光熱治療在口腔鱗狀細胞癌治療中的研究進展

趙卓平 辛鵬飛 高陽 張彩鳳 張寬收 劉青梅,

1.山西醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院·口腔醫(yī)院 太原 030001；2.山西醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院（山西白求恩醫(yī)院 山西醫(yī)學(xué)科學(xué)院 同濟山西醫(yī)院）口腔科 太原 030032；3.華中科技大學(xué)同濟醫(yī)學(xué)院附屬同濟醫(yī)院 武漢 430030；4.太原師范學(xué)院化學(xué)系 山西省腐植酸工程技術(shù)研究中心 晉中 030619；5.山西大學(xué)量子光學(xué)與光量子器件國家重點實驗室山西大學(xué)光電研究所極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心 太原 030006

2018年全球癌癥統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，口腔癌是世界上最常見的十五大致死性腫瘤之一，約有177 344人死于口腔癌，占全球癌癥總死亡人數(shù)的1.9%，嚴(yán)重威脅人類生命[1]。其中，超過90%的口腔惡性腫瘤為口腔鱗狀細胞癌（oral squamous cell carcinoma，OSCC）[2]。目前，OSCC的常規(guī)治療方法包括：手術(shù)治療、放射治療、化學(xué)治療以及基于三者的綜合治療。然而，對于大多數(shù)患者并未獲得令人十分滿意的效果，并且存在明顯的不良反應(yīng)。傳統(tǒng)熱療、基因療法、免疫療法和光動力療法（photodynamic therapy，PDT）為常規(guī)療法的補充，在一定程度上改善了OSCC的治療效果。但其依然存在局限性，無法在臨床中大量推廣。近年來，利用光熱轉(zhuǎn)換劑（photothermal conversion agent，PTCA）將近紅外光（near infrared，NIR）轉(zhuǎn)化為熱能來殺傷腫瘤細胞的光熱治療（photothermal therapy，PTT）引起了人們的極大關(guān)注[3]。PTT不僅具有非侵入性、靶向性、不良反應(yīng)少等優(yōu)勢，還可與其他治療手段聯(lián)合產(chǎn)生“1+1＞2”的超加性療效[4]，在OSCC的治療中具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文對OSCC的治療現(xiàn)狀、PTT的光熱轉(zhuǎn)換原理及在OSCC的治療等方面進行綜述，旨在為PTT在OSCC中的治療提供理論依據(jù)。

1 OSCC的治療現(xiàn)狀

早期OSCC患者采用手術(shù)切除或者單純放射治療；晚期患者中適宜手術(shù)的患者可行手術(shù)治療，術(shù)后擇情輔助放射治療或化學(xué)治療，不適宜手術(shù)患者則采用放射治療加化學(xué)治療或者單純放射治療[5]。以上常規(guī)療法雖然取得了一定的治療效果，但都存在明顯的不良反應(yīng)。手術(shù)治療在切除腫瘤組織的同時不可避免地會損傷鄰近組織或其他解剖結(jié)構(gòu)，造成咀嚼、吞咽、言語等功能障礙，同時也會造成不同程度的美觀缺陷，影響患者身心健康以及正常社交[6-7]。放射治療后患者可能出現(xiàn)口腔黏膜炎[8]、口干癥[9]、放射性頜骨壞死[10]等并發(fā)癥?；瘜W(xué)治療常作為治療口腔癌的一種輔助手段，然而大多數(shù)化療藥物存在惡心/嘔吐、脫發(fā)、貧血、感染易感性等全身不良反應(yīng)[11]。采用常規(guī)治療方法后，OSCC患者的5年總生存率（overall survival，OS）為50%～64%[12-14]，然而高達2/3的患者會復(fù)發(fā)，復(fù)發(fā)患者進行二次挽救性手術(shù)后的5年OS明顯降低[15-16]。

