纳米金在肿瘤的诊断和治疗方面的进展

王晓雨　张荧荧　何晓光

【摘要】过去的几十年里，医疗技术突飞猛进，但目前的医疗技术下肿瘤的早期诊断依然是攻克难关，另一方面针对肿瘤治疗的抗肿瘤药物大多具有较大的毒性，并且缺乏组织特异性，使得肿瘤的诊治还具有很大的局限性。纳米金技术由于其自身特点为肿瘤疾病的诊治提供了新的思路和方法。纳米金基于能够被多种基团修饰后获得对肿瘤细胞的靶向性的特点逐渐成为当前抗肿瘤研究的热点。纳米金自身具有独特的生物活性，同时具有光热效应，也可以作为载体负载药物，在肿瘤诊治方面非常有研究价值。本文从近期纳米金在肿瘤诊治方面的进展进行综述，力求为肿瘤诊治工作者提供研究依据。

【关键词】纳米金;肿瘤诊断;肿瘤治疗

【中图分类号】R4;R730.26   【文献标识码】A   【文章编号】2026-5328（2021）11--03

1  前言

在过去的几十年里，金纳米颗粒（GNs）在生物医学领域的应用引起了人们的兴趣，因为它们的固有特性使它们适合于癌症的诊断和治疗。像许多贵重金属一样，GNs有一种独特的光学特性，即表面等离子体共振（SPR），这使它们能够用于近红外（NIR）-共振生物医学成像模式，如磁共振成像（MRI）、光声成像（PAI）、荧光成像和x射线散射成像[1]。GNs在近红外激光照射下也会产生热量，适合光热治疗癌症[2]。此外，GNs毒性低，本质上是非免疫原性的。它们的合成方法简单，尺寸、形状和表面修饰易于控制。所有这些特性意味着GNs可以具有多种不同的功能，用于癌症组织的局部热疗，并以可控和靶向的方式传递多种药物[3]。基于这些卓越的特性，金纳米结构已经在癌症治疗的I期和II期临床试验中进行了研究和管理[4]。颗粒大小是影响GNs半衰期、全身毒性、肿瘤积聚等的关键参数之一，是成像和治疗应用的重要特性。

2  纳米金与肿瘤的诊断

2.1  纳米金在肿瘤细胞检测中的应用

纳米金颗粒具有良好的通透性，结合它在肿瘤组织的滞留、近红外光的光吸收和表面等离子共振等特性，以及与射线相互作用产生次级电子和与药物后者其他对比剂结合的能力。使得人们能够利用纳米金作为平台开发出更多的对疾病进行早期诊断的载体。纳米金颗粒可以穿过脑肿瘤模型的血脑屏障而聚集在肿瘤组织，与周围正常脑组织形成明显对比。等离子纳米金颗粒的自由电子在传导带的集体振动，表现出独特尺寸依赖的光学和光热性质。AuNRs 或AuNSs 等纳米金粒子具有光吸收的光学特性，且在波长为650-900 nm 处的光谱区发生散射。纳米金颗粒是作为成像的最优选择，原因是其吸收和发射强度明显高于大多数无机分子染料的吸收和发射光谱。纳米金颗粒可用于CT 成像、MRI成像、光学相干断层成像术、双光子发光成像技术及光声成像。

2.2  纳米金在肿瘤成像中的应用

磁共振成像（MRI）是一种基于核自旋原理的检测技术。MRI对退行性疾病的诊断有重要价值。超顺磁无机纳米颗粒可用于MRI和磁热疗，但其对人体的潜在毒性限制了其临床应用。例如，超顺磁氧化铁纳米颗粒（SPIONs）诱导的活性氧（ROS）毒性可导致严重的DNA和蛋白质损伤以及炎症，因此临床不再允许在MRI中使用SPIONs。超小GNs没有这种毒性，已被广泛应用于体内医学应用。Lee等人利用乙肝病毒（HBV）核心蛋白作为支架合成了粒径为1.4 nm的超微GNs。这些GNs对活小鼠皮下和深组织肿瘤均有显著的MRI和磁热治疗作用[5]。重要的是，使用超小纳米颗粒可以避免无机纳米颗粒长期滞留在肾脏造成的组织损伤。这说明超小GNs在肿瘤的临床诊断中可能具有广泛的应用价值。

