腫瘤的光治療法研究進(jìn)展

馬正虎 左雨鳳 李蓉蓉 郭惠玲

【摘?要】光治療（Phototherapy）是指通過近紅外光照射病灶區(qū)，刺激光療試劑殺死腫瘤細(xì)胞，以達(dá)到治療的目的。光療主要包括光動(dòng)力治療（Photodynamic Therapy，PDT）以及光熱治療（Photothermal Therapy，PTT）兩種形式。本文概述了光治療的作用機(jī)制，分析了光治療在癌癥診斷和治療過程中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，介紹了具有代表性的納米診療劑，展望了癌癥診療一體化領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，將光療與其他治療手段聯(lián)合將成為新一代癌癥治療的新機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

【關(guān)鍵詞】腫瘤;光熱治療;光動(dòng)力治療;聯(lián)合治療;診療一體化

【中圖分類號(hào)】R730.58

1.引言

目前，癌癥大多數(shù)的臨床治療手段都是化療、放療和手術(shù)。這三種方式存在副作用大、效率低且后期易復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移等缺點(diǎn)。因此，安全有效的新型腫瘤治療成為當(dāng)下亟需解決的問題。目前，基于腫瘤微環(huán)境（Tumor microenvironment，TME）中高水平存在的酸性pH值、內(nèi)源性H2O2、過表達(dá)酶等特異性因素開發(fā)了光熱治療（PTT）、光動(dòng)力治療（PDT）產(chǎn)生活性氧等特異性治療方式。光治療具有時(shí)間短、療效顯著、毒副作用小等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而被廣泛關(guān)注和研究，并且已有部分應(yīng)用于臨床中[1]。此外，生物膜的存在給消毒滅菌帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。而利用光治療等技術(shù)可以有效的破壞生物膜，進(jìn)而消滅細(xì)菌且不會(huì)產(chǎn)生耐藥性。因此，對(duì)光治療的研究進(jìn)展歸納是非常有必要的。

2.光治療法概況

2.1光熱治療

光熱治療（Photothermal Therapy，PTT）是在近紅外光的照射下，利用具有生物安全性的光熱劑，吸收光轉(zhuǎn)化為熱，通過加熱光熱劑周圍的癌細(xì)胞，當(dāng)溫度升高到一定溫度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致周圍腫瘤細(xì)胞的細(xì)胞膜破裂或蛋白質(zhì)變性，從而使癌細(xì)胞死亡，達(dá)到治療的效果。

Au納米粒子是最有前途的PTT納米材料之一，例如金納米棒、金納米殼、金納米籠或金納米球。Au納米粒子除了具有等離子效應(yīng)外，它們還增強(qiáng)了對(duì)腫瘤血管的通透性，從而提高了其在腫瘤組織中的滯留率。盡管金納米粒子能夠成功地進(jìn)入腫瘤組織，但它們受到巨噬細(xì)胞的吞噬。因此，金納米粒子表面修飾生物相容性聚合物以抑制吞噬細(xì)胞的再攝取。此外，納米材料無法區(qū)分癌細(xì)胞和正常細(xì)胞。因此，在一些研究中，將金納米粒子與特定的抗體靶向癌受體結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)與健康組織的最小結(jié)合。

2.2光動(dòng)力治療

光動(dòng)力療法（Photodynamic therapy，簡(jiǎn)稱PDT）是利用無毒性的光敏物質(zhì)暴露在特定波長(zhǎng)的光下，讓該物質(zhì)對(duì)特定癌細(xì)胞或疾病細(xì)胞產(chǎn)生毒性光毒性而達(dá)到治療效果。光動(dòng)力治療需要三個(gè)條件：光敏劑、光源、細(xì)胞中的氧分子。光敏劑是PDT的基本條件之一，不存在毒性，在特定波長(zhǎng)下，它可以用作治療劑?；罨墓饷魟⒛芰總鬟f給氧分子，從而產(chǎn)生活性氧（ROS），ROS可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡或壞死，破壞細(xì)胞外基質(zhì)，使得治療劑更深入的滲透。大多數(shù)的光敏劑已被開發(fā)用于治療癌癥，其應(yīng)用范圍正在擴(kuò)大。其中一些已經(jīng)商業(yè)化并上市。然而，目前商業(yè)化的光敏劑存在一些缺點(diǎn)，從而限制了PDT的發(fā)展。例如，高度共軛的有機(jī)光敏劑，包括卟啉、酞菁和氯的衍生物，在生理?xiàng)l件下很難溶解并呈現(xiàn)嚴(yán)重的聚集傾向，從而導(dǎo)致不利的生物利用度和生物分布，這些藥物被廣泛地研究用于腫瘤細(xì)胞的治療，通過對(duì)藥物進(jìn)行修飾規(guī)避一些缺點(diǎn)，如在水溶性溶劑中對(duì)其進(jìn)行改性，制造用于生成活性氧的新材料，并與納米顆粒結(jié)合。近年來針對(duì)癌癥PDT的智能納米醫(yī)學(xué)的新方法通常利用腫瘤微環(huán)境的特征對(duì)腫瘤細(xì)胞進(jìn)行殺傷，例如缺氧，酶，滲漏血管系統(tǒng)，以及癌細(xì)胞過度表達(dá)受體的配體等。

