优势：（1）规避抗癌药物的溶解度和稳定性问题；（2）防止药物被蛋白酶和其他酶降解，并增加药物在体循环中的半衰期；（3）改进药物的分布和针对性；（4）通过靶向定位帮助药物持续释放；（5）帮助多种药物的递送，有助于降低耐药性。这些优势的存在弥补了PDT 过程中的关键不足。NPs超大的表面体积比可以增加其与光敏剂的表面相互作用并提高其承载能力，从而改善光敏剂传递浓度，增强癌细胞的被动或主动摄取，便于光敏剂在癌细胞内富集；此外，以NPs 为载体，将光敏剂锚定在NPs 上，可以提高光敏剂的稳定性和溶解度，减少光毒性和增强靶向细胞的光敏剂传递，改善PDT 治疗效果，减少不必要的副作用［15，26］。这为纳米颗粒介导的传输系统在结直肠癌光动力治疗中提供了理论支撑。

3 纳米颗粒介导的传输系统与结直肠癌光动力治疗

3.1 无机纳米颗粒

3.1.1贵金属 自古以来，贵金属纳米颗粒就被用于治疗麻疹和溃疡等疾病。相较于用于电子和半导体邻域的大多数金属纳米粒子，贵金属纳米粒子已广泛应用于医学领域。银的杀菌特性、金化合物的抗癌特性以及含铂化疗药的抗癌性使得它们在纳米医学领域备受追捧［20］。De Freitas 等［27］制备了以银纳米颗粒（AgNPs）为传导系统，由壳聚糖（CHT）和硫酸软骨素（CS）封存光敏剂姜黄素（CUR）组成的水凝胶，他们发现，水凝胶对健康组织无细胞毒性，确保了应用的安全性。同时在含有9.2 mg/L的CUR的水凝胶中，AgNPs 介导的光活化可导致Caco-2 人结肠癌细胞的高死亡率（CC50=91.5 mg/L），表明Ag‑NPs介导的PDT 促进了细胞的选择性并增强了其治疗效果。Simelane 等［28］制备了以聚乙二醇化、硫代硫酞菁锌（ZnPcS4）功能化的金纳米颗粒（AuNPs）为基础，与抗鸟苷酰环化酶C（GCC）单克隆抗体（mAbs）偶联，具有多功能肿瘤靶向生物活性的纳米偶联物（ZnPcS4-AuNP-S-PEG5000-NH2-Anti-GCC mAb，BNC）进行研究，结果表明与健康的体外培养细胞相比，BNC 具有光稳定性，并可靶向的在CRC中显示出选择性，并改善其亚细胞积累。此外，与单独给予PDT 光敏剂（15%，P<0.05）相比，BNC PDT诱导的CRC 细胞晚期凋亡形式的死亡率显著更高（34%，P<0.001）。上述结果表明，PDT 结果的改善是由于NP载体和具有生物活性的抗GCC 抗体的PS在体外培养的CRC 细胞内特异性积累所致。因此，BNC 平台可改善PDT CRC 的治疗，且由于其靶向能力，可作为CRC 早期诊断的补充措施。Mirrahimi等［29］开发了一种由海藻酸钠纳米凝胶与顺铂金纳米颗粒（ACA）共载的新型多功能纳米平台，研究发现，ACA 纳米复合物具有良好的稳定性，在532 nm 激光照射下，与其他组相比（激光单独照射和游离顺铂化疗），PDT和相同顺铂浓度下ACA纳米复合物化疗引起的抑制率显著更高，分别为73%和81%，而纳米复合物的化学-光动力疗法的联合作用显著地抑制了95%的肿瘤生长，并显著延长了携带CT26结直肠肿瘤模型小鼠的存活率。表明该纳米复合物具有较强的抗癌作用，联合化疗药物使用可增强其治疗效果，且可减少药物高剂量所引发的相关副作用。

