纳米金在肿瘤检测及放射治疗中的应用

韦贵生相法伟田 甜林承列李 茜李 江王丽华

1（中国科学院上海应用物理研究所 物理生物学研究室与上海同步辐射光源生物成像中心嘉定园区 上海 201800 ）2（山东省潍坊市人民医院放射科 潍坊 261000）

纳米金在肿瘤检测及放射治疗中的应用

韦贵生1相法伟2田 甜1林承列1李 茜1李 江1王丽华1

1
（中国科学院上海应用物理研究所 物理生物学研究室与上海同步辐射光源生物成像中心嘉定园区 上海 201800 ）
2
（山东省潍坊市人民医院放射科 潍坊 261000）

简述纳米金探针的组装和检测原理，总结了纳米金探针在肿瘤细胞检测、医学成像和放射治疗中的应用进展，并对其在今后的应用发展前景进行了展望。

纳米金，生物探针，肿瘤检测，放射治疗

纳米金是研究较早的一种纳米材料，指微小的金颗粒，通常其在水溶液中以胶体形态存在。经典的胶体金制备方法——柠檬酸钠还原法［2］，利用不同种类和浓度的还原剂制备出不同粒径的纳米金胶体［3-5］。胶体纳米金的性质主要取决于纳米金的直径和表面特性。在生物分析检测领域，目前使用最广泛的是纳米金球、纳米金棒和纳米金花等结构，如利用纳米金球结合荧光胺检测氢离子［6］，利用纳米金花与电化学检测方法结合检测多巴胺等［7］。基于纳米金与核酸分子的检测探针，具有良好的生物相容性和高分子检测特异性，是一种重要的肿瘤检测探针模型。纳米金同时也是肿瘤成像的造影剂以及放射治疗的增敏材料，由于具有较高的原子序数和X射线吸收系数，在肿瘤成像中能够呈现较好的对比度，其良好的生物相容性也为纳米金肿瘤成像的临床应用提供了重要的安全基础。本文将总结纳米金颗粒在肿瘤检测及放射治疗两个方面的应用进展，分别介绍其在细胞水平和组织水平上对肿瘤标志物的检测，以及在动物体内对肿瘤组织的医学成像和放射治疗，并对纳米金在这两个研究方面的未来发展进行科学展望。

1　纳米金概述

纳米金是直径分布于1～100 nm之间的金颗粒，具有稳定性好、易于制备、形态及尺寸可控等优点。由于纳米金颗粒在近原子尺度上显示出量子效应，因此在电学、化学和光学方面的特性都与宏观级别的金颗粒有着显著不同［8］。纳米金具有许多特殊性质，例如较大的比表面积、特殊的光电性能、优异的生物相容性以及低细胞毒性，这些特性使得纳米金能够有效地应用于光学、电学、生物学、环境学和医学等相关领域［9-10］。除了以上特性外，纳米金还具备一种非常重要的性质是表面等离子共振效应（Surface plasmon resonance， SPR）。当光照射在表面时，纳米金中的电子会处于磁场中，入射波长与金自由电子的振动频率发生耦合时会产生表面等离子共振效应。由于电子吸收入射光的能量，所以可通过紫外可见光谱来观察纳米金的特征吸收峰［11-12］。一般情况下，胶体金在510～550 nm可见光谱范围内具有特定的吸收峰，吸收波长随着纳米金颗粒直径的增大而增加。当纳米金的粒径从小到大变化时，其溶液颜色依次为淡橙黄色、葡萄酒红色、深红色以及蓝紫色；反之，通过纳米金胶体的颜色也可以推测出纳米金粒径的大小范围。

2　纳米金在肿瘤细胞检测中的应用

纳米金现已被广泛应用于生物检测及化学检测。基于纳米金与核酸生物分子的球形核酸复合物（Spherical nucleic acids， SNAs）［13］是一个优秀的探针模型，满足了生物分析检测中的诸多需求。SNAs是由密集有序的核酸分子排列在纳米金表面形成的三维立体结构，通过改变组装过程中纳米金与核酸分子的比例就可以控制纳米金表面核酸的修饰密度。在纳米金表面进行核酸修饰，不仅能够提高纳米金的水溶性、生物相容性和细胞膜通透性，同时使得纳米金具有更好的生物分子识别选择性，更适用于体内和体外肿瘤细胞标志物的检测。