光声成像（PAI）是一种新型的无创、非电离生物医学成像方法。在PAI中，生物组织被非电离激光脉冲照射，内源性分子（如血红蛋白或黑色素）或外源性造影剂吸收光能。这种与组织的生理特性有关的光吸收被转换成具有组织的光吸收特性的超声信号。通过仪器检测和数据分析，可以重建二维或三维光学吸收分布图像。GNs具有很高的吸收截面，比常见的有机染料如罗丹明- 6g或吲哚菁绿高数千倍。由于这种优异的性能，GNs已经成功地在动物模型中作为PAI的分子靶向造影剂。然而，更大直径的GNs不能有效地通过肾脏排出，这限制了其在临床上的应用[6]。因此，有必要开发针对PAI的特异性超小GNs。Sokolov等人偶联了单克隆抗表皮生长因子受体（EGFR）对粒径约为5nm和40nm的GNs的抗体，并用它们标记癌细胞[7]。结果表明，5nmGNs具有较强的近红外吸收，且与40nmGNs保持相同的PA信号。而5nmGNs由于其超小的直径，表现出出色的组织穿透和体内清除能力。这些结果表明，超微GNs可以为肿瘤细胞敏感PAI的体内检测提供一种可行的选择。

3  纳米金与肿瘤的治疗

3.1纳米金的光热疗法

光动力疗法（PDT）是一种经临床批准的癌症治疗方法，它使用无毒染料和无害的可见光与氧气结合，产生高水平的ROS来杀死细胞。大多数光敏剂的疏水性使其在生理条件下不溶解，并妨碍其系统给药。此外，当患者暴露在阳光下时，光敏剂在体内的非特异性分布可能会造成严重的不良影响。GNs可以携带药物，同时提供更好的稳定性和特异性肿瘤吸收，因此被广泛用于癌症光动力治疗的光敏剂递送。此外，与自由光敏剂相比，金属纳米粒子与光敏剂的结合可以提高1O2的生成。

利用聚乙二醇化金纳米颗粒（5nm）在小鼠模型中传递PDT的疏水药物。这种给药模式大大缩短了药物给药时间，提高了药物向肿瘤的运输。Burda等人研究了PDT癌症药物与GNs （5nm）的非共价缀合物体系的给药机制和药代动力学[8]。本研究表明，通过GNs的被动积累将疏水药物遞送到小鼠肿瘤中，实现了快速释放并深入渗透到肿瘤组织。Burda等人在660nm激光照射下，将光递归体Pc227共价连接到GNs （5.5nm）上，生成光动力治疗药物Pc4[9]。这促进了药物受控释放，可以最大限度地增加药物在目标组织中的积累。Pérez-García等利用不对称卟啉衍生物合成了一种新型光敏剂，并将其加入到GNs （3.5nm）中[10]。负载光敏剂的金胶体纳米颗粒改善了光敏剂的水溶性和活性。这些报道为GNs能够有效克服光敏剂的疏水性并将其传递到肿瘤部位提供了证据。

