纳米载体-近红外光热疗法在肿瘤治疗中的研究进展

谭曼曼，刘燕玲，张瑜娟，闵卫平

(1.南昌大学a.研究生院医学部2017级； b.基础医学院免疫教研室，南昌 330006； 2.江西科技学院护理学院，南昌 330098； 3.江西省医学科学院肿瘤与免疫室，南昌 330006)

癌症是威胁人类生命健康的首要疾病之一,单纯的放疗和化疗均有不同程度的局限性，有研究[1]表明组合疗法能减少耐药性，协同抑制癌症的发展,从而提高对癌症的疗效。近年来，光热疗法(PTT)已成为一种新颖、快速发展的癌症治疗方法，与常规癌症消融方法相比，PTT实现高度局部化，可应用于手术困难的区域[2]。更重要的是PTT与化疗相结合，光疗加热可以增强细胞膜的渗透性，促进癌细胞摄入药物，提高癌症治疗效果[3]。PTT利用纳米粒子吸收光能转换成热能,提升局部温度促使细胞凋亡、破坏，从而杀死癌细胞。生物体组织具有“水窗效应”,近红外光能较好地穿透皮肤、血液和软组织，最大限度地辐射穿透深部组织，因此非侵入性光源——近红外激光是进行光热治疗的理想选择[4]。纳米材料则是PTT的关键载体，本文对肿瘤PTT疗法中常见纳米载体的应用、同小分子的结合，以及对肿瘤的靶向治疗等方面进行综述。

1 常见抗肿瘤光热纳米载体

1.1 金纳米载体

金纳米材料具有独特的光学特性、良好的生物惰性和局部表面等离子共振(LSPR)的现象，已经成为光热疗法的优秀载体。金纳米粒子的形态可显著影响它们的光热转换效率，常见的金纳米形态有纳米棒、纳米壳、纳米球等[5]。

金纳米棒(GNR)是一种棒状的金纳米粒子，可通过调整GNR的纵横比来达到最大光热效率。金纳米粒子的体内外毒性取决于它们的大小、表面电荷和表面涂层[6]。十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)是GNR合成过程中必不可少的活性剂，具有明显的细胞毒性，以聚乙二醇、聚苯乙烯磺酸盐、吐温20等聚合物来替换或阻断GNR表面的CTAB从而降低细胞毒性[7]。也可在GNR表面修饰天然生物聚合物，如多糖、多肽等来改善GNR的生物相容性[8]。GNR具有较大的吸收表面积、良好的生物相容性，光热转换效率高，已成为优异的光热抗肿瘤材料[9]。金纳米球(Gold nanosphere)尺寸小(直径4～30 nm)，合成简单，易于与各种配体(例如DNA、肽、抗体和小客体分子)生物共轭，可作为生物传感器的良好材料[10]。未经修饰的金纳米球近红外激光(NIR)吸光度差，有研究[11]表明将具有强双光子吸收的分子吸附到金纳米球表面，可以改善粒子的NIR吸收，并最终满足癌症的光热治疗。金纳米笼(AuNCs)药物加载能力强，但肿瘤靶向不足，且有开放的孔口，导致体内过早药物渗漏和炎症反应，限制了它们的治疗功效[12]。金纳米壳(Gold nanoshell)相对较大(直径>100 nm)，易于在组织中积累且难以消除[13]，纳米星(gold nanostars)有尖锐凸起，不稳定且易发生团聚和聚沉，因此在抗肿瘤应用中相对较少[14]。

