金納米微粒的光熱治療及放療增敏研究*

陸耀紅 傅 深

納米材料因具有獨特的聲、光、電、熱、磁、力學性能[1-2]，廣泛應用于各個領域。金納米微粒是納米材料中非常重要的一種，因其獨特的光學性質，易控的表面化學能力，使金納米微粒在生物及醫學領域有了應用的空間。其在腫瘤的光熱治療、生物傳感、分子影像以及基因遞送方面獨特的性質已成為基礎研究及應用研究的熱點[3]。本文旨在討論其在腫瘤光熱治療和放療增敏方面的研究現狀。

1 金納米微粒的光學特性

金納米微粒具有突出的表面等離子共振性質（surface plasmon resonance，SPR），這源于入射光與金納米微粒的自由電子相互作用，當入射光的波長與自由電子的振動頻率發生共振耦合時，就會產生表面等離子體共振。金屬電子的表面等離子體振蕩導致電磁場中吸收和散射的增強，引起一些獨特的光學特性。金納米微粒的SPR與納米成分、尺寸和形狀、周圍介質的電介質性質、粒間作用等因素有關[4]。因此，不同種類、尺寸的納米微粒會有不同的吸收峰，而改變微粒之間距離、介質等均會引起吸收峰的位移。球形金納米微粒通常只在可見光范圍520~530 nm左右顯示一個強烈吸收峰，而棒狀金納米微粒具有橫向和縱向2個SPR峰[5]。其中縱向SPR（LSPR）峰的位置取決于金納米棒微粒的縱橫比（長軸與短軸的長度比），增加納米棒的縱橫比，可使縱向表面等離子體共振最大峰向近紅外區域偏移。橫向SPR峰（TSPR）的位置與球形金納米微粒一致，位于520~530 nm附近，且位置不隨金納米棒微粒長短軸比的改變而改變。目前，大多數研究集中于金納米棒縱向等離子體共振，就是因為通過改變棒長短軸比可將最大共振吸收在600~900 nm區域內加以調諧。這一近紅外波長范圍正是生物組織所具有的光的窗口。近紅外線（NIR）能夠穿透進入深部組織達10 cm，克服了可見光不能很好穿透組織的缺點，為利用金納米棒吸收近紅外線，從而產生熱，破壞腫瘤細胞提供了理論依據。金納米殼是另一類新型的光學可調節納米微粒，由絕緣體核心及一層薄的金殼組成，通過調節外殼的厚度及核的半徑，納米殼被特異地設計成能散射和（或）吸收較寬光譜范圍的光，包括近紅外線[6]。

正是由于金納米微粒獨特的強光學散射和吸收特性，使其有可能發展成為一種先進的醫學成像工具，用于癌癥的早期檢測[7-8]。金納米棒可以提供比羅丹寧分子（一種廣泛用于細胞研究和分子生物成像的傳統熒光染料）明亮58倍的雙光子發光信號，通過這種方法得到的圖像比傳統熒光成像法清晰60倍以上[9]。金納米微粒還可以和特異性生物探針耦合，通過被動和（或）主動吸收與腫瘤細胞靶向結合。抗表皮生長因子受體（EGFR）抗體耦合的金納米球與惡性腫瘤細胞的親和力約是良性細胞的600%，所以惡性細胞最大吸光度約是良性細胞的6~7倍，能清晰地區分出良惡性腫瘤細胞[10]。這種特性可用于醫學影像診斷，有利于腫瘤的早期診斷與治療。