Broome等人通过构建与表皮生长因子（EGF）肽和PDT药物pc4结合的GNs （5 nm）来实现靶向治疗[11]。结果表明，细胞内通过EGF肽摄取GNs增加了pc4的细胞内积累和治疗效果。Russell等人用酞菁锌和乳糖衍生物的混合单分子层将GNs （3-5 nm）功能化[12]。结果表明，乳糖可作为负载疏水酞菁光敏剂的GNs的稳定剂，也可作为乳腺癌细胞的靶向剂。这些载酞菁的GNs在辐照过程中产生单线态氧，导致细胞死亡。Burda等开发了一种携带前列腺特异性膜抗原-1 （PSMA-1）和荧光光动力治疗药物pc4的金纳米颗粒（5.5 nm）平台[13]。这些纳米颗粒能有效地将pc4输送到前列腺癌细胞中，使肿瘤在光照射下可以被看到并被破坏。这种设计可以为手术治疗和术后干预提供指导。

Deng等开发了载GNs （3-5 nm）、光敏剂RB和抗肿瘤药物DOX的脂质体[14]。结果表明，包裹在脂质体内的GNs可促进1O2生成，光照可触发脂质体释放药物。Pérez-García等合成了混合配体（含聚乙二醇硫醇和新型两亲双生型吡啶盐）和阴离子光敏剂Na-ZnTCPP功能化的水溶性GNs （7-10 nm）[15]。结果表明，与游离Na-ZnTCPP相比，Na-ZnTCPP与GNs结合能提高1O2的产率。这可能是因为金核增强了卟啉的活性。这些结果表明，GNs可以提供额外的好处，增强光动力治疗效应，以及作为传递剂的作用。

3.2 纳米金在肿瘤放射增敏中的应用

放射治疗是治疗癌症的常用方法之一。它依靠高能辐射来杀死肿瘤细胞。放射增敏剂可有效增加细胞水平的辐射剂量，从而增强放射治疗效果。GNs有潜力作为一种优秀的放疗增敏剂。这是因为GNs暴露在伽马射线或x射线下会加速DNA链的断裂。为了使GNs在放射治疗中得到有效的应用，确定何种大小的GNs具有最佳的治疗效果是非常重要的。Smilowitz等人之前曾将1.9 nm直径的金颗粒注射到患有皮下EMT-6乳腺癌的小鼠体内，以进行x线治疗。结果表明，超小的GNs可以达到放疗所需的肿瘤金属含量高的目的。在此基础上，Liang等对放疗对不同大小的gn的影响进行了详细的研究。他们小组对4.8、12.1、27.3和46.6 nm peg包被的GNs[16]进行了体外和体内的放射增敏研究。与4.8和46.6 nm颗粒相比，12.1和27.3 nm颗粒在细胞内分布更广泛，治疗效果更好，使肿瘤几乎完全消失。这些实验结果有助于选择更合适的GN尺寸用于放疗增强。

虽然GNs作为放射增敏剂有明显的优势，但仍存在一些问题阻碍其在放疗中的应用。目前普遍存在的问题是如何实现GNs的选择性靶向和快速清除，以减少辐射剂量，减少健康组织的暴露[17]。理想的放射增敏剂会增强肿瘤滞留，并在增强肿瘤放疗中发挥重要作用[18]。Liang等人报道gsh包被的超小金纳米团簇（2 nm）可作为一种代谢增敏剂用于高效癌症放疗[18]。由于其流体力学直径超小，表面生物相容性好，通过改善EPR效应优先在肿瘤中积聚，从而显著提高放疗效率。经过处理后，形成了超微金纳米团簇可以通过肾脏排出体外，最大限度地减少金纳米团簇在体内积聚的潜在副作用。这项工作提出了一种新的和有前景的癌症放疗放疗增敏剂的特点，如改善肿瘤堆积，增强辐射效应，有效的肾间隙。非靶向放射增敏剂依赖于EPR效应的肿瘤堆积，但显著的脱靶堆积仍限制了这种放疗方法。Basilion等人合成了Au25纳米团簇（1.5nm），专门针对前列腺特异性膜抗原配体。这些簇为小鼠的靶向癌组织提供了高亲和力的放射敏化剂，因此显著增强了x射线照射的效果[17]。選择直径为1.5nm的GNs，是因为它们可以在数小时内被肾脏清除，这有助于减少它们在其他器官中的积累，以及它们可能由金引起的器官毒性。这一设计为进一步优化GNs以改善放射治疗的结果提供了有价值的想法。

