化學前沿領域的簡介與發展歷程

林彬彬+趙耀+金青霞

摘要：傳統的腫瘤治療方法如手術、放療和化療等由于其各自的局限性，有時治療效果并不令人滿意。光熱治療技術作為一種新型的治療策略，已經在腫瘤治療方面引起了高度關注。本文概述了納米材料、光熱治療及光熱劑；綜述了基于前沿領域光熱治療的納米材料的發展。

關鍵詞：前沿；光熱治療；腫瘤；納米材料

在全球范圍內，癌癥已經成為導致死亡的主要原因之一。現有的臨床治療手段，包括放射治療、化療、激素治療等，經常會引起一些副作用。光熱治療（PTT）是近年來發展起來的一種治療癌癥的方法，具有較高的選擇性和較小的侵害性。通過給予光熱轉換劑一定時間的近紅外光照射，PTT治療可以特異性的消融腫瘤組織，并且不會對周圍正常組織產生明顯傷害。

1 簡介

1.1 腫瘤與納米材料

惡性腫瘤已經成為導致人類死亡的主要疾病之一，據2011年世界衛生組織最新的統計結果顯示，預計到2020年，全球癌癥發病率將增加50%，即每年將增加1500萬癌癥患者。因而，采用新技術提高現有癌癥預警與早期診斷、轉移檢測、療效預測及有效治療的臨床方法是目前我國公共衛生領域亟待解決的重大問題之一。

納米科學與技術被譽為當今三大前沿領域之一。隨著納米顆粒材料、高生物兼容性表面修飾處理技術和手段的快速發展，如何應用納米特性如小尺寸效應、納米表面效應、量子效應、納米結構獨特的光、電、熱、磁等特殊性質來改進癌癥的體外檢測、活體影像以及藥物的靶向遞送與治療等方法，是目前生命科學對納米科技提出的最具挑戰性的問題。

1.2光熱治療

光熱熱療（Photo-thermal Therapy，PTT）是通過加溫的方法，采用具有超強組織穿透力的近紅外光（NIR），利用毒性低的光熱劑對光的吸收和轉換能力來改變腫瘤細胞所處環境，使腫瘤細胞變性、壞死，達到治療的目的。

1.3光熱劑

理想的光熱劑在近紅外光區具有很強的吸收，并且能夠有效地將近紅外光轉換成熱量。此外，用于光熱治療的光熱劑還應具有低毒性和較高的腫瘤靶向性。無機納米材料，主要包括不同結構的金納米材料、碳納米材料、鈀納米片、硫化銅納米材料和其他新型納米材料，都已經被用作光熱劑應用到光熱治療中。

2納米材料在光熱治療中的發展歷程

根據納米材料的研究特點可分為3個階段：第1階段是1990年以前，主要是在實驗室制備納米材料，對納米材料有了初步的了解；第2階段是1994年以前，用已知的關于納米材料的知識制備納米復合材料，使納米材料具備更豐富的作用；第3階段是1994年至今，研究熱點是人工組裝各種納米材料，使該組裝體系擁有人們所需要的特性，應用于生物、物理和醫學等領域。

2.1第一代光熱材料——貴金屬納米顆粒

2.1.1 金納米粒子（AuNPs）

金納米粒子（AuNPs）在可見光區域有很強的吸收，在對癌細胞進行光熱消除時可以采用可見光作為光源。金納米材料是一種研究較多的光熱治療劑。由于具有局部表面等離子體共振效應，能在激光照射下迅速升溫，再加上其易合成、易表征、性質穩定、生物相容性好等優點，使其成為腫瘤光熱治療的研究熱點之一。通過調控金納米材料的尺寸和形態可以改變其光學性質。常見的金納米材料有金納米棒、金納米籠、金納米殼等，其中研究較多的為金納米棒，它在近紅外光照射下發揮多種抗腫瘤作用。

2.1.2鈀納米粒子

以鈀（Pd）納米片為代表的一類在NIR區域有強吸收的、LSPR峰可調的重金屬納米結構已經被研究應用于PTT。在2009年，Zheng等人制備出藍色的六角形Pd納米片。含27 ppm鈀納米片溶液在近紅外光（808 nm，1 W/cm2）照射下，溶液溫度可以從28.0℃升高到48.7℃，而在同樣條件下，對照組（純水）溫度只變化0.5 ℃。并且與基于金、銀的納米結構相比，鈀納米片的光熱穩定性顯著提高。