3.1.2碳及二氧化硅 Sundaram、Abrahamse［30］将单壁碳纳米管（SWCNTs）与涂在SWCNTs 壁上的透明质酸（HA）和氯离子e6（Ce6）偶联，合成了一种由Ce6 包被透明质酸偶联的SWCNTs 组成的纳米生物复合材料，采用PDT，分别在660 nm 波长处5 J/cm2和10 J/cm2的剂量下测试了纳米生物复合材料对结肠癌细胞的毒性，研究发现，与单独使用Ce6 相比，使用合成的纳米生物复合材料具有更高水平的细胞毒性；在细胞死亡分析（流式细胞术）中，结果表明，与对照组相比，纳米生物复合材料和PDT（5 和10 J/cm2激光辐照）的联合作用在早期和晚期细胞凋亡中都发挥了显著的作用，且10 J/cm2组（41.9±6.65）早期凋亡细胞数较5 J/cm2组（36±6.4）增加，说明SWCNTs的纳米生物复合系统表现出优异的光敏剂传递性能。Wu 等［31］制备了一种将黄芪甲苷Ⅲ（AstragalosideⅢ，As）和试剂氯（Ce6）共载于聚乙二醇化的二氧化硅纳米颗粒微球平台，该平台可同时促进CT26 结肠癌细胞的先天免疫和适应性免疫治疗。作为免疫激活剂、光敏剂和显像剂，As 和Ce6被加载到聚乙二醇化二氧化硅微球中，在660 nm 激光照射下，PDT可诱导肿瘤细胞凋亡，释放肿瘤相关抗原诱导适应性免疫反应，诱导NK 细胞进入肿瘤微环境。另一方面，由于肿瘤内转录因子的高表达，通过As 激活NK 细胞增强固有免疫反应，刺激CD8+T 细胞γ 干扰素（IFN-γ）的产生，抑制肿瘤的发展。Bouramtane等［32］合成了一种由二氧化硅核和携带5-（4-羟基苯基）10，15，20-三苯基卟啉（TPPOH）壳的木聚糖组成的核-壳杂化纳米粒子（PX SNPs），研究表明，两种化合物在黑暗中对细胞无毒，与游离的TPPOH 相比，当光敏剂被630~660 nm 红光照射时，PX SNPs 对结直肠癌HCT116 细胞和HT-29 细胞的细胞杀伤效率分别提高了40倍和10倍。

3.2 有机纳米颗粒

3.2.1脂质体及胶束 Xu等［33］制备了以PH 敏感脂质体为外壳，封装线粒体靶向光敏剂TPPP（与三苯基膦（TPP）配体结合的原卟啉-IX）和天然环肽RA-Ⅻ（结肠癌化疗药物），外嵌透明质酸（HA）的脂质体纳米颗粒RA/TPPP-Lip，体外实验结果显示：TPPP在用660 nm 激光照射下产生细胞毒性活性氧，直接损伤细胞线粒体，与其他各组相比，RA/TPPP-Lip 联合激光照射组凋亡细胞比例增加（30%），活细胞比例下降（29.3%）。RA/TPPP-Lip 组凋亡细胞数量与RA-lip 组和TPPP-Lip 联合激光组相似，表明RA/TPPP-Lip 联合激光处理HCT116 细胞的凋亡程度明显高于其他各组；同时利用HCT116 细胞异体皮下移植构建肿瘤模型，发现RA/TPPP-Lip 在裸鼠肿瘤部位大量积累，并有效抑制肿瘤生长。综上，纳米治疗平台RA/TPPP-Lip 通过联合化疗和光动力治疗，大大提高了结肠癌细胞的杀伤效率。Chiarante等［34］将亲脂性光敏剂酞菁锌Ⅱ（Pc9）整合到泊洛沙明表面活性物质®1107（T1107）中，形成Pc9-T1107聚合物胶束，实验发现，与对照组（未注载体且未经辐照或注射载体未经辐照或未注射载体仅辐照）相比，经辐照的Pc9-T1107治疗小鼠的肿瘤体积显著降低，同时辐照Pc9-T1107 处理的小鼠的存活率显著高于对照组（P<0.05），表明Pc9-T1107有效地延缓了肿瘤生长，延长了小鼠存活时间，且没有产生系统或组织特异性毒性。Guo 等［35］将光敏剂锌酞菁（ZnPc）通过不耐酸的腙连接剂与阿霉素（Dox）偶联，在缺氧活化的前药替拉扎明（TPZ）存在和不存在的情况下，通过聚乙二醇和聚DL-丙交酯嵌段共聚物的自组装，将所得的ZnPc-dox 偶联物封装成聚合物胶束，分别生成ZnPc–Dox 胶束和ZnPc-dox/TPZ 胶束。他们发现Dox 和/或TPZ 的化疗作用，这些胶束在黑暗中对HT29 细胞有轻微的细胞毒性。在610 nm 的光照射下，ZnPc–dox胶束的细胞光毒性远高于游离的ZnPc–dox，在Dox 1 µmol 的ZnPc， ZnPc-dox 和单纯胶束分别诱导了20%和60%的细胞死亡，而ZnPc-Dox胶束诱导了80%的细胞死亡。结果表明，将ZnPc-Dox包埋在聚合物胶束中可显著促进细胞吸收，从而增强细胞光毒性，有效杀死肿瘤细胞。