放疗的治疗原则是通过外部x射线或γ射线束的直接或间接作用损伤细胞内DNA[19]。因此，放疗的有效性受到治疗中及治疗后DNA损伤不足和DNA快速修复的限制[20]。这个问题一直是转化放射治疗研究的焦点。为了解决这一问题，Wang等人通过dna双靶向方法创建了一种分层多路纳米滴，用于增强癌症放疗[21]。DNA-双靶向纳米液滴平台（NDr）可以通过超小的GNs （3.6 nm）吸收辐射能量并引起DNA损伤。在小鼠模型中，通过增强γ-H2AX聚焦的形成和抑制肿瘤生长，证实了DNA损伤的程度。此外，体外和体内研究证实，放射治疗的效果依赖于超小gn的剂量。5 mg / kg的超微GNs可适度抑制肿瘤生长。重要的是，在超声处理后，全氟辛基溴化液芯可迅速释放氧气。这可能通过固定DNA自由基中间体来缓解肿瘤缺氧并阻止DNA修复，从而导致癌细胞死亡。总之，这种双DNA靶向策略获得了最佳的放疗效果。

4 纳米金毒性研究

随着纳米生物技术的飞速发展，纳米材料的安全性问题也不可避免地引起了人们的关注。与此相关，出现了“纳米毒理学”、“纳米材料毒性”甚至“纳米安全”等术语。与金的毒性有关的问题也早有提出[22]。在这些早期的文章中，在实验动物体内注射金可能导致炎症反应，金在淋巴组织网状细胞中积累，以及细胞和体液免疫的激活。Pacheco[22]提出了许多GNs对非特异性免疫反应影响的数据。兔子静脉注射5ml GNs后2小时，1毫升血液中的白细胞总数有相当大的增加（从9，900个增加到19，800个），而单核形式的白细胞略有减少（从5200个减少到4900个），多核形式的白细胞大量增加（从4700个增加到14900个）。在给药其他胶体金属时没有观察到这种现象。作为贵金属作用的机理，在某些含硫氨基酸的作用下，免疫系统细胞内Au（0）向Au（I）的转化。研究纳米粒子的细胞毒性有两种实验方法，即体外（使用动物细胞培养））和体内方法。

Schaeublin等[23]研究表明，三种不同的GNPs（带正电、中性和负电））表明，细胞形态均被三种GNPs扰乱，且呈剂量依赖性毒性;带电GNPs的毒性低至10μg/ml，中性为25μg/ml。Favi等[24]研究了不同形状对GNPs细胞毒性的影响。结果表明，直径约为60 nm的金纳米球对成纤维细胞和内皮细胞的毒性强于直径约为35 nm的金纳米星和长GNRs（电子束物理气相沉积制备）。如果粒子浓度上限不超过1012 /毫升颗粒，GNPs在3-5nm的小直径范围内没有细胞毒性。较低的毒性边界与GNP直径1至2 nm有关，并由GNPs不可逆结合关键生物分子（DNA等）和改变细胞分子过程功能的能力决定

5小結

近年来，纳米金技术由于其本身的特性，在生物医学领域展现出巨大的应用潜力。其独特的物理和化学特性，是它在肿瘤诊治方面具有很好的应用前景，将为肿瘤的诊治带来更有效、先进的手段。但任何技术都有多面性，对于纳米金技术还需长期实践，尽量避免可能为人类健康带来风险的方面。

参考文献：

[1] Zhang Z.， Wang J.， Chen C. Gold nanorods based platforms for light-mediated theranostics [J]. Theranostics， 2013， 3（3）： 223-238.

[2] Vines J. B.， Yoon J. H.， Ryu N. E.， etc. Gold nanoparticles for photothermal cancer therapy [J]. Frontiers in Chemistry， 2019， 7（APR）.

