金纳米星的光学性质在肿瘤诊治应用的研究进展

李 燕，李 屹，白 睿，刘惠亮

金纳米星的光学性质在肿瘤诊治应用的研究进展

李 燕1，李 屹2，白 睿2，刘惠亮1

随着医学的不断发展，生物材料在医学领域的应用逐渐成为研究热点。金纳米颗粒具有优良的稳定性、物理化学性质及光学性质等，在生物医学诊断和治疗中的应用日益增多，如药物递送及光热治疗等。金纳米星（gold nanostars，GNSs）作为一种新型的金纳米材料，因其独特的星形结构和较大的比表面积，使其光热效应尤为突出，越来越受到科学家们的关注。笔者就GNSs的结构、光学性质进行评价，并指出其在医学领域尤其是肿瘤诊断与治疗方面的应用前景。

金纳米星；光学性质；肿瘤诊断；光热治疗

医学发展与现有材料的优化和新材料的产生有着密切关系。纳米材料因其独特的物理、化学特性，促使其在医学生物领域得到广泛应用。癌症的传统治疗方法虽有确切疗效，但副作用不可避免，光热治疗是将特定的光能转化为热能传递到肿瘤组织，具有近红外光热效能和靶选择性的优点，可破坏肿瘤组织和减少不良反应，可能成为癌症治疗方法[1]。具有独特光学性质的各种纳米材料已经应用于光热治疗，例如碳纳米管[2]、氧化石墨烯[3]和金纳米结构[4]。其中金纳米星（gold nanostars, GNSs）是具有尖状结构的星形金纳米材料，光热转换性能突出，在肿瘤诊断与治疗方面的应用受到关注[5]。本研究主要从GNSs光学性质及用途两方面探讨该材料的应用前景。

1 GNSs的制备、结构和光学性质

1.1 GNSs的制备 GNSs的传统制备方法分为种子生长法和合成法，但是GNSs的进一步使用受到以下限制：（1）十六烷基三甲基溴化铵（hexadecyl trimethyl ammonium bromide, CTAB）的潜在毒性；（2）多次洗涤后诱导聚集；（3）在生物功能化期间替换表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮（polyvinyl pyrrolidone, PVP）或CTAB[6]。最近，使用柠檬酸盐/氢醌作为还原剂/表面活性剂合成GNSs，提高了生物相容性，增加了GNSs在表面增强拉曼散射（surface enhanced raman scattering, SERS）成像应用的潜力[7]。Liu 等[8]也通过独特的种子介导方法，无需使用有毒的表面活性剂CTAB，在剧烈搅拌下将15 ml 1%柠檬酸盐溶液加入到100 ml沸腾的1 mM四氯金酸（HAuCl4）溶液中制备种子溶液，合成了GNSs，实现无表面活性剂的GNSs合成方法，可以潜在地避开这些问题，并且为进一步的应用提供显著的帮助。Tian等[9]则将4-羟乙基哌嗪乙磺酸（HEPES）作为还原剂、诱导剂，能够生产高度生物相容性和稳定的GNSs。

1.2 GNSs的结构 金纳米颗粒（gold nanoparticles，AuNPs），也称金胶体，是最稳定的金属纳米颗粒，并且其具有磁性，力学特性，光学性质（量子尺寸效应）以及催化和生物学作用等，多种类型还可组装，发挥更多功能[10]。GNSs是一种高度各向异性的AuNPs，由中央核心和许多尖锐的尖端组成，直径大约在50～100 nm，其独特的星形图案状结构，显著增加比表面积，并且GNSs独有的尖端在改变力学环境上具有调节作用。

1.3 GNSs的光学性质 AuNPs的光学性质表现在特定波长的光源照射下，能够激发其表面自由电子的集体共振，从而产生热能。GNSs的核心和尖端结构使其具有两个等离子体共振峰，光学性质突出。而其光学性质强烈依赖于突出的尖端的尺寸，从而导致吸收峰的波长变化，并且由于核心的等离子体和尖端的组合而在近红外区域（650 nm≤λ≤900 nm）显示出高吸收截面，生物组织对这一区域光具有高透射率[11]。Wang等[12]通过金盐化学还原法，将HAuCl4储备溶液（3.4 ml）加到HEPES溶液（140 mM，10 ml），制备了GNSs，粒径为（124.8±2.1） nm。经过紫外可见消光光谱分析，GNSs的吸收峰在810 nm，表明在近红外区域具有优异的光吸收能力。此外，通过使用532 nm、808 nm激光在不同时间和浓度下检测温度发现，GNSs的加热效率强烈依赖于辐射时间和GNSs的浓度，并且808 nm较532 nm的激光温度上升更快，增长率更高。Rodríguez-Oliveros等[13]通过三维格林定理方法对GNSs的光学性质进行数值计算，以获得具有不同对称性和尖端数量的GNSs的吸收和散射截面。结果显示，GNSs尖端越尖锐，吸收截面在局部表面等离子体共振处越大，较金纳米球相比提供了更好的加热效率，体现了其在癌症热疗法的适用性。并且散射截面同样得到增强，由于散射截面是增加光学对比度的关键特征，使GNSs应用于光学相干增强断层扫描成为可能。王小翠[14]通过种子合成法分别合成了金纳米棒和GNSs，并且通过离散偶极近似方法对两者的光学性质进行理论模拟，研究发现，具有相近等离子体共振峰的两种AuNPs，摩尔升温速率、摩尔消光系数均是GNSs优于金纳米棒，光热转换效率两者相近。其中摩尔升温速率是表现一种溶液升温快慢的物理量，可以得出GNSs在电磁能转化为热能的应用上具有更大的优势。