2 金納米微粒的光熱治療（plasmonic photothermal thera?py，PPTT）

目前腫瘤治療的手段主要有手術、放療、化療等，不僅不良反應大，而且療效不太滿意。所以人們正在研究一些新型的治療方法，企圖突破這一瓶頸，既能達到治療的目的，又能減少不良反應。金納米微粒的光熱治療便是其中一種。金納米微粒的光強吸收性質可大大增強可見光及近紅外線的吸收，比以往傳統的光熱治療媒介強好幾個數量級，并能快速（大約1 ps）將光能轉化為熱能。這種高效轉換吸收光能的特性使其能進行局部加熱使蛋白變性，達到殺死癌細胞的目的[11-13]。金納米微粒光熱治療的另一個優勢在于它們能與一些特定的抗體耦合，制成功能化的金納米探針[13]。因為惡性腫瘤細胞表面往往過度表達這些抗原，所以能較多地結合帶有抗體的金納米微粒，當激光照射后產生較高的吸光度，所以只需要較低的激光能量就能產生超過破壞閾值的溫度（70℃~80℃）[14]，而良性細胞只結合較少的金納米微粒，達到破壞閾值溫度所需要的激光能量較高。這樣就能達到有效殺死腫瘤細胞，最低限度減少正常組織損傷的目的。

El-Sayed的研究小組發現,與抗EGFR抗體耦合的金納米微粒只需要用殺死良性細胞一半的激光能量就能將惡性腫瘤細胞殺死[5，15]。在金納米球的實驗中還發現，未與金納米結合的任何類型的細胞均沒有被光熱作用破壞，甚至是用4倍的能量也無濟于事[15]。基于同樣原理，Pitsillides等[16]用帶有特定抗體的金納米球標記CD8陽性的淋巴細胞，然后用可見光照射，結果顯示靶細胞致死率明顯高于非靶細胞（CD8陰性的細胞），而且細胞致死率與細胞內金納米球的數量相關；同時他們還建立了金納米微粒熱傳遞模型，描繪了金納米微粒及其周圍液體溫度分布的情況，以上研究提示由于金強烈的表面等離子共振吸收效應，在激光照射末期金納米微粒的峰值溫度可超過2 500 K，但金納米微粒周圍液體的熱量喪失卻很明顯，大約一個微粒半徑的距離，液體溫度就將下降至表面溫度的1/e。

無論是金納米球通過可見光誘導的光熱治療，還是金納米棒通過近紅外線誘導的光熱治療原理都是一樣的，所不同的是可見光不能穿透皮膚及組織，所以利用金納米球吸收可見光的治療技術局限于皮膚及臨近表皮的腫瘤。近紅外線對生物組織有很強的穿透性,因為組織中的水分子及血紅蛋白對其吸收很小[5]，因而位于皮下及深部的腫瘤，需要用近紅外線激光治療。金納米棒可以通過調節其長短軸比例，使其LSPR峰位于近紅外區域。所以相對于金納米球，金納米棒的光熱治療有更廣闊的應用空間，受到更多的關注。

Tong等[17]研究表明金納米棒介導的光熱治療不僅與金納米棒能否與靶細胞結合有關，還與激光的功率大小有關；金納米棒介導光熱作用引起細胞膜起泡導致細胞死亡與細胞內肌動蛋白降解有關。Dickerson等[18]比較了直接將金納米棒注射到瘤體及靜脈注射2種方法對于光熱治療療效的影響，結果顯示，2種方法較空白對照組腫瘤體積均有顯著縮小；金納米棒直接注入腫瘤體內療效更佳，較對照組相比腫瘤生長減少大于96%，靜脈注射組與對照組相比腫瘤生長減少大于74%。但直接將金納米微粒注射入瘤體內，是否會因微粒分布不均勻而影響光熱治療效果尚存爭議。

與金納米棒一樣，金納米殼也可以通過調節外殼的厚度及核的半徑，散射和（或）吸收較寬光譜范圍的光，包括近紅外線。免疫靶向的納米殼微粒一方面能夠散射近紅外線形成癌細胞分子成像，另一方面它吸收近紅外線，通過光熱治療選擇性地破壞特定的癌細胞。Loo等[6]研制成抗人類表皮生長因子受體（HER2）抗體耦合的金納米殼，利用抗HER2抗體耦合的金納米殼及近紅外線對SKBr3乳腺癌細胞光熱治療，結果顯示，與抗HER2抗體耦合的金納米殼共存的乳腺癌細胞被近紅外線照射后細胞失活，而無論是否有抗體耦合，如果沒有金納米殼存在，細胞受照射后都不會被破壞。另外如果只有抗HER2抗體耦合的金納米殼存在而不給予近紅外線照射，細胞也不會失活，表明金納米殼本身對靶細胞沒有毒性作用。

