近红外光学系统在循环肿瘤细胞检测与肿瘤治疗中的应用

张燕珺，徐峰，郑晓群

循环肿瘤细胞（circulating tumor cell，CTCs）是指从原发或转移的实体肿瘤上脱落后，存在于人体外周血中肿瘤细胞的总称[1]。CTCs 作为临床上肿瘤潜在诊断生物标志物，对其所携带的分子生物学信息性质和数量的检测对肿瘤治疗、疗效评价、预后评估和复发监测具有重要意义[2]。目前，CTCs 分离方法主要分为物理筛分和生物亲和两类[3-4]，且聚焦于微流控技术[5]、纳米技术[6-7]和免疫磁分离[8]等方向。但是，外周血中CTCs 含量极少且具异质性，在转移过程中易发生间充质转化[9]，故对CTCs进行高活性、高纯度和高灵敏度的分离检测是当前临床肿瘤诊断技术的研究热点之一[10]。近红外光（near infrared，NIR）是介于可见光和中红外光之间的电磁波，波长范围为700 ～2 500 nm，具有高分辨率、高穿透性、高生物安全性等特点。近年来，以NIR 为基础的光声成像与治疗技术在肿瘤诊疗领域展现了广阔的应用前景[11]。相对于其他的CTCs 分离方法，NIR 对细胞活力和功能的损伤更小，不会影响后续的单细胞基因分析。此外，相比于常规治疗（如化疗和放疗），NIR 介导的光学治疗方法，可以增强靶向消除肿瘤的效率和特异性，干预肿瘤转移，减少治疗过程中的不良反应。本文就NIR 系统在CTCs 的检测成像、分离以及治疗等方面的应用作一综述，现报道如下。

1 NIR 系统在CTCs 检测成像中的应用

与传统的放射成像技术相比，荧光成像技术在生物安全性和检测分辨率方面的性能更佳，而其中的近红外荧光成像技术更是为非侵入性成像技术提供NIR 系统理想的平台[12]，如NIR 七甲川花菁染料IR783、MHI-148 以及IR780 等可以特异性地积聚在肿瘤细胞的线粒体上，展现NIR 系统优异的肿瘤靶向成像能力[13-14]。Yuan 等[15]将IR783 应用于人血液样本中的CTCs 成像，利用流式和激光共聚焦技术发现在人血液样本中最低检测浓度为10 CTCs/ml，证实其在NIR 系统用于CTCs 检测的可行性。Schikora 等[16]利用NIR 光敏剂吲哚菁绿（ICG）可在肿瘤细胞中积累的特点，将其用于乳腺癌循环肿瘤细胞簇的检测和成像。当ICG 孵育后的肿瘤细胞或肿瘤细胞簇通过光场时，光谱仪可以检测到830 nm处的荧光和磷光信号，从而对CTCs 进行定量分析。该NIR 光敏检测系统检测时长短（45 min），对CTCs的敏感性约为98%。Xia 等[17]针对肿瘤细胞过表达的氨基肽酶N（APN）设计了一种NIR 系统，一种小分子NIR 染料MLP，并将该染料与纳米磁珠、抗上皮细胞黏附分子（anti-EpCAM）抗体结合，制备双靶向荧光纳米磁珠用于CTCs 的检测。MLP 可以特异性结合癌细胞的APN，在488 nm 波长光激发下发出明亮的红色荧光信号，实现CTCs 荧光成像。相同条件下，MLP 和anti-EpCAM 双靶点识别提高纳米磁珠的捕获效率（＞85%），比单独MLP 磁珠和anti-EpCAM 磁珠高35.5%和25.5%，能够避免单一靶向的假阳性信号干扰。此外，该磁珠具有良好的生物安全性，捕获后细胞活力＞90%。

利用NIR系统高分辨率、高穿透性、高信噪比的特点可增强CTCs 检测的特异性和灵敏度，实现对肿瘤治疗效果评估及肿瘤转移进程监测。另一方面，由于NIR 高生物安全性，在CTCs 检测过程中不会对细胞造成损伤，从而避免影响CTCs 后续的生物学功能分析。

2 NIR 系统在CTCs 分离中的应用

除在荧光成像方面的应用，NIR 系统还被广泛应用于CTCs 捕获后的光控释放，其基本原理是通过NIR照射，使化学基团发生断裂或结构改变，或者是利用NIR 光热效应使温度敏感的水凝胶溶解，从而实现CTCs 高效释放。

Lv 等[18]以7-氨基香豆素作为光触发器，在其两端分别连接抗EpCAM 抗体和磁珠，设计一种光响应免疫磁珠用于CTCs 捕获和释放：在NIR 光照下，香豆素部分的C-O 键断裂，破坏近红外光学系统抗体与免疫磁珠的连接，从而释放CTCs。该体系可在1 ml 人血样本中特异性识别102个CTCs，捕获效率为90%，纯度为85%，且在NIR 光照射下，CTCs 释放效率为52%，存活率为97%。此外，结合金纳米氧化物（GNRs）和热响应水凝胶，设计多功能NIR响应平台用于CTCs 的特异性识别和光热分离[19]。从患者血液中捕获CTCs 后，热响应水凝胶可在生理温度下（37 ℃）迅速溶解，实现CTCs 的高活力释放。大批量释放时，可以将捕获后的GNRs 凝胶置于细胞培养箱下5 min，（95±4）%MCF-7 被释放，存活率为95%。此外GNRs 具有出色的NIR 光热效应，通过将NIR 激光光斑调节成细胞大小，照射GNRs 产生的热量使水凝胶溶解，从而在20 s 内成功实现单个细胞的选择性释放，释放后的存活率为90%，有助于随后在单细胞水平上对CTCs 进行测序分析。Wang 等[20]设计了一个NIR 开关生物平台，用于CTCs 的高效分离和下游分析。该平台将MUC1 适配体作为特定识别元件，通过偶联反应与水凝胶-二硫化钼纳米材料（PEG-MoS2NFs）连接，用于CTCs的特异性捕获。最后利用MoS2NFs 作为光控元件，在808 nm NIR 照射下热溶解水凝胶，释放捕获的CTCs。该平台捕获和释放CTCs的效率分别为89.5%、92.5%，最低检测限为15 CTCs/ml。

