新型二維納米材料聯(lián)合超聲相關生物醫(yī)學技術在腫瘤診療中的應用進展

楊微，馬永寧，郝軼

0 引言

二維納米材料是指一個維度具有限定尺寸，而在其他兩個維度上可無限延伸的材料。從最初的石墨烯開始，二維納米材料發(fā)展到現(xiàn)在已有20多種，包括石墨烯、黑磷、六方氮化硼、過渡金屬二硫族化合物和過渡金屬碳化物等[1]。二維材料中最具有代表性的材料是石墨烯（graphene），它是由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角型，僅單層原子厚度的蜂巢晶格狀平面結構。其基本結構單元為有機結構中最穩(wěn)定的六元苯環(huán)，厚度僅0.35 nm，是目前已知最薄的二維納米材料，最早于2004年由英國曼切斯特大學的Geim及Novoselov等利用微機械分離的方法獲得，兩人因此獲得2010年諾貝爾物理學獎[2]。石墨烯可通過卷曲形成零維的富勒烯、一維的碳納米管以及堆垛成三維的石墨。其特殊的結構使得石墨烯表現(xiàn)出許多優(yōu)異的理化性質，如良好的導熱性能，其熱導率高達5×103W/(m.K)，較大的比表面積（單片石墨烯的比表面積為2 630 m2/g）、優(yōu)異的光學性能等，因此廣泛應用于藥物傳遞、抗腫瘤、臨床檢測、生物工程等生物醫(yī)學領域。

2014年，復旦大學Li等[3]首次利用膠帶機械剝離法制得厚度僅7.5 nm的二維黑磷納米材料（black phosphorus, BP）。二維黑磷的成功制備使其成為二維材料的新成員。黑磷是一種由范德華力相互作用、將單個原子層疊加在一起的層狀材料，每個磷原子與三個相鄰的磷原子共價結合，形成二維波浪狀結構，比石墨烯具有更多的褶皺，使得黑磷納米材料具有更大的比表面積，在載藥方面具有更大的優(yōu)勢。相比于石墨烯，作為二維半導體材料的黑磷具有較寬的可調節(jié)帶隙（0.3～2.0 ev），使其在紫外、紅外和可見光光譜中具有廣泛的光吸收，這種獨特的光學特性使黑磷在生物傳感、光聲成像、光動力學治療、光熱治療領域具有更大的優(yōu)勢[4]。此外，石墨烯在體內需經功能化修飾后才能被降解，而黑磷在體內可直接在水和氧氣的作用下直接降解，產生無毒的中間體，因此在體內應用更安全，尤其是在癌癥治療方面[5]。

1 石墨烯、黑磷的生物學性能

1.1 在藥物載體方面的應用進展

國際上常用的化療藥物主要以細胞毒性藥物為主，存在靶向性差、心腎毒副作用大、治療效果不理想的問題。近年研究表明超聲聯(lián)合載藥微泡可有效殺傷腫瘤細胞，但研究者發(fā)現(xiàn)微泡粒徑較大，應用單層微泡脂質殼層的載藥能力有限，往往難以達到疾病治療的有效劑量，并且其靶向遞送效果有限。

目前有學者認為利用納米材料及技術研制生物相容性更好，能同時裝載抗腫瘤藥物及基因，且具有良好的控釋功能，可實現(xiàn)腫瘤定點靶向治療，在提高藥物生物利用度的同時減少藥物的毒副作用。最佳的藥物載體應具備安全可靠、轉染能力高、藥物與載體的良好協(xié)同作用以及靶向性好等特點。由于比表面積大、易于修飾等特點，石墨烯、黑磷等新型二維納米材料作為藥物載體在生物醫(yī)學領域受到了極大關注，現(xiàn)已成為國際上新型藥物載體的研究熱點。