除常規(guī)治療方法外，傳統(tǒng)熱療、基因療法和免疫療法也被應(yīng)用于OSCC的治療及研究當(dāng)中。傳統(tǒng)熱療具有微創(chuàng)、使用方便及不良反應(yīng)少等優(yōu)點，還可增強患者對放射治療和化學(xué)治療的敏感性而受到廣泛關(guān)注[17]，被醫(yī)學(xué)界稱為“綠色療法”。人們已經(jīng)探索并創(chuàng)造了多種熱療技術(shù)用于OSCC的治療，例如微波熱療[18]、超聲波熱療[19-20]和激光熱療[21]等。然而，傳統(tǒng)加熱源對照射區(qū)域組織的升溫效應(yīng)不具有特異性，在殺死腫瘤細胞或消融腫瘤組織的同時對正常組織也會造成損傷，在治療OSCC的臨床應(yīng)用中受到限制。基因療法和免疫療法都屬于生物療法，目前經(jīng)食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）批準(zhǔn)用于口腔癌治療的基因藥物主要為p53，免疫藥物為抗程序性死亡受體配體-1（programmed death legend 1，PD-L1）單克隆抗體，它們在某些口腔腫瘤的治療中取得了一定的成效[22-26]。但基因治療技術(shù)復(fù)雜、價格昂貴且存在安全及倫理問題[27]；而免疫療法僅對有免疫源性的腫瘤有效，且存在神經(jīng)肌肉不良反應(yīng)及腎毒性等[28-29]。因此，尚需開發(fā)新的療法用于OSCC的治療。

近年來，隨著納米醫(yī)學(xué)和激光醫(yī)學(xué)的發(fā)展，PDT和PTT作為新興的腫瘤靶向治療手段成為人們研究的熱點。PDT的基本原理是：利用特定波長的光照射光敏劑（photosensitizer，PS），從而誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生單線態(tài)氧或活性氧等細胞毒性物質(zhì)殺傷癌細胞[30]。由于PDT受藥物擴散不均一、腫瘤內(nèi)部乏氧等條件限制，僅在口腔淺表型腫瘤中具有較好的療效[31-32]。與之相反，PTT的熱擴散作用可以彌補藥物在腫瘤組織滲透不均的弱點，不受乏氧環(huán)境的限制。另外，PTT使用的激光波長更長，該光的能量較低且具有更深的穿透深度[33]，可以用于深層次腫瘤的治療。例如，已有學(xué)者[34]將PTT用于乳腺癌、前列腺癌及卵巢癌等的研究中，并取得了較好的療效。受此啟發(fā)，越來越多的學(xué)者開始將PTT用于治療OSCC的研究中。

2 PTT的光熱轉(zhuǎn)換原理

目前研究中應(yīng)用的PTCA屬于納米材料，經(jīng)靜脈注射后可以通過增強滲透和滯留（enhanced permeability and retention，EPR）效應(yīng)在腫瘤組織內(nèi)聚集[35]。當(dāng)沒有任何光照時，PTCA對細胞基本無不良作用。治療時選擇NIR照射腫瘤部位，PTCA會將光能轉(zhuǎn)化為熱能，使腫瘤細胞溫度快速升高至熱損傷閾值并持續(xù)一段時間，從而殺傷癌細胞。由于生物組織在波長為700～1 700 nm的NIR區(qū)域的吸收系數(shù)和散射系數(shù)最低，因此NIR可以達到較深的組織穿透深度并減小對正常組織的光損傷，被稱為光學(xué)“生物窗口”[36]?；诖耍硐氲腜TCA應(yīng)對NIR有較強的吸收并將其轉(zhuǎn)換為熱能。國內(nèi)外學(xué)者對光熱轉(zhuǎn)換原理做了許多研究，目前比較認(rèn)可的機制主要包括：局域表面等離子體共振（localized surface plasmon resonance，LSPR）[37]和電子非輻射躍遷。