2 GNSs在肿瘤诊治方面的应用

2.1 在肿瘤分子检测和诊断方面 癌症已经成为世界上人口死亡的主要原因之一，据估计每年有超过1270万癌症病例和760万人死亡[15]。癌症的高病死率很大程度上归因于发现肿瘤的时间较晚，失去了最佳治疗时期，所以检测手段的灵敏度和选择性对于生物感测和临床诊断有着重要的意义。尺寸小于100 nm的GNSs可以通过增强的渗透压和滞留效应在肿瘤中选择性地累积，这是由于肿瘤中血液脉管系统的渗漏的增加[16,17]。除了被动的渗透压和滞留效应，由于癌细胞表面过度表达的特异性标记物，经过抗体标记的GNSs也可通过化学键与抗原识别、结合，从而增强其在肿瘤部位的聚集[18,19]。因此，GNSs用于癌症诊断的靶向多模态成像，包括表面增强SERS，双光子发光（two-photon luminescence, TPL），磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI），正电子发射断层扫描（positron emission tomography, PET）和电子计算机X线断层扫描（computed tomography, CT）成像，应用于分子检测和生物医学成像[20]。

恶性胶质瘤是脑部肿瘤最常见的类型，多因造影剂和治疗药物不能有效通过血脑屏障，而导致病情的复发和恶化。Liu等[8]合成了GNSs作为pH传感纳米探针，利用其增强的SERS效应，应用于局部细胞环境研究和体内肿瘤边界描绘，体现了GNSs在肿瘤分子检测的潜力。而且团队发现GNSs是一种高强度的TPL信号，可以作为强光学造影剂，提供优越的灵活性。团队采用多光子显微镜检查GNSs在脑肿瘤内分布的高空间分辨率。结果显示相比于普通血管内造影剂（例如FITC-葡萄糖）在小于30 min内信号显著衰减，GNSs表现出更长的血清半衰期（几个小时）。组织学检查用4', 6-二脒基-2-苯基吲哚（4',6-diamidino-2-phenylindole, DAPI）复染时，发现GNSs不仅累积在肿瘤血管内皮细胞中，而且选择性穿透肿瘤血脑屏障，说明GNSs可以作为一种优秀的造影剂应用于肿瘤诊断。Yuan等[21]通过785 nm激光照射，比较银球、金球及相似尺寸、浓度的GNSs作为基底材料对拉曼散射的增强情况，发现GNSs具有类似于银球的SERS增强因子优于金球，认为是GNSs的局部表面等离子体共振和多个尖端分支的独特结构发挥了重要的作用。

2.2 在肿瘤光热治疗方面 当恶性肿瘤深深地嵌入体内或重要器官中使得它们不可手术切除时，非侵入性热疗法能产生更好的疗效和比常规物理治疗更少的副作用。热疗法是通过破坏细胞膜或通过变性蛋白质和脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）来造成直接的、不可逆的癌细胞损伤，最终导致癌组织的破坏。热疗法也可用于增强癌细胞对放射和化疗的敏感性。目前已经研究了各种热源，包括激光，微波及超声，但是这些在杀死癌细胞的同时也损害健康组织，而纳米粒子可以局限于目标组织，大大降低了副作用的发生。基于纳米粒子的热疗法分为两大类：磁热疗法和光热疗法。磁热疗法也称为磁热疗，是基于使用高频交变磁场激发磁纳米颗粒，从而产生局部加热，经过几十年的探索已经从体外研究进展至临床前研究。光热治疗是一种更新的概念，使用适当的光敏剂，其可以有效地吸收入射光，以产生足够的局部热能[22]。在近几年中，光热治疗已经成为癌症治疗的替代选择。光热疗法具有高空间时间选择性和最小的侵袭性，因为光热效应仅发生在光照射和光吸收共同存在的部位。