目前，國內外學者已針對氧化石墨烯（graphene oxide, GO）載藥方面做了很多的研究工作。2008年Liu等[6]首次將氧化石墨烯作為藥物載體，其用聚乙二醇（polyethylene glycol, PEG）對納米氧化石墨烯（nano-graphene oxide, NGO）進行表面修飾以增加石墨烯溶解性，同時通過π-π鍵堆積的方式將石墨烯與喜樹堿SN38結合，利于藥物在體內的釋放。研究證實NGO-PEG-SN38作為藥物載體具有可靠的生物安全性。但是，當前的GO體系主要通過非共價物理吸附來載藥，存在載藥量不穩(wěn)定和腫瘤被動靶向的缺點。而正己酰羧甲基殼聚糖（CHC）表面具有氨基、羧基等化學基團，易于修飾，水溶性差，只有在酸性水溶液中才能溶解。CHC修飾后的GO可連接各種特異性靶向配體，在腫瘤酸性微環(huán)境中才能溶解釋藥。Bao等[7]將制備的氧化石墨烯共價接枝殼聚糖（GO-CS）作為抗癌藥物喜樹堿的納米載體，實驗發(fā)現(xiàn)該復合材料在72 h后對喜樹堿（CPT）的負載量增長至17.5%，同時毒性測試表明，100 mg/L的GO-CS載體本身沒有毒性，但是負載GO-CS-CPT的復合物的50%抑制濃度（IC50）僅為29 μmol/L。Wang等[8]也報道了將環(huán)形精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸多肽（cyclic Arg-Gly-Asp, cyclic RGD, cRGD）殼聚糖/氧化石墨烯聚合物作為肝細胞癌靶向治療的藥物釋放系統(tǒng)，該系統(tǒng)對阿霉素的負載能力高達1.00 mg/mg，在pH值較低時即腫瘤環(huán)境下能夠很好地識別肝癌細胞并釋放藥物對其進行吞噬。

黑磷是繼石墨烯之后的二維材料新寵，展現(xiàn)出卓越的光電特性，被視為新的超級材料[9]，尤其是在生物醫(yī)藥領域具有巨大的應用價值。相對傳統(tǒng)材料，黑磷主要在藥物載體、腫瘤的光聲成像、光熱和光動力療法新材料三大方面體現(xiàn)了它的潛力[10-11]。目前，本課題組兩名成員（合作單位：深圳大學張晗教授千人課題組成員）在既往的研究中，采用優(yōu)化的液態(tài)剝離法，首次將黑磷二維納米薄片應用于診斷治療制劑載體的制備以及功能化修飾，研發(fā)了一種負載化療藥物阿霉素的“黑磷納米片載體系統(tǒng)”。其具有較大的表面積，很好的生物相容性，負載量和載藥性能顯著高于傳統(tǒng)的聚合物納米粒子載體，提高了化療藥物療效。研究中聯(lián)合采用聚焦超聲控釋的生物響應調節(jié)的化療—光熱聯(lián)合治療方法，載藥效率可達95%。在體內外驗證了強大的抑瘤效果，可精準靶向治療癌癥[12-14]。另一項研究[15]也證明黑磷納米片可負載自身質量為其數十倍的阿霉素（載藥重量約950%），且基于黑磷二維納米材料的光熱、光動力活性，成功將黑磷納米薄片與光熱、光動力治療及化療三種抗腫瘤模式結合，實現(xiàn)腫瘤多模式聯(lián)合治療。

1.2 在腫瘤光熱治療方面的應用進展

光熱治療（photothermal therapy, PTT）是在激光照射下，利用光熱轉換產生熱量，進而引起局部高溫來破壞、殺死腫瘤細胞，達到治療癌癥的目的。相較于傳統(tǒng)的手術治療、放療和化療，光熱治療具有副作用小、可控性好等優(yōu)點。二維石墨烯、黑磷等新型納米材料在近紅外光區(qū)域（near-infrared light, NIR）具有優(yōu)越的光吸收特性及高效的熱傳導性，其作為光熱治療劑在癌癥的光熱治療中具有廣泛的應用前景。

