金納米顆粒在宮頸癌的成像及治療中的應(yīng)用研究進(jìn)展

張琳雪，葉洋，朱麗君，努爾尼沙·阿力甫

1 前言

宮頸癌在世界范圍內(nèi)的致死率很高，是危害女性生命的主要疾病之一[1-4]。鑒于其高風(fēng)險(xiǎn)性，生物醫(yī)學(xué)研究人員一直在研究更準(zhǔn)確的診斷技術(shù)和更有效的治療方案來(lái)預(yù)防和治療宮頸癌。傳統(tǒng)的宮頸癌治療手段有根治性手術(shù)、放療和化療[5]。但以上所涉及的方式在殺傷宮頸癌細(xì)胞的同時(shí)也對(duì)周?chē)＝M織以及機(jī)體免疫、造血功能造成損害。隨著醫(yī)療技術(shù)的迅猛發(fā)展，光致治療(photo-induced therapy)，如光熱治療(photothermal therapy，PTT)和光動(dòng)力治療(photodynamic therapy，PDT)，逐漸成為治療宮頸癌相對(duì)有效的方法。PTT是在激光照射的基礎(chǔ)上，利用具有較高光熱轉(zhuǎn)換效率的材料，將其注射入人體內(nèi)部，利用靶向性識(shí)別技術(shù)聚集在腫瘤組織附近，將光能轉(zhuǎn)化為熱能來(lái)殺死癌細(xì)胞的一種治療方法[6-7]。PDT是通過(guò)結(jié)合光、氧和光敏劑(photosensitizer，PS)產(chǎn)生高細(xì)胞毒性的活性氧，導(dǎo)致癌細(xì)胞死亡[8-9]。金納米顆粒(Au NPs)作為靶向消融宮頸癌細(xì)胞的重要納米材料，逐漸成為宮頸癌治療方法的研究熱點(diǎn)[10-12]。

在眾多金屬納米顆粒中，Au NPs憑借其獨(dú)特的消光特性(包括吸收光和散射光)、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、良好的生物相容性和表面易與生物分子結(jié)合等優(yōu)勢(shì)[13-14]，利用藥物分子，靶向配體和成像探針的不同化學(xué)物質(zhì)對(duì)Au NPs表面進(jìn)行修飾，使其在宮頸癌診斷與治療方面展現(xiàn)了潛在的應(yīng)用價(jià)值，如PTT、生物傳感以及分子影像等方面。1927年，Au NPs首次被用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用中[15]，為Au NPs在醫(yī)學(xué)中的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇，基于Au NPs可與不同的生物活性分子相互作用，將Au NPs用于宮頸癌等婦科疾病的治療和診斷[16-18]。Au NPs面臨的重大挑戰(zhàn)之一是Au NPs如何到達(dá)目標(biāo)組織或器官[19]。為克服以上缺點(diǎn)，將Au NPs進(jìn)行表面修飾，增加其在血液循環(huán)中的停留時(shí)間[20]。修飾后的Au NPs可作為光熱劑和放療劑殺死癌細(xì)胞，減少對(duì)周?chē)＝M織的損害并提高治療效率。也可作為細(xì)胞成像的光學(xué)探針和生物標(biāo)記物，篩查早期宮頸癌，從而顯著提高患者的存活率。本文分析討論了近幾年Au NPs在宮頸癌診斷與光致治療方面的研究現(xiàn)狀。

2 金納米顆粒在宮頸癌診斷及治療方面的研究進(jìn)展

2.1 光致治療

提高宮頸癌的治療效率是目前腫瘤研究領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。光致治療是消融宮頸癌細(xì)胞并且保留正常宮頸組織的有效措施之一，在臨床腫瘤治療中具有強(qiáng)大的潛力[21-22]。由光誘導(dǎo)的光療，無(wú)毒的光療劑可以在光照射下選擇性殺死宮頸癌細(xì)胞，對(duì)正常組織損害小。光療的“選擇性”有兩個(gè)方面：① 精心設(shè)計(jì)的光療劑可通過(guò)被動(dòng)或主動(dòng)選擇性地靶向?qū)m頸癌細(xì)胞。② 可在空間上控制光照，僅照射宮頸病變區(qū)域而不會(huì)損害正常組織。相比于傳統(tǒng)化學(xué)療法，光療法提供的這種雙重選擇性可以顯著提高宮頸癌治愈率。表1總結(jié)了近年來(lái)不同種類(lèi)的化學(xué)物質(zhì)對(duì)Au NPs表面修飾，并結(jié)合光致治療診斷和治療宮頸癌。