2.1 LSPR

LSPR是指當(dāng)光線入射到金屬納米顆粒上時，若顆粒表面的自由電子諧振頻與入射光的振動頻率相同，產(chǎn)生的相干振蕩就會觸發(fā)電子的集體激發(fā)。激發(fā)的熱電子和入射的電磁場形成共振，使顆粒內(nèi)部的自由電子氣體振蕩，從而產(chǎn)生熱能[37-38]?；贚SPR產(chǎn)生熱量的PTCA大多數(shù)為貴金屬納米顆粒，例如金基納米顆粒（包括金納米球[39]、金納米棒[40]、金納米籠[41]等）、鈀基納米顆粒（包括鈀納米片[42]、鈀納米線[43]等）和銅納米粒子[44]等。這些PTCA的吸光能力與納米顆粒的粒徑大小、形貌和介電性質(zhì)等密切相關(guān)。此外，硫?qū)巽~基半導(dǎo)體納米材料（如Cu9S5納米晶體[45]、CuSe[46]等）和一些過渡金屬氧化物（包括MoOX納米片[47]、W18O49納米片[48]等）等有缺陷結(jié)構(gòu)的PTCA也具有類似的LSPR效應(yīng)。這類PTCA的LSPR效應(yīng)主要與載流子濃度相關(guān)，比貴金屬納米顆粒具有更好的光熱穩(wěn)定性。

2.2 電子非輻射躍遷

基于電子非輻射躍遷的光熱效應(yīng)與材料的本征吸收帶隙或者共軛效應(yīng)相關(guān)。某些半導(dǎo)體材料具有本征吸收帶隙，在NIR照射下材料內(nèi)部的電子吸收光子后從價帶頂部跨過禁帶躍遷到導(dǎo)帶底部，在價帶上產(chǎn)生空穴從而形成電子-空穴對。隨后，電子回落至價帶過程中的部分能量以聲子的形式釋放，從而引起晶格振動產(chǎn)生熱量[49]。此類PTCA主要包括過渡族金屬硫化物（如：MoS2[50]、Bi2S3[51]等）和硒化物（如：MoSe[52]、WSe2[53]等）等。碳基納米材料和有機納米材料的光熱轉(zhuǎn)換機制相似，這兩類PTCA存在共軛π鍵分子軌道和π*反鍵分子軌道，價帶與導(dǎo)帶的能帶間隙較小。在NIR照射下發(fā)生π→π*躍遷，激發(fā)態(tài)電子回落至基態(tài)過程中釋放的能量引起晶格振動，導(dǎo)致材料溫度升高[54-55]。目前研究較多的碳基材料主要包括碳納米管[56]、石墨烯[57]和碳點[58]等。有機納米材料包括近紅外熒光染料[如：吲哚菁綠（indocyanine green，ICG）[59-60]等）、聚合物納米材料（如：聚苯胺[61]、聚吡咯[62]和聚多巴胺[63]等）和腐植酸[64]等。與其他材料相比，有機納米PTCA在體內(nèi)更易降解，生物安全性更高，具有更大的臨床應(yīng)用可能性。

3 PTT治療OSCC

3.1 PTT單獨治療OSCC

金基納米顆粒具有較強的近紅外吸收能力，并且可調(diào)控尺寸和形貌將其設(shè)計成不同的形狀以提高光熱轉(zhuǎn)換效率。通過EPR效應(yīng)，金基納米顆?？稍谀[瘤內(nèi)靶向聚積，是PTT在OSCC治療中常用的PTCA之一。例如，Afifi等[39]設(shè)計了一種直徑為30 nm的金納米球用于金黃地鼠頰囊癌的治療。與對照組相比，PTT組腫瘤平均溫度升為（6.9±1.0）℃，腫瘤大小減少了83%以上，動物的平均存活時間延長了4周。MacKey等[40]在體外實驗中研究了不同尺寸的金納米棒對口腔鱗狀細胞癌的治療效果，結(jié)果證明了大小為28 nm×8 nm的金納米棒在NIR照射下獲得了最佳的治療效果，在2 min內(nèi)可導(dǎo)致80%以上的口腔鱗狀細胞癌的細胞死亡。除了金基納米顆粒外，碳基納米材料也可用作PTCA。Das等[65]以表面活性劑Triton-X為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，以苯胺和吡咯為前驅(qū)體，成功合成了粒徑為65～70 nm的富N-介孔碳納米球。在波長980 nm的激光照射下，其光熱轉(zhuǎn)換效率高達52%，并可引起67%的人咽鱗狀細胞癌細胞系FaDu細胞凋亡。

