多模態納米探針在乳腺癌分子影像與精準治療中的研究進展△

洛小珺，周純武

國家癌癥中心/國家腫瘤臨床醫學研究中心/中國醫學科學院北京協和醫學院腫瘤醫院影像診斷科，北京100021

乳腺癌是嚴重威脅女性生命健康的惡性腫瘤，過去20年，其發病率不斷增加[1]。早期乳腺癌無任何癥狀，通常當患者查體或影像學檢查發現明確腫塊時，可能已經發生轉移。因此，檢出未形成結節的乳腺癌對于提高患者預后有重要意義[2]。乳腺癌通常采取綜合治療，可以集外科治療、放化療、內分泌治療、靶向治療為一體，但是選擇方案時應參考腫瘤病理分子分型以指導或預測腫瘤對不同治療方案的反應性。治療的同時還要考慮到治療抵抗與腫瘤復發，因此在治療過程中應緊密隨訪臨床表現、影像學檢查結果，必要時病理學活檢取得組織學標志以評估療效。從病理學角度分析，傳統影像學檢查難以發現的早期乳腺癌、轉移灶及腫瘤治療后改變已經在基因和細胞水平發生了顯著變化[3]。目前，傳統治療使用的大多數藥物水溶性差、代謝高，使它們不具有生物相容性，并且導致全身不良反應[4]。乳腺癌藥物治療的另一主要缺點是對腫瘤細胞靶向性不足，導致藥物對正常組織也具有殺傷作用，是腫瘤產生耐藥性的根源[5]。近年來，納米粒子（nanoparticle，NP）廣泛應用于生物醫學領域，被修飾加工成為高效低毒的腫瘤分子影像造影劑或藥物遞送載體[6]，為解決以上乳腺癌精準診療相關問題帶來了希望。本文通過回顧近年來多模態納米探針在乳腺癌方面的研究，闡述納米探針的概念和機制，列舉納米探針在乳腺癌精準診療中的應用，并提供對其發展前景、研究方向和臨床應用局限性等方面的見解。

1 納米探針的概念及原理

納米探針是將不同材料（如金屬、有機物及半導體粒子等）作為平臺，制成大小與生物大分子相似的結構[7]。NP表面常常被親水聚合物聚乙二醇（polyethyleneglycol，PEG）包被或被兼性離子基團官能化，以抵御血清蛋白的吸附[8]。修飾過的NP可以偶聯多種分子，包括靶向分子、熒光基團、放射性同位素及治療藥物等。

NP在乳腺癌方面的研究大多處于臨床前階段，主要依靠動物模型。目前特定的細胞株可以提供較常見的臨床亞型：Luminal A型（如MCF-7、T47D）、Luminal B型（如BT474、MDA-MB-361），人表皮生長因子受體2（human epidermal growth factor receptor 2，HER2）陽性（如SKB-R3、HCC202）和三陰性（如BT20、MDA-MB-231及MDA-MB-468），但不是所有的細胞株都可以建立動物模型[9]。

NP通過乳腺癌新生血管時發生增強滲透與駐留（enhanced permeability and retention，EPR）效應，從血管孔隙滲出，而腫瘤的淋巴系統不完善，無法及時清除。因此，NP較長時間富集于腫瘤組織，被腫瘤細胞吞噬，當進入溶酶體后，電荷發生逆轉，裝載物質釋放[10]。此外，納米探針應具備以下條件：①表面具有足夠多的官能團以偶聯功能性分子；②流體動力學尺寸為10～100 nm，以防止被肝、腎清除；③Zeta電位接近中性，以減少與非靶細胞的非特異性相互作用；④在活體中穩定性高[11]。設計具有特定理化性質（如粒徑大小、界面性質及表面修飾等）的NP是實現乳腺癌分子影像和精準靶向治療的基礎。

2 基于NP的乳腺癌顯像

2.1 磁共振成像

磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）因其具有較高的空間分辨率而廣泛應用于臨床。臨床應用較多的MRI對比劑是釓噴酸葡胺（Gd-DTPA），釓是高順磁物質，可以增加T1弛豫率，與不同類型的NP結合可以增加探針聚集區域T1加權像對比度[12]。Turino等[13]在MCF-7乳腺癌動物模型中利用載有釓對比劑的NP進行腫瘤體外監測。超順磁性氧化鐵納米粒子（superparamagnetic iron oxide，SPION）也是最受歡迎的MRI造影劑之一，SPION的高磁敏感性縮短了T2弛豫時間，在T2加權像上呈低信號，因此，常作為T2對比造影劑。