3.光熱劑和光敏劑研究進(jìn)展

3.1光熱劑的選擇

納米材料，特別是貴金屬納米粒子，由于其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，在納米醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。金、銀等貴金屬納米粒子具有獨(dú)特的光物理現(xiàn)象，稱為局域表面等離子體共振（LSPR），這增強(qiáng)了它們的光吸收。除了貴金屬納米粒子之外，山梨醇納米探針、聚苯胺連接的納米晶體、墨魚墨水中提取的納米粒子以及石墨烯納米材料等也可以用于光熱治療。

3.2光敏劑的選擇

光敏劑的存在是PDT的三個(gè)關(guān)鍵因素之一，是除了光和氧之外。能夠吸收特定波長(zhǎng)的光，引發(fā)光化學(xué)或光物理反應(yīng)的物質(zhì)。理想光敏劑的特征和條件如下[2]：

·化學(xué)純度高?！な覝叵路€(wěn)定性。·只有在特定波長(zhǎng)下才有光敏效應(yīng)。·易溶于人體組織。·對(duì)腫瘤組織的高選擇性：光敏劑應(yīng)在受影響區(qū)域緩慢移除，至少幾個(gè)小時(shí)，但從健康組織中能迅速移除，從而將治療的光毒性副作用降至最低?！ち畠r(jià)簡(jiǎn)單的合成和易得性。

4.腫瘤的光熱光動(dòng)力聯(lián)合治療

4.1研究現(xiàn)狀

近年來，在納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，腫瘤靶向聯(lián)合治療越來越受到人們的重視。通過不同的機(jī)制產(chǎn)生協(xié)同抗癌作用，降低藥物毒性，抑制多藥耐藥性使得聯(lián)合治療比單一治療更有效。因此，采用兩種方法或多種方法綜合治療或一種方法輔助另一種方法治療已成為癌癥治療的新趨勢(shì)。光熱治療不僅能夠促使癌細(xì)胞的消融，還可以誘導(dǎo)局部血管損傷，增加腫瘤組織的血液灌注，進(jìn)而改善腫瘤內(nèi)部的乏氧狀態(tài)。因此，光熱治療、光動(dòng)力治療和化療的結(jié)合可能會(huì)引起協(xié)同的抗腫瘤反應(yīng)。

4.1.1 PTT的聯(lián)合治療

光熱治療由于其微創(chuàng)等優(yōu)點(diǎn)，受到了越來越多的關(guān)注，金納米材料由于其特殊的光物理現(xiàn)象，具有良好的光熱轉(zhuǎn)換效果，吸引了眾多科研者對(duì)其進(jìn)行研究。但是單一的光熱試劑在體內(nèi)的非特異性分布以及近紅外光照射可能對(duì)正常組織造成損傷，限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。同時(shí)，常用的抗腫瘤藥物如多比柔星（DOX）、紫杉醇（PTX）等，雖然對(duì)腫瘤有較好的殺傷作用，但對(duì)人體有嚴(yán)重的毒副作用。因此，關(guān)于具有靶向作用的藥物載體的研究是十分重要的。