1.2 半导体纳米载体

常见半导体类纳米材料超顺磁性氧化铁纳米粒子(SPIONPs)、硒化铋纳米结构(Bi2Se3)和过渡金属二硫化物纳米材料，在NIR的照射下可以吸收NIR能转化为热能，诱导肿瘤细胞凋亡[15]。有研究[16]发现，小的SPIONs(<200 nm)细胞内吞更多，会更深入地穿透到多细胞球体中，在体外结合NIR照射时拥有很高的光热消融功效。较大的SPIONs在肿瘤中却积累更多，对肿瘤的抑制能力也更强。Fe3O4具有氧化倾向，且易于聚集，在应用中可修饰稳定聚合物以改变磁性和降低毒性，如二氧化硅、金(Au)、银等[17]。已有超顺磁性Fe3O4纳米颗粒作纳米芯，利用局部磁导进一步增强细胞内吞Fe3O4纳米核NIR诱导的肿瘤光热消融效应的报道[18]。Bi2Se3纳米粒子有不同形状，小而薄的Bi2Se3纳米粒子在全身给药后，可改善身体的光学吸收特性[19]。提高Bi2Se3光热转换效率的方法有：减少厚度、核心脱壳等。由于合成Bi2Se3通常需要有毒的Na2SeO3作为Se源、表面修饰较困难且难以负载药物，以及体内体外的不稳定性等局限性，Bi2Se3在癌症治疗中的应用需进一步研究[20]。

常见的硫化物有Cu2-xS、二硫化钼(MoS2)等。Cu(Ⅱ)离子可被细胞内谷胱甘肽或抗坏血酸还原为Cu(Ⅰ)，在生物介质中的Cu(Ⅰ)物质可通过类似哈伯-维斯(Haber-Weiss)循环产生活性氧物质(ROS)。这些不稳定且高活性的ROS包括羟基自由基、单线态氧和过氧化物，可以促进肿瘤细胞凋亡，对肿瘤组织造成严重损害，光热和光动力协同治疗肿瘤，抗瘤效果显著[21]。有研究[22]报道，pH响应型聚合物和荧光染料修饰MoS2NSs时，可进行局部的pH测量和光学加热，以用于癌症的检测和PTT治疗。将MoS2纳米片的化学光热能与Fe3O4的强磁性结合起来，构建“智能”磁共振成像(MRI)和化学光热靶向系统，可用于癌症诊断及治疗[23]。

1.3 碳纳米载体

多壁碳纳米管(MWCNT)在NIR照射下显示出优秀的光热转换能力。体外研究[24]表明MWCNTs的掺入可以增强金纳米粒子的抗癌作用，减小对正常细胞的副作用。抗IGF-1R抗体(IGF-1R Ab)偶联的碳纳米可以通过EPR效应到达肿瘤，还可以通过抗体靶向特异性地聚集到胰腺癌肿瘤区域[25]。氧化石墨烯(GO)和还原石墨烯(rGO)，二者均拥有较大的表面积，具有较高的载药量，可作为药物输送系统和活性剂；GO及rGO中的氧化基团可修饰多种材料，如靶向配体、聚合物和其他纳米材料等；GO和rGO具有高NIR吸收和光热转换效率，这些特性使GO和rGO可以与其他抗癌疗法相结合以提高疗效[26]。GO能够刺激免疫细胞的活化,并且聚乙烯醇化的氧化石墨烯(NGO)能够显著增强这种免疫刺激效应。李勇等[27]采用NGO联合PTT治疗转移性小鼠乳腺肿瘤，推断NGO纳米粒子光热治疗在局部杀伤原位肿瘤的同时,可能诱发了机体的抗肿瘤免疫反应,从而抑制远隔部位肿瘤的生长速度。另外，GO和rGO具有潜在生物毒性和血清蛋白吸收等局限性，可通过改变GO和rGO的表面性质、使尺寸最小化和增加水溶性来改善。总体而言，GO和rGO作为药物递送和癌症治疗的新型纳米材料，在临床使用中的局限性可能在不久的将来得到解决[26]。

1.4 有机纳米载体

普鲁士蓝(PB)、吲哚菁绿(ICG)有效地渗透组织后也可被808 nm NIR激活，产生局部热量和ROS，从而实现肿瘤的PTT和光动力疗法(PDT)治疗[28]。ICG主要用于眼科血管造影、肝功能评估和血流评估，也可用于定位癌症患者的颅内动脉瘤和脑动静脉畸形。除光学成像，ICG还可用作PDT治疗脉络膜黑色素瘤和乳腺癌的光敏剂，以及治疗葡萄酒色斑的光热剂[29]。ICG的主要缺点是水稳定性差、浓度依赖性聚集、半衰期短(≈3～5 min)和与各种生物大分子特别是血清白蛋白和高密度脂蛋白的非特异性作用。为了克服这些局限性，ICG被用于其他纳米载体的构建中，如胶束、脂质体、二氧化硅和合成聚合物[30]。有研究[29]表明，含有ICG的NIR红细胞模拟传感器(NETs)，在光激发后可诱导Caspase-3活化，导致肿瘤细胞凋亡。李蒙等[31]采用PB纳米粒子联合光热治疗皮肤黑素瘤，取得了良好的效果。PB修饰磁性粒子，装载化疗药物和调整pH等可改良其纳米剂的特性，如磁性PB NPs可以改进MRI和PTT[32]。但这些辅助方式仍有局限性：磁场聚焦不充分，且仅在小范围内起作用；受pH控制的药物释放对实体瘤的类型和纳米试剂的pH响应高度依赖[18]。因此，良好生物相容性的多功能药物纳米载体仍需要继续探索。