Yang等將花菁染料7（Cy7）作為熒光標記方法，探究了PEG修飾的納米石墨片（PEG-NGS）的體內過程[16]，將合成的PEG-NGS-Cy7復合材料靜脈注射24 h后在腫瘤區(qū)域可見很強的熒光信號，可見該復合材料對腫瘤細胞具有較強的靶向性。隨后，在808 nm近紅外光照射后腫瘤組織達到100%消融，同時體內試驗進一步證明PEGNGS的潛在體內毒性低且可有效增強PTT抗腫瘤效果。此外，石墨烯還可與用于光動力學治療（photodynamic therapy, PDT）的光敏劑結合，實現(xiàn)多模式腫瘤治療。例如，Li等[17]利用逐步共軛法將氧化石墨烯與光敏劑富勒烯（C60）結合，成功研制了GO-C60復合物，實驗證實該復合物可在近紅外光作用下同時進行光熱及光動力學治療，兩者協(xié)同治療腫瘤的效果優(yōu)于PTT或PDT單獨治療。

黑磷較寬的可調節(jié)帶隙使其在光熱治療中具有獨特的優(yōu)勢。中科院深圳先進研究院Sun等[18]利用超聲剝離黑磷晶體的方法，制備了超小的黑磷納米粒（橫徑約2.6 nm，厚約1.5 nm），研究證實其對膠質瘤和乳腺癌細胞均具有良好的光熱抗腫瘤效果。隨后，又有學者將光敏劑修飾黑磷納米材料，研制了能同時用于光熱/光動力雙重抗腫瘤作用的復合納米材料。例如，Li等[19]開發(fā)了一種用于生物成像引導的光熱/光動力協(xié)同治療腫瘤的黑磷多功能納米粒（black phosphorus nanoparticles,BPNP），通過體外和體內研究證實了聚乙二醇化BPNP協(xié)同PTT和PDT對癌癥的治療效果，并通過組織學分析證實BPNP具有低毒性。最近，Yang等[20]也成功研制了能進行PTT/PDT雙重抗腫瘤作用的黑磷復合納米材料，研究者利用黑磷納米材料較高比表面積的特性將光敏劑chlorin e6修飾于黑磷納米材料中，使得制備的BP@PEG/Ce6納米復合材料不僅具有良好的生物相容性、生理穩(wěn)定性和腫瘤靶向性，而且具有較高的光熱轉換效率（43.6%）。

2 聯(lián)合超聲相關生物醫(yī)學技術在腫瘤治療中的應用

超聲相關生物醫(yī)學技術是指運用超聲或者超聲與其他技術相結合所產生的醫(yī)學原理和特性，對人類疾病進行研究、診斷和治療的技術。如超聲成像、聚焦超聲、聲動力學治療等。光聲成像（photoacoustic imaging, PAI）是結合了超聲成像及光學成像的新技術，具有傳統(tǒng)光學成像對比度高及超聲成像組織穿透性強的優(yōu)點。將超聲成像與光熱治療相結合，可進行治療前腫瘤位置及大小的確定、治療過程中實時監(jiān)測以及治療后療效的評估，以減少對周圍組織的熱損害，實現(xiàn)診療一體化[21]。

2.1 光聲成像引導下光熱治療

光聲成像利用組織內部光學吸收差異，將光能轉換為熱能，從而導致瞬態(tài)熱膨脹所引起的聲發(fā)射，然后由組織外的超聲換能器轉化為光聲圖像[22]。然而，激光較強的散射效應，導致光強和光聲信噪比隨生物組織深度增加呈指數級衰減，使得PAI主要局限于小型動物的成像，這也阻礙了其從臨床前研究向臨床應用的跨越[23]。目前，不少研究引入光聲造影劑來克服這種散射效應[24]。石墨烯、黑磷等二維納米材料具有近紅外吸收能力，從而成為重要的光聲造影劑[25]，以及作為光敏劑，結合光聲成像與光熱治療用于腫瘤的監(jiān)測與治療。

Sheng等報道的蛋白質輔助還原和表面功能化合成的納米還原石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）比未經修飾的GO具有更高的光聲信號[26]，在荷瘤小鼠靜脈注射納米rGO后，腫瘤區(qū)光聲信號迅速增強，顯示出其在被動靶向和光聲成像方面的優(yōu)勢。同時，由于rGO的光熱效應，使用連續(xù)波近紅外激光照射可有效消融體內的癌細胞。結果表明，蛋白質輔助制備的納米rGO適合于腫瘤的光聲成像和光熱治療，在診治一體化納米醫(yī)學中具有廣闊的應用前景。此外，通過引入熒光劑等物質還可增強石墨烯的光聲性能，Hu等[27]利用吲哚菁綠（indocyanine green, ICG）負載聚多巴胺還原石墨烯（PDA-rGO）制備了新型納米復合材料（ICG-PDA-rGO），結果表明， ICG可有效增強PDA-rGO在780 nm處的光吸收。經PA成像引導的PTT治療后，荷瘤小鼠的腫瘤被完全抑制，且未觀察到治療所致的毒性。