為了使PTCA更有效、更精準(zhǔn)地富集在腫瘤組織，可以將針對腫瘤細胞特異性受體的靶向分子或配體固定在納米顆粒載體表面。經(jīng)修飾后的PTCA通過受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用在細胞內(nèi)傳遞，在較低激光能量或PTCA濃度下即可熱殺傷腫瘤細胞。例如，葉酸受體在人口腔上皮癌細胞系KB細胞中表達水平較高，Mehdizadeh等[66]設(shè)計了一種葉酸偶聯(lián)金納米棒（folate-conjugated gold nanorod，F(xiàn)-GNR）顆粒用于靶向殺傷KB細胞。在NIR照射下，濃度僅為20 μmol·L-1的F-GNR即可殺傷56%的KB細胞，細胞存活率的降低主要是由于誘導(dǎo)了細胞凋亡。此外，多數(shù)惡性細胞胞膜上的抗表皮生長因子受體（anti-epidermal growth factor receptor，anti-EGFR）過表達，anti-EGFR抗體與PTCA偶聯(lián)也可以增加PTCA對腫瘤細胞的親和力，進而減少對正常細胞的損傷。Huang等[67]將金納米棒與anti-EGFR抗體偶聯(lián)，通過細胞實驗表明：PTT引起2種人口腔鱗狀細胞癌細胞系HOC-313和HSC-3的致死激光能量僅為正常人角質(zhì)形成細胞的一半。將金納米球與anti-EGFR抗體偶聯(lián)用于口腔鱗狀細胞癌的PTT治療中也表現(xiàn)出了比較優(yōu)異的療效[68]。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列（arginine-glycine-aspartic acid sequences，RGD）廣 泛存在于細胞外基質(zhì)，可以與人口腔鱗狀細胞癌細胞表面特異表達的某些整合素相結(jié)合[69]，進而將PTCA輸送到癌細胞或腫瘤內(nèi)部。Ali等[70]設(shè)計了一種RGD功能化的金納米棒，在NIR照射下不僅實現(xiàn)了對口腔鱗狀細胞癌細胞系HSC-3熱殺傷效應(yīng)，而且可以極大地重排細胞骨架蛋白，增強對癌細胞遷移的抑制作用。這種可靶向熱殺傷癌細胞并抑制癌細胞遷移的治療策略有望降低口腔鱗狀細胞癌的復(fù)發(fā)率。

3.2 基于PTT的雙模式療法

3.2.1 PTT聯(lián)合PDT PS在腫瘤細胞內(nèi)傳遞和腫瘤內(nèi)部氧含量是PDT治療成功的關(guān)鍵。PTT產(chǎn)生的熱量能夠增加膜的通透性，從而增加腫瘤細胞對PS的攝取。此外，輕度熱療也可加速血液流動，增加腫瘤組織區(qū)域的飽和氧濃度。因此，將PTCA和PS整合到一個納米結(jié)構(gòu)中可產(chǎn)生協(xié)同增強療效。孟加拉紅（Rose Bengal，RB）是一種常用的有機光敏劑，Wang等[71]將RB分子與金納米棒偶聯(lián)，開發(fā)了RB共軛金納米棒（Rose-Bengal-conjugated gold nanorod，RB-GNR）用于OSCC的治療。RBGNR在810 nm激光照射下表現(xiàn)出良好的光熱效率，在波長為532 nm的綠光照射下具有高效的單線態(tài)氧產(chǎn)生能力。在金黃地鼠頰囊癌模型中，PTT聯(lián)合PDT治療組的腫瘤抑制率達95.5%，明顯高于單純PDT治療組（抑瘤率為46.5%）以及單純PTT治療組（抑瘤率為65.5%）。此外，注射RB-GNR后的金黃地鼠未觀察到明顯的全身毒性作用。