由于脂質(zhì)體與細(xì)胞膜的組成相似，并且具有親水層與疏水層，可以對(duì)不同理化性質(zhì)的化療藥物進(jìn)行包裹，更好地與細(xì)胞膜融合，具有良好的生物安全性，因此，脂質(zhì)體被廣泛應(yīng)用于納米藥物載體。為了能取得顯著的抗腫瘤效果又能降低全身毒性，Meng Yu等人[3]設(shè)計(jì)了一種基于金納米棒（GNRs）和熱敏脂質(zhì)體（TSL）的腫瘤累積和局部觸發(fā)釋放納米載體系統(tǒng)，以提高腫瘤內(nèi)藥物濃度，從而提高化療的療效。通過增強(qiáng)的滲透和滯留（EPR）效應(yīng)使納米載體在腫瘤中共沉積，在近紅外（NIR）刺激下產(chǎn)生局部升溫，進(jìn)而殺傷癌細(xì)胞。

然而，為了使納米材料有更好的細(xì)胞攝取能力，Van Du Nguyen等人[4]提出脂質(zhì)體納米復(fù)合物可以通過將葉酸（FA）分子修飾包裹金納米棒（AuNRs）和阿霉素（DOX）的脂質(zhì)體表面，靶向脂質(zhì)體在協(xié)同光熱化療作用下，對(duì)癌細(xì)胞的毒性明顯增強(qiáng)。此外，荷瘤小鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聯(lián)合靶向脂質(zhì)體可以有效地抑制腫瘤的生長(zhǎng)。采用化療和近紅外熱療相結(jié)合的方法不僅可以治療腫瘤，抑制腫瘤的生長(zhǎng)，還能對(duì)腫瘤的轉(zhuǎn)移進(jìn)行治療。Daisuke Matsuki等人[5]在研究中證明，在小鼠腋窩淋巴結(jié)（P-ALN）的腫瘤可以通過應(yīng)用外部激光來觸發(fā)與金納米棒（GNRs）一起給藥的熱敏脂質(zhì)體（TSLs）包裹的阿霉素（DOX）的卸載。將GNRs+DOX-TSLs注入含有癌細(xì)胞的小鼠淋巴結(jié)，用近紅外激光照射激活DOX釋放。激光輻照GNRs引起的溫度變化觸發(fā)了TSLs釋放DOX。與其他組相比，聯(lián)合治療組對(duì)腫瘤生長(zhǎng)的抑制程度更大。體內(nèi)生物發(fā)光成像和組織學(xué)分析證實(shí)聯(lián)合治療后腫瘤壞死。這項(xiàng)研究提出了一種治療乳腺癌轉(zhuǎn)移的方法，具有良好的治療效果，有可能發(fā)展成為一種替代手術(shù)治療乳腺癌轉(zhuǎn)移的方法。

除了金等貴金屬納米材料外，吲哚菁綠（ICG）作為一種傳統(tǒng)的臨床近紅外熒光染料，由于能夠高效吸收激光，也可用于光熱和光動(dòng)力治療，但是 ICG 在水溶液中的不穩(wěn)定性及在體內(nèi)的快速清除限制了它的應(yīng)用。納米傳輸系統(tǒng)能夠提高 ICG 的光穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，可有效避免 ICG 的分解及體內(nèi)清除，同時(shí)能夠調(diào)節(jié) ICG 的體內(nèi)循環(huán)和分布。Mingbin Zheng等人[6]用一步超聲法制備了負(fù)載多柔比星（DOX）和吲哚菁綠（ICG）的聚乳酸-羥基乙酸（PLGA）、卵磷脂、聚乙二醇（PEG）納米粒子（DINPs）。與游離ICG和DOX相比，DINPs具有良好的單分散性、熒光/尺寸穩(wěn)定性和一致的光譜特性。此外，DINPs具有更高的溫度響應(yīng)、更快的DOX釋放和更長(zhǎng)的腫瘤保留時(shí)間。與單純化療或光熱治療相比，聯(lián)合治療可協(xié)同誘導(dǎo)DOX敏感的MCF-7和DOX耐藥的MCF-7/ADR細(xì)胞凋亡和死亡，抑制MCF-7和MCF-7/ADR腫瘤生長(zhǎng)。值得注意的是，激光照射僅一次劑量的DINPs后沒有腫瘤復(fù)發(fā)。激光照射后，DINPs顯著提高了ICG的穩(wěn)定性，產(chǎn)生了比游離ICG更高的局部溫度，有效地促進(jìn)了細(xì)胞對(duì)DOX和ICG的攝取。光熱聯(lián)合化療不僅能協(xié)同誘導(dǎo)DOX敏感的MCF-7或耐藥的MCF-7/ADR細(xì)胞體外死亡，而且能抑制MCF-7或MCF-7/ADR腫瘤的生長(zhǎng)，預(yù)防體內(nèi)腫瘤復(fù)發(fā)。