3.2.2聚合物NPs 及共轭聚合物 Deng 等［36］开发了一种线粒体靶向生物可降解聚合物（乳酸-乙醇酸）纳米载体（PLGA），其中包括光敏剂维替泊芬（VP）、超小（2~5 nm）金纳米颗粒作为X 线辐射增强剂，以及三苯基膦（TPP）作为线粒体靶向部分。研究发现与对照组（非靶向PLGA）相比，X-PDT（4 Gy）处理后HCT116 结直肠癌凋亡细胞数从（5.3±1.8）%增加到（37.4±4.7）%。相比之下，单独使用纳米颗粒和X 射线治疗后，分别仅检测到（8.9±2.9）%和（7.8±3.5）%的凋亡率。在带有人类HCT116 结直肠细胞的小鼠体内实验发现，与其他治疗条件相比，暴露于这种联合治疗的小鼠的生存期显著增加（log-rank检验，P=0.002，对照组；P=0.002，4 Gy；P=0.003，PLGA-TPP；P=0.049，8 Gy），结果表明，纳米颗粒介导X 射线辐射联合光动力疗法（PDT）在深层组织具有良好的治疗效果，可延长小鼠存活时间。Lin等［37］制备了用乙交酯丙交酯共聚物（PLGA）封装光敏剂二氢卟啉e6（Ce6）的PLGA-Ce6 纳米颗粒，用于结直肠癌细胞的研究，结果发现，Ce6 在PLGA 纳米颗粒包封中表现出良好的稳定性，在结直肠癌HCT-116 细胞系中，PLGA-Ce6 NPs 对HCT-116 细胞表现出增强的光毒性，且在HCT-116 细胞中的IC50值略低于单独使用Ce6 溶液。与纯药物相比，PLGA-Ce6 NPs 对HCT-116 球形细胞的穿透更深，具有更好的光毒性。这些结果提示PLGA-Ce6 NPs 介导的PDT可能作为结直肠癌的治疗方式。Ibarra 等［38］利用共轭聚合物9，9-二辛基聚芴-苯并噻二唑（F8BT）和两亲性共聚物稳定剂（PS-PEG-COOH）封装有机疏水PS-八乙基铂卟啉（PtOEP）合成了共轭聚合物纳米粒子（CPNs），研究发现，在结直肠癌SW480 细胞系中，其对细胞系的整体细胞形态及功能无影响，经其处理可有效诱导氧化应激，进而引发细胞凋亡，成为细胞死亡的主要机制。同时发现，相对低剂量的光敏剂（IC50=6~28 mg/L）和光照（10 J/cm2）可以使50%的细胞群体死亡，表明CPNs纳米颗粒具有极高的粒子吸收截面和可观的活性氧生成率，为结直肠癌PDT提供了一个合适的治疗平台。

4 总结与展望

结直肠癌（CRC）是一种常见的消化系统恶性肿瘤，是全球第三大癌症相关死亡原因［39］，手术切除是结直肠癌的主要治疗方法。放疗、化疗、免疫治疗等是晚期结直肠癌转移病人的治疗策略，但往往存在严重的副作用。PDT 因其肿瘤选择性高、组织损伤小、可重复操作性强、全身不良反应少等优点已被运用于临床研究［40］，但在成功的PDT 联合临床试验方面，目前尚无关于CRC 的报道［13，41］。已有大量的实验研究表明，基于纳米颗粒介导的PDT 在结直肠肿瘤细胞株中的效果不可小觑，或将成为结直肠癌的有效治疗方法之一。

目前国内外仍在探索PDT 杀伤CRC 细胞的潜在机制，寻求增强PDT 治疗效果的药物递送系统，而纳米颗粒介导的传输系统就此表现尤为突出。但值得注意的是，NPs的制备及转化需要一种高效、简单、稳定、成熟、经济、环保的合成模式，NPs 进入人体后的生物分布、药代动力学、组织相容性、免疫原性、重金属大量蓄积的毒性、是否致癌等问题依旧需要关注，另一方面，基于纳米颗粒介导的传输系统需要特殊的设备、场地及人员配给，这对一些机构仍是挑战。未来需要构建更多可以模拟人类生理环境中肿瘤特征的3D模型，更真实地预测纳米颗粒联合PDT 在体外和体内的治疗效果，相信随着科技的发展，纳米颗粒介导的传输系统在结直肠癌光动力治疗中会有更广阔的应用前景。