2.1.1 光動(dòng)力治療 PDT能夠用于治療多種疾病，包括宮頸癌[28-29]。PDT的三個(gè)主要組成部分是PS、光和單重態(tài)氧(singlet oxygen，1O2)[30-32]。在合適波長(zhǎng)的光源下，PS被激發(fā)并將其能量傳遞給鄰近的氧，產(chǎn)生1O2或其他類(lèi)型的活性氧(reactive oxygen species，ROS)[33-36]。生成的ROS誘導(dǎo)細(xì)胞的凋亡從而殺死腫瘤細(xì)胞。通常利用2′,7′-二氯熒光素二乙酸酯(DCFH-DA)來(lái)評(píng)估樣品在細(xì)胞內(nèi)所產(chǎn)生ROS的量，DCFH-DA與ROS會(huì)反應(yīng)生成2,7-二氯熒光素(DCF)，DCF發(fā)出綠色熒光，能通過(guò)觀察綠色熒光的含量來(lái)確定產(chǎn)生ROS的含量，從而確定藥物能夠提高PDT療法效果。與此同時(shí)，延長(zhǎng)藥物在血液中的循環(huán)和藥物在腫瘤內(nèi)的特異性積累PDT的關(guān)鍵。因此，需要選擇合適的PS來(lái)治療宮頸癌，修飾后Au NPs能夠作為治療宮頸癌的光敏劑。

Yu JS等[37]利用PDT療法治療宮頸癌，將亞甲藍(lán)(methylene blue，MB)、PS、轉(zhuǎn)鐵蛋白(transferrin，Tf)和Au NPs結(jié)合，得到穩(wěn)定性高的Au@polymer/MB-Tf納米復(fù)合物。Au@polymer/MB-Tf納米復(fù)合物能夠在660 nm激光的照射下產(chǎn)生ROS，使其誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡。如圖1(見(jiàn)封3)所示，利用激光照射游離MB、Au@polymer/MB-Tf NPs和Au@polymer/MB NPs，與游離MB相比，Au@polymer/MB-Tf NPs和Au@polymer/MB NPs中DCF有較強(qiáng)的綠色熒光。這表明含有MB的Au@polymer成功提高了PDT效率。在轉(zhuǎn)鐵蛋白的輔助下，Au@polymer/MB-Tf NPs的ROS含量最高，表明PDT療效進(jìn)一步增強(qiáng)。Au@polymer/MB-Tf NPs能顯著提高PDT效率，證實(shí)Au@polymer/MB-Tf NPs是治療宮頸癌的一種高效藥物。

圖1 660mm激光照射4min后，HeLa細(xì)胞中DCF(綠色)與純MB、Au@polymer/MB Nps和Au@polymer-TfNPs孵育后的熒光圖像(比例尺：100um)

Hossein Eshghi等[17]利用PDT進(jìn)行宮頸癌治療，選用了金納米顆粒偶聯(lián)原卟啉IX(PpIX-GNP)光敏劑，評(píng)估了PpIX-GNP偶聯(lián)物光子誘導(dǎo)毒性的影響。結(jié)果表明，PpIX-GNP偶聯(lián)物被HeLa細(xì)胞吸收。PDT治療癌癥，證明了ALA -AuNPs作為治療宮頸癌藥物的潛在應(yīng)用價(jià)值。