Kohler等[14]利用自組裝單分子層技術使SPION與葉酸受體靶向藥甲氨蝶呤（MTX）共價結合，當NP進入溶酶體，酸性環境促使其裂解并釋放MTX，以實現MRI實時監測化療藥物的遞送。多種乳腺癌標志物如HER2/neu受體[11]、轉鐵蛋白受體[15]和整合素[16]等也已經作為SPION診療乳腺癌的靶點。

2.2 CT成像

NP也可以攜帶CT造影劑，如鋇或碘化物，提高病變CT對比度。部分NP自身也可以作為對比劑，如納米金，具有更高的X線吸收系數，造影效果約是碘的3倍[17]。

2.3 放射性核素顯像

基于NP的放射性核素顯像已被多次應用于乳腺癌，對于正電子發射斷層顯像（positron emission tomography，PET），經常使用的放射性核素有18F、124I和64Cu，對于單光子發射斷層顯像（single photon emission computerized tomography，SPECT）常用的放射性核素包括99mTc、111In[18]及125I[19-21]。有報道應用配體-受體的活體血流動力學模型來定量評估PET圖像腫瘤區域的受體密度[22]。近期，一種19F標記的納米乳已被美國食品藥品監督管理局（food and drug administration，FDA）批準用于臨床[23]。

2.4 光學顯像

光學顯像（optical imaging，OI）通常包括紅外、紫外和可見光，有時也將光聲成像（photoacoustic imaging，PAI）包括在內。因其侵襲性小，允許重復檢測，已經廣泛應用于臨床前研究。與可見光相比，近紅外熒光的組織穿透性好。有研究將組織穿透深度為21 mm的近紅外顯像用于乳腺癌動物模型保乳術中，以指導腫瘤切除[24]。Chernomordik等[25]發現腫瘤區域熒光程度可以與乳腺癌HER2表達程度相關，并建立了數學模型。但當探針的血流動力學較快時，腫瘤區域的熒光強度與受體表達程度不相關，而主要取決于造影劑的劑量和清除時間。此外，通過注射偶聯有不同種類的抗體和熒光染色劑的納米探針，選擇不同頻率的激發光，采集不同頻率的發射光，可以實現多靶點實時監測[18]。PAI是一種相對新興的顯像方式，納米探針吸收脈沖激光的能量，被吸收的能量因熱彈性膨脹而產生聲壓波，利用超聲波換能器檢測，形成聲像圖。如果使用非脈沖激光激發，則稱為熱聲成像（thermoacoustic imaging，TAI）。近年來有多個以乳腺癌為導向的PAI的研究發表[26-27]。

3 基于NP的乳腺癌治療

3.1 通過偶聯化療藥物

納米載藥系統可以遞送多種藥物到達乳腺癌組織，常用的細胞毒性化療藥物包括蒽環類、紫杉烷類和環磷酰胺。有研究利用納米金剛石遞送多西環素（DOX）治療乳腺癌小鼠模型，NP通過受體介導的胞吞作用進入腫瘤細胞，與常規的DOX治療相比，可以克服藥物外排，顯著增加細胞凋亡，并降低對正常細胞的毒性[28]。目前紫杉醇（PTX）與白蛋白合成的NP（注射用紫杉醇白蛋白結合型）已經進入轉移性乳腺癌Ⅲ期臨床試驗，入組454例患者中，NP使用組的治療總反應率明顯高于單純使用紫杉醇組（33%vs 19%，P=0.001），同時不良反應發生率較低[29]。納米探針除了遞送以上常見的化療藥物，也有運載順鉑[30]、雷帕霉素[31]和阿托伐他汀鈣[32]等方面的研究。他莫昔芬（TAM）是一種非甾體類抗雌激素藥物，可長期用于絕經后雌激素陽性乳腺癌患者的治療。一種載有TAM的生物可降解納米探針，靜脈注射到荷有MCF-7腫瘤細胞的雌激素陽性乳腺癌動物模型后，可以使TAM的突釋期減低一半，能夠在隨后時間緩慢平穩釋放，經檢測釋放了TAM后的NP對正常細胞的毒性較低[33]。多種靶向藥，如血管活性藥物伐普肽、作用于整合素的骨橋蛋白、靶向HER2受體的曲妥珠單抗、靶向葉酸受體的葉酸及作用于透明質酸受體或CD44的透明質酸，已經被納入了納米載藥系統的研究[34]。小干擾RNA（siRNA）是一種合成RNA，靶向細胞質中的mRNA并誘導其降解以達到基因治療的目的。然而，siRNA在體內血循環時間短并且容易降解。NP介導的siRNA具有EPR效應，血漿清除率降低。因此，NP介導的siRNA在乳腺癌基因治療中的臨床前應用越來越廣泛[35]。以上研究表明，傳統治療乳腺癌的藥物裝載到納米探針后有著巨大的應用前景。