Hirsch等[19]在金納米殼及近紅外線激光治療腫瘤的試驗中利用磁共振溫度成像（MRTI）技術測量治療前后腫瘤溫度的變化，結果顯示當有金納米殼參與治療時，用近紅外線照射4~6 min后腫瘤平均溫度上升（37.4±6.6）℃。這個升高的溫度正好超過細胞損傷閾值而引起組織細胞不可逆的損傷，而當沒有金納米殼存在時，腫瘤平均溫度只上升（9.1±4.7）℃，提示金納米殼在近紅外線作用下吸收光能轉化為熱能。

3 金納米微粒對于放射線的增敏作用

金納米微粒除了在可見光或近紅外線激光照射下可用于生物成像或光熱治療外，還可以與放射治療結合，增加放療療效。理論上，高原子序數物質進入腫瘤組織，可以在腫瘤組織內產生較周圍正常組織強的光電吸收，由此可以增強劑量傳遞給腫瘤組織。金納米微粒中的金元素具有較高的原子序數，納米微粒可以滲透到腫瘤組織細胞中，符合上述所需條件，所以理論上金納米微粒可以增加放射治療療效。

Herold等[20]于2000年首次研究發現，將金顆粒混懸至細胞中培養或分布于腫瘤組織中，然后用千伏級的光子束照射，能夠增加生物有效劑量。近年來隨著金納米微粒研究的深入，放療增敏相關研究也越來越多。Zhang等[21]給予抗拒放射線的人類前列腺癌細胞3種不同的治療—葡萄糖耦合的金納米球（Glu-GNPs）+放療、中性金納米球+放療、單純放療，結果顯示腫瘤細胞生長抑制率分別為45.97%、30.57%及15.88%，表明有金納米球存在時放療對腫瘤細胞的抑制性更強。Roa等[22]研究認為葡萄糖耦合的金納米球之所以能增加放療敏感性，是因為它激活細胞周期蛋白依賴性激酶（CDK激酶），降低p53及細胞周期蛋白A的表達，增加細胞周期蛋白B1及細胞周期蛋白E的表達，從而誘導細胞快速通過分裂周期中G0/G1期，滯留于G2/M期；處于G2期和M期的細胞對放射線相對敏感。不僅是前列腺癌細胞，對于乳腺癌細胞金納米球也有放射增敏作用。研究顯示，如果單用200 kV X射線對乳腺癌細胞（MCF-7）照射10 Gy，5 d后腫瘤細胞存活率為43.2%,而如果將細胞置入葡萄糖耦合的金納米球（Glu-GNPs）環境中再給予同樣能量、劑量的X射線照射，5 d后腫瘤細胞全部死亡[23]。金納米微粒不僅有放療增敏作用，與放療結合的綜合治療還可以延緩腫瘤生長，延長生存期[24-25]。皮下種植EMT-6乳腺癌細胞的小鼠在接受放療+金納米球治療后1年生存率為86%，而單純放療或只給予金納米治療的小鼠1年生存率只為20%和0[24]。Brun等[26]將金納米球與人中心蛋白（Hscen）2蛋白制成混合溶液，然后用X射線照射，發現雖然兩者之間無共價鍵存在，但是金納米球卻能使X射線破壞Hscen2蛋白的作用增強1.5倍；同時還發現當金納米球與Hscen2蛋白之間濃度比率較高、X射線能量較高時，金納米球產生的增敏作用更強。