金纳米粒子的强吸收，有效的热转化，高的光稳定性，固有的低毒性和明确的表面化学性质，使其作为光敏剂应用于光热疗法日益收到关注。相对于其他金纳米材料，GNSs在医学领域的研究较少，但通过分析GNSs的物理结构不难发现，独特的星形结构使其拥有较大的比表面积，从而散射能力突出，并且GNSs的尖端结构成就了其在近红外区域具有显著的吸收截面，可以使入射的近红外光更容易穿透，达到整体参与产热过程的效果，更好的发挥光热效应[18]。比如Vankayala等[23]研究发现金纳米棒（AuNRs）在单光子近红外线（915 nm，＜130 mW / cm2）的作用下，可以发挥显著的光热效应，完全破坏小鼠的实体瘤。并且在这项研究中构建了GNSs，根据GNSs的物理形态，认为其兼具AuNPs和金纳米棒的特性。Wang等[12]研究证实，在体外实验中，经过近红外光照射后，GNSs能够进入人乳腺癌MCF-7细胞的细胞质及细胞核，表现在G0 / G1期阻滞细胞周期，并降低细胞内谷胱甘肽水平，导致严重的细胞凋亡和细胞死亡。在体内实验中，向小鼠肿瘤模型注射GNSs，并且每天给予808 nm激光照射（300 mW / cm2，15 min），12 d后发现肿瘤的体积明显减小。说明GNSs突出的光热转换性能使其在肿瘤的靶向治疗方面具有广阔的应用前景。Wang等[24]将纳米氧化石墨烯、GNSs和多柔比星整合成复合纳米材料，综合了纳米材料的光热效应与化疗药物的作用，研究发现在近红外线的照射下，GNSs的光热效应使多柔比星有更高的细胞内摄取效率，发挥更好的药物作用，可以抑制裸鼠4T1乳腺肿瘤生长及肺转移，并且相对于多柔比星，既增强了抗肿瘤能力也减少了化疗药物的毒性，显示了化疗与GNSs协同治疗转移性肿瘤的良好潜力。

近来Sardo等[25]将小RNA分子（small interfering RNA，siRNA）和GNSs合成复合物，对稳定转染以表达萤火虫荧光素酶基因的人乳腺癌细胞系（MCF-7 / Luc）进行生物学评价，研究发现，相对于siRNA，实验组siRNA/GNSs能够在MCF-7细胞内更大程度的内化，并且有效地抑制细胞内的荧光素酶表达，而不引起严重的细胞毒性。说明GNSs可视为siRNA的有效和安全的细胞内递送载体，因为其具有共轭稳定地捕获和递送细胞内siRNA的能力，克服siRNA（小干扰RNA）的低生物利用度并提高它们的转染效率，此研究为获得GNSs额外的潜在治疗用途开辟了新的视角。

3 展 望

GNSs因其独特的结构、优越的光学性质及低毒性等优点，在医学生物领域有着巨大的应用前景。上述研究发现GNSs可作为造影剂应用于生物医学成像，而且能选择性地穿透血脑屏障，说明GNSs作为药物载体和造影剂的应用潜力。GNSs经过近红外光（650～900 nm）照射，可在肿瘤中选择性地累积，引起肿瘤细胞的凋亡，与化疗药物配伍还可以增强其疗效并减少不良反应。证明了GNSs优异的光热效应在肿瘤的光热治疗领域具有巨大的发展潜力。希望在不久的将来可以将GNSs应用于临床诊疗，为医学提供更多样、更有效的诊治方法。

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（2016-12-12收稿 2017-04-14修回）

（本文编辑 宋宫儒）

Advances in the application of optical properties of gold nanostars in cancer diagnosis and therapy

LI Yan1, LI Yi2, BAI Rui2, and LIU Huiliang1. 1. Clinical School of General Hospital of Chinese People's Armed Police Force, Anhui Medical University, Beijing 100039, China; 2. Department of Cardiology, General Hospital of Chinese People's Armed Police Force, Beijing 100039, China

LIU Huiliang, E-mail: lhl518@vip.sina.com

With the continuing development of medical science, the use of biomaterials in the medical field has become a new topic of interest. Nanoparticles have been widely used in biomedical diagnosis and therapy due to their advantages including excellent stability and physical, chemical, and optical properties, such as drug delivery and photothermal therapy. As a novel kind of nanomaterial, gold nanostars (GNSs) have attracted a lot of research interest. Because of the distinctive star-shaped structure and the large surface-tovolume ratio, the photothermal effect of GNSs is outstanding. In this review, the author evaluates the structure and optical properties of GNSs and discusses the application prospects of this material in the diagnosis and therapy of tumors.

gold nanostars; optical properties; tumor diagnosis; photothermal therapy

R318.5；R392.1

10.13919/j.issn.2095-6274.2017.05.015

1. 100039 北京，安徽医科大学武警总医院临床学院；2. 100039 北京，武警总医院心内科

刘惠亮，E-mail：lhl518@vip.sina.com