与传统的免疫磁分离系统相比，NIR 光控释放可以有效降低蛋白酶水解释放CTCs 对细胞表面蛋白的影响，还可以避免紫外光照射引起的细胞功能损伤和基因突变，从而更有利于CTCs 信息的获取。此外，通过调节NIR照射光斑大小，还可以实现单细胞特定释放，为单细胞分析提供有力工具。

3 NIR 系统在肿瘤治疗中的应用

NIR优异的组织穿透能力和生物相容性使其不仅在荧光检测与成像中重要作用，在光驱动的肿瘤治疗中也展现出巨大的应用潜力。NIR 动力疗法（NIR-PDT）主要依靠NIR照射来激活肿瘤组织中的光敏剂，产生具有生物学毒性的单线态氧、超氧自由基等活性氧物质来杀伤肿瘤细胞[21]，如具有近红外吸收的金属纳米颗粒[22]、基于氟硼吡咯或七甲川菁染料的小分子光敏剂[23-24]和上转化纳米材料[25]等。而NIR 热疗法（NIR-PTT）是利用光敏剂的光热转化性能，将NIR能量转变为热量来促进肿瘤细胞死亡[15]，如结合靶向抗体的金纳米棒[26]、黑磷纳米材料[27]等。在此基础上，研究人员还开发了NIR免疫疗法（NIRPIT），将光疗和免疫疗法结合，通过肿瘤靶向免疫抗体或配体与光敏剂或/和药物偶联，选择性地杀死肿瘤细胞，并诱导治疗宿主免疫反应[28]，最终通过免疫治疗方式实现远端肿瘤的治疗。

Atchison等[29]制备NIR系统两个IR-783 的碘酸衍生物，通过近红外激活PDT 来治疗胰腺癌。他们在近红外染料ICG的基本结构骨架中添加碘原子以提高单线态氧的生成效率，增加光敏剂对胰腺癌细胞的细胞毒性。Zhou 等[30]针对肿瘤细胞上的特异性标志物氨基肽酶N（APN），合成NIR 光敏剂APNCyl，实现NIR 系统肿瘤成像和光动力治疗的整合。该探针可以被肿瘤细胞上的APN识别并激活，然后水解为具有NIR 性能的半菁荧光团CyI-OH。CyIOH可以特异性地结合到细胞内的线粒体上，在717 nm 处有明显的荧光发射，经660 nm NIR 照射10 min，CyI-OH 显示出高单线态氧产量，可有效诱导80%癌细胞死亡。同年，Wang 等[31]开发一种功能化的静脉导管形式的NIR 系统，用于CTCs 体内富集和光热微创治疗：导管表面用anti-EpCAM 抗体修饰，用于特异性捕获体内CTCs；导管内部填充消光系数大、光热转换效率高的黑磷纳米材料（BPNSs），BPNSs 介导的光热效应可有效杀死CTCs；5 min 内对CTCs 的捕获效率为2.1%，杀伤效率为100%。Yamaguchi 等[32]将NIR 光敏剂IR700 分别与人表皮生长因子受体2（HER2）亲和体以及曲妥珠单抗偶联（HER2 亲和体-IR700 和曲妥珠单抗-IR700），通过针对HER2 蛋白的不同表位靶向治疗HER2 阳性乳腺癌。在NIR 照射下，HER2 亲和体-IR700 诱导靶细胞膜肿胀、起泡和破裂，造成免疫原性细胞死亡；同时，曲妥珠单抗刺激免疫细胞去摧毁肿瘤细胞。以上两种IR-700 偶联物联合诱导CTCs 坏死，通过NIR-PIT增强对HER2 阳性癌细胞杀伤作用。

传统的肿瘤治疗方法如放疗、化疗等都有极大的不良反应，会对患者的身体造成严重负担。而NIR驱动的肿瘤治疗方法可以特异性地靶向杀伤目标癌细胞，在提高治愈率和存活率的同时，不良反应也较小，具有良好的临床应用潜力。

4 总结与展望

目前CTCs 的检测技术大多仍局限于实验室研究，因此亟需发展新的诊断技术以提高肿瘤检测分析的准确性和灵敏度。NIR 系统因其优异的组织穿透能力、高生物安全性和高灵敏度等特性，在肿瘤精准诊疗领域展现出巨大潜力。此外，NIR-PDT、NIRPTT、NIR-PIT等作为新型肿瘤治疗手段，具有微创、靶向可控、无耐药性等特点，能够与化疗、放疗等传统治疗手段优势互补，为肿瘤治疗提供新思路。通过NIR 系统可以将肿瘤诊断、成像以及治疗整合到一起，为实现临床肿瘤诊疗一体化提供新的可能性。

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