金納米微粒的放療增敏作用與射線的性質、能量有關。Kong等[23]研究指出金納米微粒對千伏級的X射線有放射增敏作用，而對于137Cr及60Co釋放的γ射線無增敏作用。這可能是因為金納米微粒對低能X射線的放療增敏原理是光電效應。但是由于低能射線能量低、易于散射、劑量分布差等不足嚴重限制了其在腫瘤治療中的應用。金納米微粒是否在高能量的射線中也有放射增敏作用呢？Chang等[27]研究用6 MeV電子線照射種植B16F10惡性黑色素瘤細胞的小鼠，結果提示金納米微粒有放射增敏作用；同時發現，與單純放療相比，金納米微粒聯合放療能顯著減緩腫瘤細胞生長，延長生存期。筆者前期研究利用金納米棒聯合6 MeV高能電子線照射人黑色素瘤A375細胞，結果顯示細胞凋亡水平金納米棒聯合放療組明顯高于單純放療組。金納米微粒對高能電子線的放療增敏作用可能是與高能電子束激發金納米棒來產生類似于高線性能量傳遞（LET）射線劑量分布的俄歇（Auger）電子分布，同時通過金納米棒在腫瘤細胞中匯集，使能量有效地沉降于腫瘤細胞有關。但明確的機制有待進一步研究。

4 前景與展望

隨著納米技術的迅速發展，科學家對金納米的制備科學、應用科學和表征科學展開了大量的研究[28-29]，金納米微粒已經在生物分離、DNA檢測、熒光探針、生物成像和光熱治療、靶向藥物傳輸等諸多領域展現了良好的應用前景。本文所提及的金納米微粒的生物成像、光熱治療、放療增敏的研究雖然大部分限于細胞實驗，少數為動物實驗，卻為腫瘤診斷與治療提供了新思路與新方法。關于金納米的研究工作還處于初級階段,許多問題尚需深入探討。例如，如何在治療過程實現定向輸送和釋放靶向藥物，如何使納米金探針的信號放大以用于生物檢測等。有關金納米微粒生物安全性也是人們研究的新熱點,如何降低金納米微粒的生物毒性及提高生物穩定性，使之安全地應用于人體將是人們最為關注的問題之一。

[1]Ferrari M.Cancer nanotechnology:opportunities and challenges[J].Nat Rev Cancer,2005,5(3):161-171.

[2]Alivisatos P.The use of nanocrystals in biological detection[J].Nat Biotechnol,2004,22(1):47-52.

[3]Yang DP,Cui DX.Advance and prospects of gold nanorods[J].Chem An Asian J,2008,3(12):2010-2022.

[4]Tokareva I,Minko S,Fendler JH,et al.Nanosensors based on respon?sive polymer brushes and gold nanoparticle enhanced transmission surface plasmon resonance spectroscopy[J].J Am Chem Soc,2004,126(49):15950-15951.

[5]Huang X,El-Sayed IH,Qian W,et al.Cancer cell imaging and photo?thermal therapy in the near-infrared region by using gold nanorods[J].J Am Chem Soc,2006,128(6):2115-2120.

[6]Loo C,Lowery A,Halas N,et al.Immunotargeted nanoshells for inte?grated cancer imaging and therapy[J].Nano Lett,2005,5(4):709-711.[7] Mallidi S,Larson T,Tam J,et al.Multiwavelength photoacoustic im?aging and plasmon resonance coupling of gold nanoparticles for se?lective detection of cancer[J].Nano Letters,2009,9(8):2825-2831.[8]Yang J,Eom K,Lim EK,et al.In situ detection of live cancer cells by using bioprobes based on Au nanoparticles[J].Langmuir,2008,24(21):12112-12115.

[9]Wang H,Huff TB,Zweifel DA,et al.In vitro and in vivo two-photon luminescence imaging of single gold nanorods[J].Proc Natl Acad Sci USA,2005,102(44):15752-15756.

[10]El-Sayed IH,Huang X,El-Sayed MA,et al.Surface plasmon reso?nance scattering and absorption of anti-EGFR antibody conjugated gold nanoparticles in cancer diagnostics：applications in oral cancer[J].Nano Lett，2005，5(5):829-834.

[11]Chen WR,Adams RL,Carubelli R,et al.Laser-photosensitizer assist?ed immunotherapy:a novel modality for cancer treatment[J].Cancer Lett,1997,115(1):25-30.