2 光热纳米载体联合小分子抗肿瘤的应用

2.1 联合一氧化氮

一氧化氮(NO)的生物学效应是一把双刃剑，具有浓度依赖性。通常，连续低浓度的NO对血管肿瘤的生长具有促进肿瘤的作用。然而，高浓度的NO可能导致血液中的NO中毒[33]。当NO保持在合适浓度范围内时，它可以抑制肿瘤生长并显示出抗肿瘤效果[34]。二酮吡咯并吡咯(DPP)衍生物因其在NIR下的优异光热转换能力，被广泛用于癌症PTT治疗。有研究报道，以DPP核心，修饰NIR光响应性NO光致变色器(4-硝基-3-三氟甲基苯胺，NF)和pH敏感单元(二甲基氨基苯基-)。得到的DPP衍生物在NIR“明-暗”条件下，可实现NO的可控“开-关”释放，也可在溶酶体的弱酸性环境(pH 4.5～5.0)下增强线态氧的产生，从而协同PTT增强抗肿瘤作用，显示出优异的抗肿瘤效果[35]。还有一种基于硫化铋(Bi2S3)纳米颗粒修饰双-N-亚硝基化合物(BNN)的近红外触发NO释放纳米复合材料。外源性NO不仅会损害原位肿瘤细胞的自噬自我修复能力，还会扩散到周围细胞以增强治疗效果，可以克服轻度PTT困难的肿瘤治疗[36]。

2.2 联合化疗载药

化学疗法是使用化学药物阻止癌细胞的增值、侵袭、转移、浸润等最终杀死癌细胞的一种治疗方法。该方法通常缺乏特异性，会影响正常细胞的生理功能。化学疗法和PTT的组合作用，可显著提高癌症的治疗效果，但纳米载体高加载化疗药物困难和化学药物靶向可控释放困难等限制着联合疗法的应用。有研究[37]克服了这些困难，将带正电荷盐酸多柔比星(DOX)和带负电的羧基吡啶-5-芳烃静电相互作用结合，进一步加载在CuS@CPG上，得到具有高达48.4%载药量的CuS@CPG-DOX，该载体可通过靶向化学疗法和PTT相结合进行体外细胞研究，具有良好的生物相容性和优异的肿瘤抑制作用。此外，无机或有机药物输送系统，如用聚乙二醇(PEG)修饰的树枝状大分子，能够包封抗癌药物DOX。有研究[38]将包被精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)肽修饰Au NS物理包封DOX，达到协同化学疗法和肿瘤PTT的pH/NIR激光双响应，显着提高了癌症的治疗效果。

2.3 联合基因疗法

RNAi是一种新型的癌症治疗策略，可沉默疾病相关基因特异性地靶向细胞内mRNA，从基因上预防疾病的发生和发展。然而，siRNA治疗面临许多挑战，主要有低血清稳定性和低细胞摄取率[39]。目前光热纳米材料的应用对siRNA的应用提供了支持。有研究[40]表明带有正电荷的金纳米棒类材料和带有负电荷的siRNA结合后可以显著增加siRNA在血清中的稳定性。基因调控中基因过表达后观察表型变化是研究信号通路的重要手段之一。将纳米光热载体和cDNA温育结合后诱导基因过表达的研究相对较少,有待于进一步探索。