為了避免PDT和PTT之間的時間間隔，將吸光波長相近的PTCA和PS偶聯(lián)，然后在單一NIR照射下共激活，可以實現(xiàn)PTT-PDT的最佳協(xié)同效應(yīng)。Ren等[72]合成了一種有機化合物C3作為PTCA，該化合物的光熱轉(zhuǎn)換率與金納米棒相當(dāng)，并具有更好的光熱穩(wěn)定性和生物相容性。然后將C3和ICG包裹在納米載體聚乙二醇-聚己內(nèi)酯[poly（ethylene glycol）-poly（ε-caprolactone），PEG-PCL]共聚物中，形成PEG-PCL-C3-ICG共聚納米顆粒。在808 nm激光照射下，PTT-PDT聯(lián)合效應(yīng)對HSC-3細胞的殺傷率高達67.5%。在荷瘤裸鼠模型中，PTT-PDT的協(xié)同作用幾乎完全抑制了腫瘤生長，明顯延長了裸鼠的壽命。同理，Chu等[73]將金納米環(huán)（Au nanoring，Au-NRI）與有機光敏劑磺化鋁酞菁（sulfonated aluminum phthalocyanine，AlPcS）偶聯(lián)，合成的NRI-AlPcS納米顆粒對舌鱗狀細胞癌細胞顯示出優(yōu)異的PDT-PTT聯(lián)合治療效果。值得注意的是，此研究中采用的1 064 nm激光具有更佳的穿透深度和更高的安全閾值。因此，NRI-AlPcS納米顆粒在OSCC的治療中具有很高的潛力。

3.2.2 PTT聯(lián)合化學(xué)治療某些針對腫瘤的化學(xué)治療藥物在高溫下顯示出更高的細胞毒性。將PTCA和化學(xué)治療藥物整合到一個納米靶向遞藥平臺，通過光和/或熱刺激促進化學(xué)治療藥物在腫瘤內(nèi)釋放，可以充分發(fā)揮PTT與化學(xué)治療的協(xié)同作用，大大提高治療效果并減少不良反應(yīng)。Zhang等[74]合成了具有高光熱轉(zhuǎn)換率和高穩(wěn)定性的共組裝納米顆粒（簡稱CPCI-NP），并將化學(xué)治療藥物阿霉素（Doxorubicin，DOX）成功負(fù)載到CPCI-NP中制成了CPCI/DOX納米顆粒。在808 nm激光照射下，該納米顆粒不僅表現(xiàn)出良好的光熱性能，而且可誘導(dǎo)DOX在人口腔鱗狀細胞癌細胞系OSC-3細胞內(nèi)釋放，提高了瘤內(nèi)藥物濃度。在體內(nèi)實驗中，該納米平臺介導(dǎo)的PTT聯(lián)合化學(xué)治療的協(xié)同效應(yīng)可以高效消除口腔鱗狀細胞癌原位移植瘤，28 d后腫瘤無復(fù)發(fā)且未觀察到全身毒性反應(yīng)。Xiong等[75]在乳酸-羥基乙酸共聚物[poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA）上負(fù)載全氟己烷（perfluorohexane，PFH）、ICG、基質(zhì)細胞衍生因子-1（stromal cell-derived factor-1，SDF-1）和DOX，制備成靶向聚合物SDF-1/ICG/PFH/DOX/PLGA納米顆粒，該納米顆粒可選擇性在人舌鱗狀細胞癌細胞系SCC-15內(nèi)聚集。在808 nm激光照射下，產(chǎn)生的熱量刺激納米顆粒釋放DOX，在舌鱗狀細胞癌淋巴轉(zhuǎn)移的動物模型中取得了良好的治療效果。Wang等[76]合成了一種新型的近紅外探針TQTPA，并進一步將其與透明質(zhì)酸和化學(xué)治療藥物順鉑整合為一種多功能納米顆粒。該納米顆粒具有良好的成像能力及靶向抗腫瘤效果，不僅成功勾畫出小至1 mm的裸鼠原位舌鱗狀細胞癌細胞系HSC-3和轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)的輪廓，而且實現(xiàn)了PTT和化學(xué)治療的協(xié)同作用，使腫瘤體積平均縮小了82.78%。體內(nèi)外實驗證明了納米顆粒具有良好的生物相容性和低毒性。該納米顆粒在可視化的PTT聯(lián)合化學(xué)治療口腔原位鱗狀細胞癌及淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移方面有很大的應(yīng)用價值。