[12]El-Sayed MA.Some interesting properties of metals confined in time and nanometer space of different shapes[J].Acc Chem Res,2001,34(4):257-264.

[13]Van de Broek B,Devoogdt N,D'Hollander A，et al.Specific cell tar?geting with nanobody conjugated branched gold nanoparticles for photothermal therapy[J].ACS Nano 2011,5(6):4319-4328.

[14]Huang X,Jain PK,El-Sayed IH,et al.Determination of the mini?mum temperature required for selective photothermal destruction of cancer cells using immunotargeted gold nanoparticles[J].Photochem Photobiol,2006,82(2):412-417.

[15]El-Sayed IH,Huang X,El-Sayed MA,et al.Selective laser pho?to-thermal therapy of epithelial carcinoma using anti-EGFR anti?body conjugated gold nanoparticles[J].Cancer Lett,2006,239(1):129-135.

[16]Pitsillides CM,Joe EK,Wei X,et al.Selective cell targeting with light-absorbing microparticles and nanoparticles[J].BiophysJ,2003,84(6):4023-4032.

[17]Tong L,Zhao Y,Huff TB,et al.Gold nanorods mediate tumor cell death by compromising membrane integrity[J].Adv Mater Deerfield,2007,19（20）:3136-3141.

[18]Dickerson EB,Dreaden EC,Huang X,et al.Gold nanorod assisted near-infrared plasmonic photothermal therapy(PPTT)of squamous cell carcinoma in mice[J].Cancer Lett,2008,269(1):57-66.

[19]Hirsch LR,Stafford RJ,Bankson JA,et al.Nanoshell-mediated near-infrared thermal therapy of tumors under magnetic resonance guidance[J].Proc Natl Acad Sci,2003,100(23):13549-13554.

[20]Herold DM,Das IJ,Stobbe CC,et al.Gold microspheres:a selective technique for producing biologically effective dose enhancement[J].Int J Radiat Biol,2000,76(10):1357-1364.

[21]Zhang X,Xing JZ,Chen J,et al.Enhanced radiation sensitivity in prostate cancer by gold-nanoparticles[J].Clin Invest Med,2008,31(3):E160-E167.

[22]Roa W,Zhang X,Guo L,et al.Gold nanoparticle sensitize radiother?apy of prostate cancer cells by regulation of the cell cycle[J].Nano?technology,2009,20(37):375101.

[23]Kong T,Zeng J,Wang X,et al.Enhancement of radiation cytotoxici?ty in breast-cancer cells by localized attachment of gold nanoparti?cles[J].Small,2008,4(9):1537-1543.

[24]Hainfeld JF,Slatkin DN,Smilowitz HM.The use of gold nanoparticles to enhance radiotherapy in mice[J].Phys Med Biol,2004,49(18):309-315

[25]Chang MY,Shiau AL,Chen YH,et al.Increased apoptotic potential and dose-enhancing effect of gold nanoparticles in combination with single-dose clinical electron beams on tumor-bearing mice[J].Cancer Science,2008,99(7):1479-1484.

[26]Brun E,Duchambon P,Blouquit Y,et al.Gold nanoparticles enhan?cethe X-ray-induced degradation of human centrin 2 protein[J].Radiat Phys and Chem,2009,78(3):177-183.

[27]Chang MY，Shiau AL，Chen YH，et al.Increased apoptotic potential and dose-enhancing effect of gold nanoparticles in combination with single-dose clinical electron beams on tumor-bearing mice[J].Cancer Sci，2008,99(7):1479-1484.

[28]Ding B,Deng Z,Yan H,et al.Gold nanoparticle self-similar chain structure organized by DNA origami[J].J Am Chem Soc,2010,132(10):3248-3249.

[29]Soisuwan S,Warisnoicharoen W,Lirdprapamongkol K,et al.Eco-friendly synthesis of fucoidan-stabilized gold nanoparticles[J].Am J Appl Sci,2010,7(8):1038-1042.