[3] Gong N.， Chen S.， Jin S.， etc. Effects of the physicochemical properties of gold nanostructures on cellular internalization [J]. Regen. Biomater.， 2015， 2（4）： 273-280.

[4] Kumar A.， Zhang X.， Liang X. J. Gold nanoparticles： Emerging paradigm for targeted drug delivery system [J]. Biotechnology Advances， 2013， 31（5）： 593-606.

[1] Zhang Z.， Wang J.， Chen C. Gold nanorods based platforms for light-mediated theranostics [J]. Theranostics， 2013， 3（3）： 223-238.

[2] Vines J. B.， Yoon J. H.， Ryu N. E.， etc. Gold nanoparticles for photothermal cancer therapy [J]. Frontiers in Chemistry， 2019， 7（APR）.

[3] Gong N.， Chen S.， Jin S.， etc. Effects of the physicochemical properties of gold nanostructures on cellular internalization [J]. Regen. Biomater.， 2015， 2（4）： 273-280.

[4] Kumar A.， Zhang X.， Liang X. J. Gold nanoparticles： Emerging paradigm for targeted drug delivery system [J]. Biotechnology Advances， 2013， 31（5）： 593-606.

[5] Kwon K. C.， Jo E.， Kwon Y. W.， etc. Superparamagnetic gold nanoparticles synthesized on protein particle scaffolds for cancer theragnosis [J]. Adv Mater， 2017， 29（38）.

[6] Luke G. P.， Myers J. N.， Emelianov S. Y.， etc. Sentinel lymph node biopsy revisited： Ultrasound-guided photoacoustic detection of micrometastases using molecularly targeted plasmonic nanosensors [J]. Cancer Research， 2014， 74（19）： 5397-5408.

[7] Han S.， Bouchard R.， Sokolov K. V. Molecular photoacoustic imaging with ultrasmall gold nanoparticles [J]. Biomedical Optics Express， 2019， 10（7）： 3472-3483.

[8] Cheng Y.， Meyers J. D.， Broome A. M.， etc. Deep penetration of a pdt drug into tumors by noncovalent drug-gold nanoparticle conjugates [J]. Journal of the American Chemical Society， 2011， 133（8）： 2583-2591.

[9] Cheng Y.， Doane T. L.， Chuang C. H.， etc. Near infrared light-triggered drug generation and release from gold nanoparticle carriers for photodynamic therapy [J]. Small， 2014， 10（9）： 1799-1804.

[10] Penon O.， Patino T.， Barrios L.， etc. A new porphyrin for the preparation of functionalized water-soluble gold nanoparticles with low intrinsic toxicity [J]. ChemistryOpen， 2015， 4（2）： 127-36.

[11] Meyers Joseph D， Cheng Yu， Broome Ann‐Marie， etc. Peptide‐targeted gold nanoparticles for photodynamic therapy of brain cancer [J]. Particle & Particle Systems Characterization， 2015， 32（4）： 448-457.

[12] Garcia Calavia P.， Chambrier I.， Cook M. J.， etc. Targeted photodynamic therapy of breast cancer cells using lactose-phthalocyanine functionalized gold nanoparticles [J]. J Colloid Interface Sci， 2018， 512： 249-259.

[13] Mangadlao J. D.， Wang X.， McCleese C.， etc. Prostate-specific membrane antigen targeted gold nanoparticles for theranostics of prostate cancer [J]. ACS Nano， 2018， 12（4）： 3714-3725.

[14] Kautzka Z.， Clement S.， Goldys E. M.， etc. Light-triggered liposomal cargo delivery platform incorporating photosensitizers and gold nanoparticles for enhanced singlet oxygen generation and increased cytotoxicity [J]. Int J Nanomedicine， 2017， 12： 969-977.