3.2 NP自身的治療作用

某些NP利用其獨特的理化性質也具有治療作用。例如，一種由MnO2制成的NP，可以與腫瘤細胞產生的H2O2反應生成氧氣，并將腫瘤微環境的pH值從6.7提高到7.2，促進腫瘤細胞凋亡[36]。磁性納米顆粒能夠在交變磁場中產生熱量，有研究表明將偶聯曲妥珠單抗的氧化鐵納米微粒置于其中能夠促進SK-BR-3（HER2陽性）細胞凋亡[37]。免疫治療是利用宿主自身免疫防御系統治療腫瘤[38]，某些NP，如硒，具有內在免疫刺激特性，靶向腫瘤微環境并激活局部免疫應答[39]。值得注意的是，刺激免疫的NP靜脈注射后很快會被清除，因此給藥途徑多是口服或吸入。

4 “多模態診療”及“診療一體化”

用于乳腺癌篩查、診斷、術中引導及療效評估的臨床前及臨床顯像方法很多，以NP為載體，聯合以上成像技術，稱為多模態顯像（multimodal imaging，MMI）。通常，MMP在乳腺癌的研究中較為常見。Kosaka等[40]用SPION和量子點（quantum dot，QD）合成探針，利用MRI/FI雙模態成像系統追蹤小鼠體內乳腺癌的全身和早期微小淋巴結轉移。

多種藥物及治療方法被批準用于治療乳腺癌，基于NP的多功能性，協同多種藥物和（或）其他治療方法的技術，稱為多模態治療（multimodal therapy，MMT）。有報道將紫杉醇和吲哚箐綠（ICG）共同連接到納米探針，紫杉醇對腫瘤細胞產生細胞毒性的同時，外源性近紅外激光照射使ICG放熱，協同殺傷腫瘤細胞[41]。

“診療一體化”利用集影像與治療于一體的多功能納米探針，針對目前乳腺癌早期診斷困難、療效評估及治療相對滯后等臨床問題提供了有效的解決方法，這使個體化精準診療向前邁出一大步。放射性核素標記的NP通過連接特異性單克隆抗體，能夠有針對性的對腫瘤原發灶及轉移灶進行顯像和放射治療[42]。ICG具有良好的熒光成像性能及光熱效應，可用于腫瘤的光學成像和光熱治療，實現診療一體化，是目前研究常用的納米探針“診療一體化”工具之一[43]，協同化療藥物能進一步增強NP的抗腫瘤效果[44]。

5 三陰性乳腺癌及乳腺癌腫瘤干細胞

2011年早期乳腺癌共識根據特定基因的表達程度，將乳腺癌分為4種分子分型：Luminal A型、Luminal B型、ErbB2+型及Basal-like型。Basal-like型也稱三陰性乳腺癌（triple-negative breast cancer，TNBC），即雌激素受體、孕激素受體以及HER2均陰性，缺乏有效的分子靶點，常規治療預后差[45]。有研究表明CD44在TNBC細胞中過度表達，透明質酸對CD44有很高的親和性，可偶聯于NP，實現靶向治療，其生存期較單純PTX治療組明顯延長[46]。Miller-Kleinhenz等[47]討論了TNBC細胞的亞型、標志物和潛在受體，針對基于NP的診療一體化治療TNBC進行了綜述。腫瘤干細胞（cancer stem cell，CSC）是極少數擁有正常干細胞增殖特性的腫瘤細胞，被認為是腫瘤放化療抵抗和復發的誘因[48]。以往的方法主要是在細胞水平對CSC進行分離、純化及檢測，如流式細胞術，但難以對活體腫瘤干細胞進行追蹤。隨著多功能納米探針的出現，使特異性配體靶向CSC的同時，利用藥物或者分化誘導劑等殺傷腫瘤干細胞成為可能[49]。總之，納米探針為靶向治療TNBC及CSC帶來希望。

6 局限性

雖然多模態納米探針有一定的優勢，但尚存在局限性。多模態高分子納米探針粒徑相對較大，影響對靶細胞的穿透能力。多層組裝的納米探針結構復雜，費用昂貴，難以應用于臨床。由于制備方法復雜，每一批次納米探針的粒徑、連接的配體和藥物分子的數目都有所不同，進而影響藥代動力學，引起探針在體內循環、腫瘤靶向性、顯像和治療效果上的顯著差異。此外，NP與機體間作用機制仍然缺乏，生物毒性難以預料。

7 小結

納米醫藥技術的興起得益于生物相容性納米材料的出現。本文圍繞納米材料的多功能性，敘述了納米探針在乳腺癌精準診療方面的應用。盡管相比于傳統方法，納米探針帶來了巨大的優勢，但大多數報道只局限于臨床前階段，真正進入臨床應用仍需進行大量研究。