2.1检测肿瘤细胞mRNA

细胞内信使RNA（mRNA）是生物体内重要的生物信号分子，具有将遗传信息由DNA转移到蛋白质发挥生物功能的作用。同时mRNA也是肿瘤细胞重要的分子标记物，所以肿瘤细胞内mRNA的检测分析对于肿瘤的早前诊断和及时治疗至关重要。Seferos等［14］利用纳米金与mRNA探针组装形成的SNAs在单个细胞水平上对肿瘤细胞的mRNA进行定量分析。这一纳米金球形核酸复合物称为Nanoflare，由直径为13 nm的纳米金颗粒内核和紧密包裹在纳米金周围的mRNA探针分子组成。当该Nanoflare探针识别靶向mRNA分子之后，荧光分子远离纳米金表面使信号增强。根据 SKBR3肿瘤细胞的生物标记物Survivin基因进行mRNA探针设计，可以使用Nanoflare检测出Survivin阳性的细胞，如图1（b）所示。之后Li等［15］使用了一个在纳米金颗粒上偶联多个mRNA探针的方法，成功实现了对肿瘤细胞内（c-myc、TK1和Gal Nac-T）3种mRNA分子的检测。2015年，Briley等［16］将之前的Nanoflare探针优化为Sticky-flare，实现了细胞内mRNA的定量检测以及实时追踪。如图 1（c）所示，Sticky-flare不仅能有效的检测肿瘤细胞，同时还能实时观测肿瘤细胞中mRNA分子的动态变化情况。Halo等［17］结合 Nanoflare探针与细胞流式技术不仅实现对肿瘤细胞的检测，同时还能从人类血清中分离并提取出肿瘤细胞进行培养，这一方法的研究对人类循环肿瘤细胞的检测具有重要的意义。

2.2检测肿瘤细胞miRNA

miRNA也是一种重要的肿瘤标记物分子，是近年来发现的一类长度为 20个核苷酸的非编码小分子RNA。研究表明，miRNA可以通过调控其靶标基因参与的信号通路，影响肿瘤的发生和发展，发挥类似于癌基因或抑癌基因的功能，所以通过检测miRNA可以有效地进行肿瘤检测。2005年，Liang等［18］利用纳米金球形核酸探针与分析芯片高通量分析的结合实现了在体外对肿瘤细胞miRNA的检测。2015年，Wang等［19］利用纳米金与核酸分子信标的组装体，同时对多种miRNA标志物进行了分析检测，在体外达到了10 pmol/L的检测下限。2016年，Zhao等［20］使用量子点代替普通荧光染料修饰纳米金，当探针识别肿瘤细胞miRNA后，量子点处于淬灭状态的荧光信号得到恢复增强，以此表征miRNA的信息。如图2所示，经过量子点修饰的纳米金不仅在Hela细胞实现了miRNA的检测，同时能够在肿瘤小鼠中检测到miRNA的分布情况。利用纳米金作为肿瘤检测探针，能够高灵敏特异性地检测胞内胞外的肿瘤标记物。与其它检测肿瘤标志物的常用方法相比，例如Northern印迹分析、微点阵分析、qPCR，纳米金探针更为稳定和方便。

3　纳米金在肿瘤成像及放射治疗中的应用

3.1肿瘤成像

目前低分子量碘作为造影剂被广泛应用于肿瘤成像，由于其在肾脏中的清除速度很快，显影时间比较短，许多时候必须动脉置管，由此带来了心血管方面的副作用。金原子的序数（79）比碘（53）高，X射线吸收系数也高（100 keV 时金为5.16 cm2/g，碘为1.94 cm2/g，软组织为0.169 cm2/g，骨为0.186 cm2/g），单位质量的金的造影效果相比碘的效果要高好几倍。同时纳米金颗粒对低能X-射线具有更强的吸收，CT 成像时受骨和软组织的干扰性更小，从而能够呈现出更好的成像对比度［21］。

2014年，Hainfeld 等［22］使用直径1.9 nm 的纳米金 对荷瘤小鼠进行静脉注射，之后使用乳腺 X光机进行成像。结果显示，这种纳米金 造影剂可以分辨出直径100 μm的微血管，荷瘤小鼠的肿瘤也能清晰显示，效果明显优于碘造影剂。注射24 h后，小鼠肌肉和血液中的金纳米粒子几乎被肾脏清除完毕，但在肿瘤中仍存留有大量纳米金颗粒。在纳米金颗粒表面修饰多种生物分子，能够提高纳米金与肿瘤细胞的主动结合。Kim等［23］在纳米金表面修饰了聚乙二醇（Polyethylene glycol， PEG），以280 mg/kg的剂量对小鼠静脉注射后进行CT 扫描，心脏和大血管成像都显示出良好的对比度。通过定量测定CT值发现，注射后至少4 h内造影效果都未显著减小，而碘造影剂（优维显）的半衰期只有10 min，PEG 明显延长了纳米金颗粒的血液循环时间。小鼠体内注入纳米金之后，其血管系统在 24 h内能够明显成像，肝脏在72 h内能够保持明显成像。之后Kim 等［23］建立了肝癌的动物模型，在注射PEG修饰的纳米金 5 min后，肝癌区的对比增强效应是正常肝组织的2 倍，这种效应可以持续24 h，如图3所示。