相較于石墨烯，黑磷在這方面的研究相對較少，Sun等報道了聚乙二醇（PEG）修飾的黑磷納米粒（BPNP）在光聲成像聯(lián)合光熱治療在癌癥治療中的應用[28]。表面聚乙二醇涂層使其在水中具有良好的穩(wěn)定性和溶解性。體內光聲圖像表明，PEG化BPNP可通過增強通透性滯留效應（EPR效應）在腫瘤中有效地積累，靜脈注射聚乙二醇化BPNP 24 h后，腫瘤的光聲信號強度高于腎臟和肝臟。與對照組小鼠相比，利用NIR在光聲成像引導下對荷瘤小鼠行進一步光熱消融治療后，腫瘤明顯縮小。說明功能化修飾的黑磷納米粒在癌癥監(jiān)測及治療一體化中有巨大潛力。然而，黑磷在生理條件下的不穩(wěn)定性導致其光聲信號的不穩(wěn)定，因此，Sun等[29]利用表面配體的方法將鈦配體的磺酸酯（TiL4）與黑磷量子點結合，以提高其作為光聲成像劑的穩(wěn)定性。與未經修飾的黑磷相比，TiL4配位黑磷量子點在水溶液中表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性，并且由于其較大的近紅外光吸收特性，表現(xiàn)出比金納米粒子（AuNPs）更好的光聲增強性能。

2.2 超聲成像引導下光熱治療

超聲（ultrasound, US）成像以其實時、低成本、安全性高和便攜性好等特點而在成像引導光熱治療中具有獨特的優(yōu)勢。不少研究將各種熱敏劑，如金納米粒、CuS納米粒等，與超聲造影劑復合物結合，制備了用于超聲成像引導PTT治療的納米復合材料。

Li等[30]將氧化鐵納米粒子負載到聚乳酸（polylactic acid, PLA）微囊中，再用氧化石墨烯進行表面功能化，制備了生物相容性良好且可同時增強超聲、磁共振和光聲成像的復合微囊，在近紅外光作用下，復合微囊能有效殺傷癌細胞。另一項研究[31]也成功制備了用于診療一體化的復合囊泡，研究者利用氧化石墨烯和釓螯合物對包裹液態(tài)氟碳的囊泡進行表面功能化，所制備的復合囊泡可在US及MRI引導下對腫瘤進行光熱治療。因此，將石墨烯納米材料與超聲及其他成像造影劑結合，可實現(xiàn)包括超聲在內的多模態(tài)成像引導下的腫瘤光熱治療。

2.3 聯(lián)合聲動力療法腫瘤治療

聲動力學療法（sonodynamic therapy, SDT）是在光動力學療法（photodynamic therapy, PDT）的基礎上發(fā)展起來的嶄新的腫瘤治療手段。利用一定頻率和強度的超聲波激發(fā)聚集在腫瘤區(qū)域的聲敏劑，產生具有細胞毒性的活性氧物質（ROS），包括羥基（OH·）、過氧自由基（HO2·）和非自由基單線態(tài)氧（1O2）的自由基，促使腫瘤細胞發(fā)生不可逆損傷，從而達到腫瘤治療目的，最先由日本學者Yumita發(fā)現(xiàn)并提出[32]。