4.1.2 PDT的聯(lián)合治療

在缺氧性腫瘤的治療中，氧依賴性光動(dòng)力療法（PDT）是相當(dāng)有限的。一種新型雙金屬雙相Rh基核殼納米系統(tǒng)[7]解決了腫瘤缺氧的問題，同時(shí)提高了PDT的療效。這種納米系統(tǒng)表現(xiàn)出類似過氧化氫酶的活性，以有效地催化腫瘤中內(nèi)源性過氧化氫產(chǎn)生氧氣。并且顯示出良好的生物相容性，高腫瘤堆積，以及優(yōu)越的熒光和光聲成像特性。對(duì)于無法通過手術(shù)徹底切除的殘余微小腫瘤實(shí)施光動(dòng)力治療，可有效降低癌癥的復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移。更為重要的是，光動(dòng)力治療在殺死腫瘤細(xì)胞的同時(shí)，使腫瘤細(xì)胞釋放腫瘤抗原，誘導(dǎo)宿主產(chǎn)生免疫反應(yīng)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究表明，光動(dòng)力聯(lián)合免疫檢查點(diǎn)阻斷治療腫瘤可產(chǎn)生協(xié)同療效。對(duì)于殘余微小腫瘤的光動(dòng)力治療，需要借助術(shù)中影像進(jìn)行檢測(cè)，方能實(shí)施精準(zhǔn)光照治療。目前的研究方法通常將光敏劑包載于納米載體中，利用納米粒子在血液中循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)的特性，增加光敏劑在腫瘤中富集。利用光敏劑自身的熒光性質(zhì)實(shí)現(xiàn)術(shù)中熒光成像引導(dǎo)的光動(dòng)力治療。然而，光敏劑分子需要在光動(dòng)力治療后迅速?gòu)捏w內(nèi)清除，以減少光毒性帶來的副作用。這樣的設(shè)計(jì)使得光敏劑分子跟隨納米粒子在血液中的滯留時(shí)間大大延長(zhǎng)，增加了光毒性。研究人員偶然發(fā)現(xiàn)免疫球蛋白G與一種叫作二氫卟吩的光敏劑分子存在天然的高親和力，利用該分子間的親和作用，由大分子抗體攜帶光敏劑進(jìn)入腫瘤，增加腫瘤內(nèi)富集的同時(shí)不延長(zhǎng)光敏劑在血液中的清除速率，實(shí)現(xiàn)術(shù)中熒光影像指導(dǎo)的光動(dòng)力聯(lián)合免疫檢查點(diǎn)阻斷治療的新療法。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)綜合治療的策略，董文飛[8]等人開發(fā)了一種Janus型磁介孔二氧化硅納米載藥系統(tǒng)。通過結(jié)合光動(dòng)力治療、磁熱治療和免疫檢查點(diǎn)阻斷治療的綜合治療策略，既能消除腫瘤組織，又能抑制癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移，并為實(shí)現(xiàn)這種綜合治療策略提供了一種高效安全的納米藥劑。Beibei Ma1等人[9]展示了一個(gè)智能納米平臺(tái)，將3-二甲基-1-丙基吲哚碘化物（IR780）和替拉帕扎明（TPZ）分別與聚（ε-己內(nèi)酯）-聚乙二醇（PEG-PCL）共沉積，形成多功能納米粒（PEG-PCL-IR780-TPZ）。PEG-PCL不僅延長(zhǎng)了IR780和TPZ的循環(huán)時(shí)間，而且通過增強(qiáng)滲透和滯留（EPR）效應(yīng)促進(jìn)了納米藥物的腫瘤積聚。此外，由808 nm激光照射的IR780產(chǎn)生活性氧（ROS）。同時(shí)，IR780作為靶向線粒體的光療劑，使腫瘤缺氧微環(huán)境惡化，活化TPZ，完成缺氧活化化療。最重要的是，IR780能夠在協(xié)同治療期間觸發(fā)免疫原性細(xì)胞死亡（ICD）。ICD生物標(biāo)志物作為一種“危險(xiǎn)信號(hào)”加速了樹突狀細(xì)胞（DC）的成熟，并隨后激活了毒性T淋巴細(xì)胞。聯(lián)合光療和低氧活化化療所激發(fā)的抗腫瘤免疫反應(yīng)，改變了目前腫瘤治療的格局，顯著抑制了腫瘤轉(zhuǎn)移，在臨床上具有廣闊的應(yīng)用前景。