3.2肿瘤放射治疗

纳米金不仅是一种优异的肿瘤成像造影剂，同时还在肿瘤放射治疗中具有放射增敏的作用［24］。目前多数研究人员倾向于认为纳米金 的放射增敏作用是由于高原子序数物质材料在 KeV级别光子能量照射时增加了光电光子吸收所致［25］。为了研究基于纳米金 的放射增敏作用对黑素瘤荷瘤放射治疗的影响，Chang等［26］使用13 nm的纳米金 与6 MeV电子线光束25 Gy单剂量照射黑素瘤荷瘤小鼠。通过分离小鼠肿瘤进行分析发现，随着肿瘤小鼠的生长实验组肿瘤体积与对照组相比明显缩小。由于纳米金放射增敏的治疗延缓了肿瘤生长，肿瘤小鼠的生存期也得到延长。同时还发现，在联合纳米金照射肿瘤小鼠时，组织细胞的凋亡数量是单独照射时的两倍，再次证明细胞凋亡是纳米金放射增敏治疗肿瘤的主要途径之一。这一结果也被其他研究所证实［27-29］。纳米金还能够穿越血脑屏障进入脑组织中，为脑肿瘤的成像和治疗应用提供新的途径。Hainfeld团队［30］对脑胶质瘤模型小鼠通过尾静脉注射粒径为13 nm的纳米金，15 h之后发现纳米金在肿瘤小鼠脑组织中的含量比正常小鼠脑组织中的含量高19倍，结果如图4所示。同时，结合发射治疗施加30 Gy的发射剂量，显著延长了脑胶质瘤小鼠的生存时间。这一研究结果充分说明纳米金不仅能穿越血脑屏障进入到中枢神经组织，同时还能有效结合辐照进行肿瘤的放射治疗。

4　总结和展望

纳米金具有制备简单、光学性质优良、生物相容性好等特点，经过生物分子修饰的纳米金不仅可以用于快速灵敏地检测肿瘤细胞，还为肿瘤细胞标志物的实时监测观察提供了新的方法。纳米金也被应用于肿瘤成像和放射治疗，能够提高肿瘤成像的显影效果和放射疗法的肿瘤敏感度，同时又能有效地降低放射治疗对肿瘤周围组织的损伤。纳米金在肿瘤检测以及肿瘤成像和放射增敏中的应用虽然只限于细胞实验和动物实验，但却为肿瘤的早期诊断与精确放射治疗提供了新策略和新思路。关于纳米金的研究工作尚处于基础阶段，还存在许多迫切需要解决的问题：如何更深层次地降低纳米金颗粒的生物毒性，特别是慢性毒性；如何提高纳米金探针对肿瘤检测的特异性；如何明确纳米金在放射治疗中的增敏机制等。

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Application of gold nanoparticles in tumor detection and radiation therapy

WEI Guisheng1XIANG Fawei2TIAN Tian1LIN Chenglie1LI Qian1LI Jiang1WANG Lihua11
（Division of Physical Biology & Bioimaging Center, Shanghai Synchrotron Radiation Facility, Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China）2（Department of Radiology, People’s Hospital of Weifang, Weifang 261000, China）

Preparation and working principle of molecular probes based on gold nanoparticles were introduced，and recent application of these probes as tumor imaging agents and radiosensitizers in tumor detection and radiation therapy were summarized， and application prospects of gold nanoparticles were provided.

Gold nanoparticles， Bioprobes， Tumor detection， Radiotherapy

CLC TL13， Q6-33， R815

纳米金颗粒作为一种优异的纳米材料，以其独特的理化性质在生物检测及医学领域受到愈发广泛的关注和重视。由于纳米金独有的光学特性以及纳米金与生物分子组装的便捷性，各种基于电化学、表面等离子体效应和荧光淬灭机理的纳米金探针被设计出来，并成功应用于肿瘤细胞的检测和分析。与传统的分析方法相比，基于纳米金探针的肿瘤细胞检测方法在细胞水平和组织水平上的分析检测中有着明显优势。纳米金同时具有优良的显影效果，在放射治疗中具有放射增敏的作用，因此作为肿瘤成像显影剂和肿瘤放射增敏剂受到关注。纳米科技是研究结构尺寸在1～100 nm范围材料的结构、性质和应用的一门科学技术，也是一个融合多种前沿科学技术为一体的完整体系，其最终目标是通过直接操纵和排布原子或分子来构造具有特定功能的产品［1］。21世纪很可能在纳米科技、信息科技和生命科技的交叉结合领域，发生以“新生物学和再生革命”为中心的新科技革命，并催生新的产业革命。纳米材料是纳米科技领域最富活力的学科分支，纳米材料在生物学及医学领域中的应用受到越来越广泛的关注，成为目前纳米科技领域的研究重点。

WEI Guisheng （male） was born in February 1990 and graduated from Shanghai Institute of Applied Physics， Chinese Academy of Sciences with a master degree in biophysics in 2016， majoring in bio-detection and analysis

and accepted 29 April 2016

Ph.D. LI Jiang， associate professor， E-mail: lijiang@sinap.ac.cn

TL13，Q6-33，R815

10.11889/j.1000-3436.2016.rrj.34.040103

国家自然科学基金（21505148、21422508、31470960）、国家重点基础研究发展计划（2012CB932603、2013CB933802）资助

韦贵生，男，1990年2月出生，2016年于中国科学院上海应用物理研究所获得硕士学位，生物物理学专业，研究领域为生物检测与分析

李江，博士，副研究员，E-mail: lijiang@sinap.ac.cn

2016-04-29

Supported by the National Natural Science Foundation of China （21505148， 21422508 and 31470960） and the National Basic Research Program of China （2012CB932603 and 2013CB933802）