為提高SDT療效，實現(xiàn)SDT/超聲熱療協(xié)同治療腫瘤的目的，研究學者利用還原石墨烯納米片（nrGO）為載體，將介孔二氧化硅（MSN）包覆于其表面，最后在MSN層表面負載Rb-PEG共軛磁性氧化鐵納米粒（IONs），合成nrGO@MSNION-PEG-RB復合納米系統(tǒng)[33]。nrGO和磁性氧化鐵在超聲誘導下的加熱效應可促進SDT過程中ROS的產生，MSN可促進超聲空化作用從而促進復合物的細胞內化。體內試驗結果顯示，在聚焦超聲作用下，rGO、MSN和IONs可提高聲敏劑Rb對SKBr3癌細胞的細胞毒性作用。此外，nrGO作為一種優(yōu)良的導熱基，在極低功率聚焦超聲輻射時觸發(fā)局部溫度升高，從而導致深度定向熱療。該研究表明，基于nrGO@MSN-ION-PEG-RB復合納米系統(tǒng)的SDT和聚焦超聲誘導的熱療協(xié)同作用可明顯抑制腫瘤的生長。最近，另一項研究也證明石墨烯與聲敏劑的結合可提高SDT治療效率。Dai等[34]開發(fā)了一種新型的納米復合物（TiO2-GR），將二維還原氧化石墨烯（GR）與聲敏劑二氧化鈦（TiO2）結合，與單純的TiO2納米粒相比，GR高導電性使TiO2-GR在體內產生較多的ROS。隨后，研究者將磁性MnOx作為MRI造影劑負載于復合物表面，為MnOx/TiO2-GR協(xié)同SDT與PTT腫瘤治療提供成像引導。

與石墨烯協(xié)同聲敏劑進行SDT治療不同，黑磷作為二維半導體材料與氧發(fā)生作用可產生1O2，有望成為新的聲納增敏劑用于SDT癌癥治療。最近，中南大學Ouyang等[11]首次證實超聲輻照黑磷的抗腫瘤效果比近紅外激光有效很多，即使在深層組織中也能產生較高的ROS，見圖1。該研究利用金納米粒子（Au NPS）負載于黑磷表面，進一步增強黑磷的聲動力學性能，制備的Au@BP納米雜化物與傳統(tǒng)的有機超聲波增敏劑相比，在超聲輻照下表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。體內荷瘤小鼠的研究表明，Au@BP納米雜合體可以有效抑制腫瘤生長，且副作用小，為開發(fā)安全高效的納米聲敏劑開辟了新的研究方向。

圖1 超聲輻照下Au@BP納米雜合體產生1O2機制圖[11]Figure1 Mechanism of 1O2 generation by Au@BP nanohybrids under ultrasound irradiation[11]

3 結語

新型二維納米材料與超聲相關生物醫(yī)學技術結合，展現(xiàn)出的良好生物醫(yī)學特性使其成為腫瘤治療學領域新的研究方向。但新型二維納米材料的研究仍處于初步階段，要在人體中應用仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，這些納米材料在人體內環(huán)境中所產生的毒性及生物穩(wěn)定性尚不明確，目前的相關研究仍處于體外及小型動物實驗階段，在大型動物體內的實驗研究鮮見報道。其次，納米載體實現(xiàn)臨床應用必然面臨材料規(guī)?；a的技術問題及成本問題，目前雖然納米載體在實驗室的制備技術日趨穩(wěn)定和成熟，但仍存在制備步驟復雜、成本高及效率低等問題。第三，協(xié)助納米材料用于腫瘤診療的超聲及光聲醫(yī)學設備大多還處于實驗室研究階段，如目前使用的光聲成像設備成像深度僅數十毫米，僅適用于小型動物的研究。因此，設備硬件與軟件的創(chuàng)新從而實現(xiàn)臨床應用至關重要。

盡管目前的研究存在一定局限性，但我國科學研究者在競爭激烈的國際材料科學領域仍然取得了許多重要的突破，尤其在藥物載體方面。近年來的實驗研究肯定了石墨烯、黑磷等二維納米材料作為藥物載體用于腫瘤診療的可行性，超聲相關生物醫(yī)學技術因實時、便捷等優(yōu)點，不斷用于疾病的診斷與治療。未來或許還可將黑磷等納米載體負載于超聲成像微泡，在超聲輻照下對其載藥系統(tǒng)進行可視化定向載藥控釋并進行療效評估。相信隨著生物醫(yī)學工程及分子生物學的不斷發(fā)展，新型二維納米材料結合超聲相關生物醫(yī)學技術在腫瘤診療的應用研究會有突破性的進展。