2.2第二代光熱材料——碳類材料

2.2.1 碳納米材料

碳納米材料，如碳納米管、碳納米球、石墨烯等在近紅外區具有較好的光學吸收，因此也可以用于光熱治療。2005 年，人們首次發現，以CNTs 為光熱劑對癌細胞進行光熱治療是一種高效的治療方式。Moon等人將PEG修飾的SWNTs 采用瘤內注射方式，得到的光熱效果顯著。研究發現，惡性上皮KB腫瘤在808 nm激光照射3 min后完全被破壞。多壁碳納米管（MWNTs）在NIR區域也表現出較強的吸收。Ghosh等人發現將DNA裝載到MWNTs中，瘤內注射到PC3移植瘤中，用1064 nm激光（2.5 W/cm2）照射70秒后可以使腫瘤完全消除。

2.3第三代光熱材料——金屬與非金屬化合物材料

2.3.1 硫化銅納米結構材料

硫化銅作為一類銅的硫屬納米材料，已經被證明是一種新型的光熱劑。通常采用濕法化學法制備CuS納米粒子，并且制備的納米粒子在900-1000 nm間有最大NIR吸收，但是，CuS的光熱轉換效率較低，限制了CuS在光熱治療上的應用。

2.3.2氧化鎢基納米材料

氧化鎢基納米材料由于具有獨特的結構及性能特點得到了廣泛應用。在混合價態的鎢基材料中，W18O49（WO2.72）可以純態的形式存在于自然界中，且該材料具有強烈的近紅外吸收功能并可迅速將光能轉化為熱能，使腫瘤局部升溫導致腫瘤細胞死亡。Chen等研究表明，低強度的近紅外光照射注入聚乙二醇化的W18O49納米線材料的腫瘤細胞，可使細胞溫度迅速升高到（50.0± 0.5）℃，進而對腫瘤進行有效治療。

2.4第四代光熱材料——有機染料物質

鑒于無機納米材料存在的一些缺點，近年來研究人員發展了多種有機光熱試劑，包括近紅外染料[吲哚菁綠（ICG）、IR825和IR820]和有機共軛高分子材料[聚吡咯、聚 （3，4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸（PEDOT/PSS）和聚苯胺]等。有機光熱試劑具有良好的生物相容性、光學穩定性和較強的光熱轉化效率，因此成為新型腫瘤診斷和光熱治療試劑。

2.4.1 近紅外染料

近紅外染料的優點是近紅外區吸收高、生物相容性較好和能熒光成像等，缺點是存在濃度依賴性、穩定性較差、在生物體內易與生物大分子發生作用等。ICG是美國FDA批準的可用于臨床近紅外成像的有機小分子。由于它在近紅外區存在吸收，當近紅外激光照射后，ICG染料電子會躍遷至單線激發態，而當電子由單線激發態回落至基態時，能量就會以光和熱能的形式釋放出來，因此它可用作臨床診斷和光熱治療試劑。

2.4.2有機共軛高分子納米材料

共軛高分子納米材料具有光學吸收性強、導電率高、光熱穩定性較好、生物相容性良好、吸收峰易紅移、光熱轉換效率較高、合成成本相對較低等優點，是一種具有良好應用前景的光熱試劑。但缺點是在水溶液中不穩定，易發生聚集。聚吡咯在近紅外區具有較強的光學吸收，能用于腫瘤的光熱治療，同時也可用作光聲成像試劑。Song等合成了白蛋白-聚吡咯納米顆粒，經靜注后進行808 nm激光照射能發揮明顯的腫瘤治療效果。

3總結

納米材料和納米技術在生物治療中發揮著重要作用，為探索惡性腫瘤治療新方法開辟了道路。雖然一些新材料仍然停留在實驗階段，還有一些納米材料不可避免地存在一些缺陷，例如金基納米顆粒難以在生物體內降解等，這些都不能阻礙研究人員探索新材料和改進現有材料，而利用納米材料的表面改性改造而得的材料也可擁有所需的生物特性。目前，在探索和改進納米材料的過程中也會遇到一些問題，例如使納米材料具有良好的生物相容性和可降解性、特異的靶向性和較低的細胞毒性等，這也將是光熱轉換材料的研究熱點。endprint