4.2優(yōu)缺點(diǎn)分析

光動(dòng)力治療與熱療具有毒副作用小等優(yōu)點(diǎn)，但由于選擇性差，僅能作為癌癥局部治療的手段，不能產(chǎn)生全身系統(tǒng)的抗腫瘤反應(yīng)，因而這種聯(lián)合治療方法無法有效地抑制癌癥的轉(zhuǎn)移。免疫檢查點(diǎn)阻斷療法是一種通過激活腫瘤特異性免疫T細(xì)胞來對(duì)抗癌癥轉(zhuǎn)移的臨床治療方式，但由于免疫反應(yīng)激活效率的低下，使得該種療法在轉(zhuǎn)移性腫瘤的治療中表現(xiàn)并不理想。近紅外激光雖然可以深入腫瘤組織，但穿透深度仍然有限。

5.結(jié)論

盡管光治療方法在人力、物力和財(cái)力上投入巨大，但腫瘤的復(fù)雜性、多樣性和異質(zhì)性給尋求理想的治療方法帶來了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，許多利用熒光、超聲波、磁共振成像（MRI）、計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）或正電子發(fā)射斷層掃描（PET）的多功能醫(yī)學(xué)成像技術(shù)已使癌癥的早期診斷和腫瘤的準(zhǔn)確定位成為可能。迫切需要開發(fā)新型的治療平臺(tái)，在多種治療手段的協(xié)同作用下實(shí)現(xiàn)診療一體化，在協(xié)同成像指導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)精確的腫瘤檢測(cè)和治療。

在診療一體化平臺(tái)的構(gòu)建中，除了需要提高腫瘤部位對(duì)納米診療劑的特異性攝取，還需要提高納米診療劑穿透各種生物屏障的能力。例如，為了使納米診療劑用于腦瘤的治療，需要克服血腦屏障，使納米材料到達(dá)腦部腫瘤組織[10]。其次，我們還需注意納米診療劑在體內(nèi)重復(fù)使用的治療效果。最后，光治療的分子機(jī)制，包括腫瘤細(xì)胞的多種信號(hào)通路，仍然很少被研究。最近有研究發(fā)現(xiàn)高達(dá)97%的納米顆粒進(jìn)入實(shí)體瘤的主導(dǎo)機(jī)制是主動(dòng)的跨內(nèi)皮通路，而不是目前確定的借由內(nèi)皮間間隙的被動(dòng)運(yùn)輸，這個(gè)發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了我們目前開發(fā)癌癥納米藥物的理論基礎(chǔ)，需要對(duì)納米藥物在腫瘤部位的積聚機(jī)制進(jìn)行更深層次的研究。對(duì)腫瘤生物學(xué)的研究將有助于我們更好地理解耐藥的內(nèi)在機(jī)制，有助于設(shè)計(jì)新的納米材料，用于精確有效的癌癥治療。

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作者簡(jiǎn)介：

郭惠玲（1980.10）副教授，湖北武漢，博士，副教授，致力于納米和小分子靶向藥物研究，近年來，在納米靶向藥物、磁性材料的分離和應(yīng)用、分子影像等領(lǐng)域展開了較為系統(tǒng)的研究，相關(guān)成果發(fā)表SCI/EI論文7篇，北大中文核心4篇。獨(dú)立開展研究以來，主持國(guó)家自然科學(xué)基金1項(xiàng)，湖北省自然科學(xué)基金1項(xiàng)，參與各類橫縱向科研項(xiàng)目多項(xiàng)。

（作者單位：1 湖北工業(yè)大學(xué) 生物工程與食品學(xué)院，發(fā)酵工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，工業(yè)微生物湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家“111”細(xì)胞調(diào)控與分子制劑中心，食品發(fā)酵工程技術(shù)湖北省研究中心）