3.2.3 PTT聯(lián)合放射治療放射治療對處于G2/M期的腫瘤細胞有很好的殺傷效果，但對缺氧和S期腫瘤細胞的敏感性差，是放射治療后復(fù)發(fā)及轉(zhuǎn)移的重要原因。PTT引起的升溫效應(yīng)不僅可以加速腫瘤內(nèi)的血液流動從而增加腫瘤組織內(nèi)氧含量，而且能抑制癌細胞經(jīng)放射治療損傷后的自我修復(fù)。此外，S期腫瘤細胞對熱療敏感。因此，PTT治療后再行放射治療，可產(chǎn)生顯著的協(xié)同效應(yīng)。Neshastehriz等[77]將金納米顆粒與葉酸偶聯(lián)合成了葉酸-金納米顆粒（folate conjugated gold nanoparticle，F(xiàn)-AuNP）。該納米顆?？膳c表面高表達葉酸受體的人口腔上皮癌細胞系KB細胞靶向結(jié)合。KB細胞用濃度為40 μmol·L-1的F-AuNP處理并經(jīng)過NIR和X線照射后，細胞存活率下降了66%，分別比單獨PTT和單獨放射治療多下降了14%和11%。這些結(jié)果證實了PTT聯(lián)合放射治療可明顯提高OSCC的治療效果。

3.3 基于PTT的三模式療法

如上所述，基于PTT的雙模式療法比單一療法更有效?；诖耍瑢?種治療劑整合到同一納米載體上，有望進一步提高治療效果并減小不良反應(yīng)。Xue等[78]將葉綠酸a、DOX和聚乙二醇整合為一種雙尺寸/電荷可轉(zhuǎn)換的特洛伊木馬結(jié)構(gòu)納米顆粒，該納米顆粒用于輸送具有集成的雙模式成像和三模式治療功能的超小、全活性藥物成分。協(xié)同的光熱、光動力和化學(xué)療法在皮下和原位OSCC模型上都實現(xiàn)了100%的完全治愈率。這種納米平臺具有強大的輸送效率和多功能的熱療功能，在改善癌癥治療方面顯示出巨大的潛力。

4 總結(jié)與展望

在現(xiàn)有PTT研究中，通過對PTCA的進一步改進，PTT已經(jīng)從一種單一消融局部腫瘤的方式擴展到一種能夠治療局部腫瘤和晚期轉(zhuǎn)移性癌癥的方式。體內(nèi)、體外的結(jié)果均表明PTCA介導(dǎo)的PTT可以獲得良好的腫瘤治療效果，但是性能差異較大，其生物學(xué)特性，尤其是關(guān)于注射后的毒性和轉(zhuǎn)歸，研究者還知之甚少。如何選用合適的PTCA應(yīng)用于OSCC的治療還有待進一步研究。但值得肯定的是，大多數(shù)有機材料具有良好的生物相容性且在體內(nèi)容易降解。因此與無機材料相比，有機材料更有走向臨床應(yīng)用的可能。許多納米材料增強PTT的細胞和動物實驗果顯示這將是實現(xiàn)OSCC患者長期帶瘤生存或者徹底治愈的非常有前途的策略之一。

利益沖突聲明：作者聲明本文無利益沖突。