2.1.2 光熱治療 PTT是利用光熱轉(zhuǎn)導(dǎo)劑(photothermal agents，PTA)的光熱效應(yīng)，從光中收集能量并將能量轉(zhuǎn)化為熱，從而提高周?chē)h(huán)境的溫度，對(duì)腫瘤進(jìn)行局部治療而不損傷周?chē)】到M織的一種治療方式[38]。PTT最大的問(wèn)題是光的穿透深度有限，PTA不在激光照射范圍內(nèi)，可能導(dǎo)致腫瘤在照射范圍之外的不完全消融。為解決上述問(wèn)題，研究人員采取了多種方法，如采用適當(dāng)?shù)募す鈩┝縖39]，提高PTA的光熱轉(zhuǎn)換效率[40]，尋找在近紅外窗口具有吸收特性的PTA[41]。近紅外光(700～900 nm)比可見(jiàn)光更有效地穿透皮膚和血液等生物組織，因?yàn)檫@些組織在較長(zhǎng)波長(zhǎng)下可散射和吸收較少的光，能深入地穿透健康組織，到達(dá)嵌入在腫瘤內(nèi)的PTA中。

在各種納米材料中，Au NPs作為研究最為廣泛的PTA的候選者之一，在合成、吸收、表面修飾等方面占據(jù)極大的優(yōu)勢(shì)，更重要的是Au NPs能夠吸引特定波長(zhǎng)的光(主要是近紅外光)[42]。此外，Au NPs的大小和形狀是PTT中的重要因素，對(duì)于各種形態(tài)的Au NPs有很多研究，如棒狀A(yù)u NPs[43]、星星狀A(yù)u NPs[44]、樹(shù)枝狀A(yù)u NPs[45]、鏈狀A(yù)u NPs[46]等，其局域表面等離子體共振(local surface plasmon resonance，LSPR)波長(zhǎng)從可見(jiàn)到近紅外區(qū)域不等。將Au NPs與其他材料相結(jié)合進(jìn)行PTT，用近紅外激光照射，修飾后的Au NPs會(huì)升溫快，達(dá)到具有非線(xiàn)性效應(yīng)的閾值溫度，破壞細(xì)胞并致使癌細(xì)胞選擇性損傷。Au NPs已成為治療宮頸癌領(lǐng)域中的光熱治療劑。

Zhang C等[47]利用Ce6與金納米棒(AuNR)結(jié)合制備Ce6-PEG-AuNR 納米材料，并研究了Ce6-PEG-AuNR的光熱效應(yīng)。通過(guò)靜脈注射Ce6-PEG-AuNR進(jìn)入小鼠體內(nèi)，并對(duì)腫瘤(HeLa)區(qū)域進(jìn)行近紅外照射。腫瘤區(qū)域的溫度變化如下頁(yè)圖2(a)所示，照射后PBS組的溫度變化不大，而Ce6-PEG-AuNR處理后的小鼠腫瘤熱信號(hào)在激光照射下越來(lái)越高，說(shuō)明Ce6-PEG-AuNR具有良好的光熱轉(zhuǎn)換能力。PBS和Ce6-PEG-AuNR處理組的溫度都隨著照射時(shí)間的增加而升高，見(jiàn)下頁(yè)圖2(b)?？梢钥闯?，PBS組腫瘤區(qū)域的平均溫度僅略有改善，照射后最高溫度達(dá)到34℃。而Ce6- PEG-AuNR組腫瘤區(qū)域的溫度在激光照射后達(dá)到后達(dá)到55℃，表明Ce6- PEG-AuNR可作為一種有前途的PTT藥物治療腫瘤。

表1 光致治療在宮頸癌的應(yīng)用(不同化學(xué)物質(zhì)對(duì)Au NPs表面修飾)[22-27]

圖2 808 nm激光照射(1 W/cm2) 400 s(a)小鼠腫瘤體內(nèi)PBS或Ce6-PEG-AuNR的紅外熱成像圖，(b)PBS和Ce6-PEG-AuNR溫度變化趨勢(shì)圖 [47]