[15] Alea-Reyes M. E.， González A.， Calpena A. C.， etc. Gemini pyridinium amphiphiles for the synthesis and stabilization of gold nanoparticles for drug delivery [J]. Journal of Colloid and Interface Science， 2017， 502： 172-183.

[16] Zhang X. D.， Wu D.， Shen X.， etc. Size-dependent radiosensitization of peg-coated gold nanoparticles for cancer radiation therapy [J]. Biomaterials， 2012， 33（27）： 6408-6419.

[17] Luo D.， Wang X.， Zeng S.， etc. Targeted gold nanocluster-enhanced radiotherapy of prostate cancer [J]. Small， 2019， 15（34）.

[18] Zhang Y.， Huang F.， Ren C.， etc. Enhanced radiosensitization by gold nanoparticles with acid-triggered aggregation in cancer radiotherapy [J]. Advanced Science， 2019， 6（8）.

[19] Begg A. C.， Stewart F. A.， Vens C. Strategies to improve radiotherapy with targeted drugs [J]. Nature Reviews Cancer， 2011， 11（4）： 239-253.

[20] Sharma R. A.， Plummer R.， Stock J. K.， etc. Clinical development of new drug-radiotherapy combinations [J]. Nature Reviews Clinical Oncology， 2016， 13（10）： 627-642.

[21] Jiang W.， Li Q.， Xiao L.， etc. Hierarchical multiplexing nanodroplets for imaging-guided cancer radiotherapy via DNA damage enhancement and concomitant DNA repair prevention [J]. ACS Nano， 2018， 12（6）： 5684-5698.

[22] Eisler R. Mammalian sensitivity to elemental gold （au degrees） [J]. Biol Trace Elem Res， 2004， 100（1）： 1-18.

[23] Schaeublin N. M.， Braydich-Stolle L. K.， Schrand A. M.， etc. Surface charge of gold nanoparticles mediates mechanism of toxicity [J]. Nanoscale， 2011， 3（2）： 410-20.

[24] Favi P. M.， Gao M.， Johana Sepulveda Arango L.， etc. Shape and surface effects on the cytotoxicity of nanoparticles： Gold nanospheres versus gold nanostars [J]. J Biomed Mater Res A， 2015， 103（11）： 3449-62.

[25] 劉文佳， 谷小虎， 丁轶， etc. 纳米金在抗肿瘤研究中的应用 [J]. 现代生物医学进展， 2010， 10（05）： 982-985.

[26] 韦贵生， 相法伟， 田甜， etc. 纳米金在肿瘤检测及放射治疗中的应用 [J]. 辐射研究与辐射工艺学报， 2016， 34（04）： 19-24.

[27] 陈现现， 刘凤永， 付金鑫， etc. 纳米金在肿瘤诊疗中的应用 [J]. 中华介入放射学电子杂志， 2017， 5（01）： 39-45.

[28] 刘梁生， 张雪宁， 李江， etc. 纳米金的靶向探针在肿瘤细胞ct成像的初步研究 [J]. 世界最新医学信息文摘， 2017， 17（18）： 3-4+43.

[29] 廉晓丽， 杨毅梅. 纳米金在肿瘤诊断治疗中的研究现状 [J]. 实用医药杂志， 2019， 36（01）： 81-85.

[30] 丁笠， 王鹏宇， 张新跃. 基于纳米金的肿瘤靶向给药系统的研究进展 [J]. 中国现代应用药学， 2021， 38（13）： 1639-1646.

[31] 丁笠， 张新跃. 纳米金用于肿瘤免疫治疗的研究进展 [J]. 中国肿瘤， 2021， 30（01）： 58-66.

作者简介：王晓雨，女，汉族，新疆乌鲁木齐市，1995.10.15，研究生在读，工作单位：昆明医科大学第一附属医院，主要研究方向或者从事工作：耳鼻咽喉科学。

通讯作者：何晓光，E-mail：hexg1018@163.com

3871501908294