3 纳米载体的肿瘤靶向治疗

3.1 抗体

抗体对其目的抗原具有强亲和力，可用于肿瘤的靶向治疗。金纳米颗粒可与特异性抗体相耦合,具有肿瘤靶向加热的特点[41]。西妥昔单抗(Ab)修饰CuS NPs(CuS-Ab NPs)，Ab可以靶向EGFR(Epidermal growth factor receptor)，而EGFR在大多数癌细胞膜上过表达，并且负责肿瘤发生、血管生成和转移；体外和体内结果显示，有了Ab的帮助即使在小激光照射下，也有更多的CuS NPs在肿瘤组织中积累，达到更好的抗肿瘤效果[42]。使用新型免疫佐剂糖化壳聚糖(GC)修饰的单壁碳纳米管(SWNT)可用于靶向治疗小鼠中的转移性乳腺肿瘤。抗体联合光热纳米载体进行肿瘤靶向光热治疗，有助于减少肿瘤治疗中产生的过多副作用[43]。

3.2 凝集素和碳水化合物

碳水化合物和凝集素，在所有健康人类细胞表面上表达，且在生物体中发挥重要作用，如细胞生长、分化和黏附以及细胞信号。癌细胞表面上的碳水化合物和凝集素的表达会发生改变，导致特定受体的过表达或低表达[44]。癌细胞中的这种异常糖基化为选择性靶向癌症治疗提供了机会，包括纳米载体选择性PTT治疗，如有研究报道[45]，使用两种不同的乳腺癌细胞系，即MDA-MB-231和SK-BR-3细胞，其中MDA-MB-231细胞在其表面上过表达半乳糖凝集素-1(一种半乳糖结合凝集素)可对乳糖-C3Pc-AuNP纳米载体的选择性结合，在体外和体内使用碳水化合物均显示了增强PDT的显著潜力。脱唾液酸糖蛋白受体(ASGPR)也称为肝半乳糖受体，是在肝细胞的窦状表面上表达的C型凝集素。ASGPR在结合、内化和清除具有末端半乳糖残基的物质循环中起重要作用，是靶向肝脏纳米结构的重要靶标[46]。有研究[47]以β-d-半乳糖(GAL)为归巢剂固定在裸GNP表面上，为了防止GNP被网状内皮系统(RES)快速吞噬，加入可生物降解和生物相容的聚乙二醇(PEG)的GAL-PEG-GNP的新型复合物后，具有作为肝细胞肝癌(HCC)治疗的放射增敏剂的潜力。

3.3 靶向常见肿瘤

叶酸受体在健康组织中低表达，在肿瘤中过表达：包括卵巢癌、肾癌、乳腺癌、肺癌等，已经成为癌症治疗的重要靶点[48]。金纳米团簇和GNR是用于叶酸靶向的常见结构。使用叶酸靶向的金纳米团簇评估叶酸阳性MGC-803胃癌细胞以及叶酸阴性GES-1胃上皮细胞时，胃癌细胞相比于胃上皮细胞对金纳米团簇的细胞内吞更多，从而证实了叶酸和叶酸受体之间的特异性相互作用[49]。糖蛋白CD44特异性的结合透明质酸，参与肿瘤的转移和发展，在许多肿瘤中高表达，使它们成为靶向PTT疗法的有效受体。THAM等[50]使用透明质酸使Hela细胞表面过表达CD44，同CD44阴性MCF-7细胞相对比，使用二氧化硅改性的锌酞箐包裹的AuNR纳米载体对比治疗，证实了纳米载体靶向CD44糖蛋白优异的靶向光热抗肿瘤效果。

4 小结与展望

目前可用于PTT的纳米光热载体主要分为无机纳米载体和有机纳米载体两大类。无机纳米载体虽然在近红外区有很高的吸收和光稳定性，但是生物相容性比有机纳米载体差，有机纳米载体的生物相容性相对较好，但是其光热转换效率较低。光热纳米载体联合NO、化疗药物、siRNA等可进行肿瘤的协同治疗；光热纳米载体修饰抗体、凝集素和碳水化合物类靶点结构以及叶酸结构等可达到不同肿瘤的靶向作用。因此，在今后的研究中，光热纳米载体的合成需要进行整合多功能载体从而提高性能，使其在抗肿瘤的治疗中得到更广泛的应用。