2.2 聯(lián)合治療

PTT聯(lián)合其他療法顯示出更好的治療效果。在許多情況下，聯(lián)合治療的治療結(jié)果并不是單個(gè)治療效果的簡(jiǎn)單相加，而是一種協(xié)同效應(yīng)[48-50]。PTT可直接殺死癌細(xì)胞或通過(guò)提高藥物傳遞效率、刺激藥物釋放、誘導(dǎo)腫瘤特異性抗原釋放或影響其他生物學(xué)相關(guān)反應(yīng)來(lái)增強(qiáng)其他治療手段，改善治療結(jié)果。

Wang S等[51]研究開(kāi)發(fā)了一種基于聚多巴胺(polydopamine，PDA)修飾GNR的多功能納米平臺(tái)GNR-PDA。GNR-PDA具有獨(dú)特的分子吸附性能、穩(wěn)定的化學(xué)特性和高的生物相容性，使其成為理想的藥物釋放候選者。MB和阿霉素(doxorubicin，DOX)通過(guò)靜電疊加相互作用直接吸附在GNR-PDA上，分別形成GNR-PDA-MB和GNR-PDA-DOX納米復(fù)合材料。在近紅外激光照射下，GNR-PDA-MB可以高效地產(chǎn)生ROS，而GNR-PDA-DOX在近紅外激光照射下表現(xiàn)出光增強(qiáng)的藥物釋放。通過(guò)使用GNR-PDA-MB(PDT/PTT)和GNR-PDA-DOX(Chemo/PTT)進(jìn)行雙模光介導(dǎo)治療，對(duì)于宮頸癌細(xì)胞顯示出高效的殺傷效率，能夠顯著抑制腫瘤生長(zhǎng)，比任何單模治療策略都明顯，如圖3所示。

圖3 利用不同藥物(PBS，MB，DOX，GNR-PDA)以及不同治療模式(PDT，PTT，PDT/PTT)對(duì)小鼠治療14天后的效果對(duì)比圖(對(duì)照組PBS)[51]

Zhang C等[47]設(shè)計(jì)出一種金納米棒-光敏劑偶聯(lián)物——Ce6-金納米棒(Ce6-PEG-AuNR)，通過(guò)PTT/PDT聯(lián)合應(yīng)用來(lái)精確定位宮頸癌細(xì)胞并進(jìn)一步殺死癌細(xì)胞。此外，在腫瘤治療中，PTT/PDT聯(lián)合治療比單純PTT或PDT更有效。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，由于Au NPs易制備、具有在可見(jiàn)光至近紅外光波段內(nèi)連續(xù)可調(diào)的表面等離子共振等特性，使其在光學(xué)成像及多模式聯(lián)合治療方面對(duì)宮頸癌的診斷和治療有著廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，Au NPs的設(shè)計(jì)為開(kāi)發(fā)新型藥物材料提供了思路和研究方向。盡管如此，未來(lái)仍有許多挑戰(zhàn)需要去解決。

現(xiàn)階段，Au NPs在臨床應(yīng)用中的第一個(gè)挑戰(zhàn)是其在活體內(nèi)的代謝。此外， Au NPs毒性主要來(lái)自Au NPs的合成及其表面修飾。涉及到表面活性劑的毒性、Au NPs表面配體在血液中的穩(wěn)定性、表面修飾劑與血管的相互作用等問(wèn)題。第二個(gè)挑戰(zhàn)是基于Au NPs的宮頸癌治療的標(biāo)準(zhǔn)化。阻礙Au NPs在臨床應(yīng)用的主要障礙之一是對(duì)于納米顆粒治療宮頸癌的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。例如，對(duì)于Au NPs和激光功率的劑量，高功率激光強(qiáng)度會(huì)損傷健康組織，引發(fā)毒性作用，引起癌癥復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移。由于條件的巨大差異，很難比較不同類(lèi)型Au NPs的性能。因此，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的Au NPs、激光強(qiáng)度、癌癥類(lèi)型等將為臨床應(yīng)用提供條件。

未來(lái)的工作需要從臨床試驗(yàn)中獲得更多的數(shù)據(jù)，更詳細(xì)地了解人類(lèi)Au NPs的藥代動(dòng)力學(xué)和長(zhǎng)期毒性，從而為今后治療更多類(lèi)型的癌癥打開(kāi)大門(mén)。