腫瘤的光治療法研究進展

馬正虎 左雨鳳 李蓉蓉 郭惠玲

【摘?要】光治療（Phototherapy）是指通過近紅外光照射病灶區，刺激光療試劑殺死腫瘤細胞，以達到治療的目的。光療主要包括光動力治療（Photodynamic Therapy，PDT）以及光熱治療（Photothermal Therapy，PTT）兩種形式。本文概述了光治療的作用機制，分析了光治療在癌癥診斷和治療過程中的獨特優勢，介紹了具有代表性的納米診療劑，展望了癌癥診療一體化領域未來的發展方向。隨著科技的進步與發展，將光療與其他治療手段聯合將成為新一代癌癥治療的新機遇和挑戰。

【關鍵詞】腫瘤;光熱治療;光動力治療;聯合治療;診療一體化

【中圖分類號】R730.58

1.引言

目前，癌癥大多數的臨床治療手段都是化療、放療和手術。這三種方式存在副作用大、效率低且后期易復發和轉移等缺點。因此，安全有效的新型腫瘤治療成為當下亟需解決的問題。目前，基于腫瘤微環境（Tumor microenvironment，TME）中高水平存在的酸性pH值、內源性H2O2、過表達酶等特異性因素開發了光熱治療（PTT）、光動力治療（PDT）產生活性氧等特異性治療方式。光治療具有時間短、療效顯著、毒副作用小等優點，進而被廣泛關注和研究，并且已有部分應用于臨床中[1]。此外，生物膜的存在給消毒滅菌帶來了嚴峻挑戰。而利用光治療等技術可以有效的破壞生物膜，進而消滅細菌且不會產生耐藥性。因此，對光治療的研究進展歸納是非常有必要的。

2.光治療法概況

2.1光熱治療

光熱治療（Photothermal Therapy，PTT）是在近紅外光的照射下，利用具有生物安全性的光熱劑，吸收光轉化為熱，通過加熱光熱劑周圍的癌細胞，當溫度升高到一定溫度時，會導致周圍腫瘤細胞的細胞膜破裂或蛋白質變性，從而使癌細胞死亡，達到治療的效果。

Au納米粒子是最有前途的PTT納米材料之一，例如金納米棒、金納米殼、金納米籠或金納米球。Au納米粒子除了具有等離子效應外，它們還增強了對腫瘤血管的通透性，從而提高了其在腫瘤組織中的滯留率。盡管金納米粒子能夠成功地進入腫瘤組織，但它們受到巨噬細胞的吞噬。因此，金納米粒子表面修飾生物相容性聚合物以抑制吞噬細胞的再攝取。此外，納米材料無法區分癌細胞和正常細胞。因此，在一些研究中，將金納米粒子與特定的抗體靶向癌受體結合，以實現與健康組織的最小結合。

2.2光動力治療

光動力療法（Photodynamic therapy，簡稱PDT）是利用無毒性的光敏物質暴露在特定波長的光下，讓該物質對特定癌細胞或疾病細胞產生毒性光毒性而達到治療效果。光動力治療需要三個條件：光敏劑、光源、細胞中的氧分子。光敏劑是PDT的基本條件之一，不存在毒性，在特定波長下，它可以用作治療劑。活化的光敏劑將能量傳遞給氧分子，從而產生活性氧（ROS），ROS可誘導細胞凋亡或壞死，破壞細胞外基質，使得治療劑更深入的滲透。大多數的光敏劑已被開發用于治療癌癥，其應用范圍正在擴大。其中一些已經商業化并上市。然而，目前商業化的光敏劑存在一些缺點，從而限制了PDT的發展。例如，高度共軛的有機光敏劑，包括卟啉、酞菁和氯的衍生物，在生理條件下很難溶解并呈現嚴重的聚集傾向，從而導致不利的生物利用度和生物分布，這些藥物被廣泛地研究用于腫瘤細胞的治療，通過對藥物進行修飾規避一些缺點，如在水溶性溶劑中對其進行改性，制造用于生成活性氧的新材料，并與納米顆粒結合。近年來針對癌癥PDT的智能納米醫學的新方法通常利用腫瘤微環境的特征對腫瘤細胞進行殺傷，例如缺氧，酶，滲漏血管系統，以及癌細胞過度表達受體的配體等。

3.光熱劑和光敏劑研究進展

3.1光熱劑的選擇

納米材料，特別是貴金屬納米粒子，由于其獨特的光學性質，在納米醫學和生物醫學領域有著廣闊的應用前景。金、銀等貴金屬納米粒子具有獨特的光物理現象，稱為局域表面等離子體共振（LSPR），這增強了它們的光吸收。除了貴金屬納米粒子之外，山梨醇納米探針、聚苯胺連接的納米晶體、墨魚墨水中提取的納米粒子以及石墨烯納米材料等也可以用于光熱治療。

3.2光敏劑的選擇

光敏劑的存在是PDT的三個關鍵因素之一，是除了光和氧之外。能夠吸收特定波長的光，引發光化學或光物理反應的物質。理想光敏劑的特征和條件如下[2]：

·化學純度高。·室溫下穩定性。·只有在特定波長下才有光敏效應。·易溶于人體組織。·對腫瘤組織的高選擇性：光敏劑應在受影響區域緩慢移除，至少幾個小時，但從健康組織中能迅速移除，從而將治療的光毒性副作用降至最低。·廉價簡單的合成和易得性。

4.腫瘤的光熱光動力聯合治療

4.1研究現狀

近年來，在納米醫學領域，腫瘤靶向聯合治療越來越受到人們的重視。通過不同的機制產生協同抗癌作用，降低藥物毒性，抑制多藥耐藥性使得聯合治療比單一治療更有效。因此，采用兩種方法或多種方法綜合治療或一種方法輔助另一種方法治療已成為癌癥治療的新趨勢。光熱治療不僅能夠促使癌細胞的消融，還可以誘導局部血管損傷，增加腫瘤組織的血液灌注，進而改善腫瘤內部的乏氧狀態。因此，光熱治療、光動力治療和化療的結合可能會引起協同的抗腫瘤反應。

4.1.1 PTT的聯合治療

光熱治療由于其微創等優點，受到了越來越多的關注，金納米材料由于其特殊的光物理現象，具有良好的光熱轉換效果，吸引了眾多科研者對其進行研究。但是單一的光熱試劑在體內的非特異性分布以及近紅外光照射可能對正常組織造成損傷，限制了其進一步的應用。同時，常用的抗腫瘤藥物如多比柔星（DOX）、紫杉醇（PTX）等，雖然對腫瘤有較好的殺傷作用，但對人體有嚴重的毒副作用。因此，關于具有靶向作用的藥物載體的研究是十分重要的。

由于脂質體與細胞膜的組成相似，并且具有親水層與疏水層，可以對不同理化性質的化療藥物進行包裹，更好地與細胞膜融合，具有良好的生物安全性，因此，脂質體被廣泛應用于納米藥物載體。為了能取得顯著的抗腫瘤效果又能降低全身毒性，Meng Yu等人[3]設計了一種基于金納米棒（GNRs）和熱敏脂質體（TSL）的腫瘤累積和局部觸發釋放納米載體系統，以提高腫瘤內藥物濃度，從而提高化療的療效。通過增強的滲透和滯留（EPR）效應使納米載體在腫瘤中共沉積，在近紅外（NIR）刺激下產生局部升溫，進而殺傷癌細胞。

然而，為了使納米材料有更好的細胞攝取能力，Van Du Nguyen等人[4]提出脂質體納米復合物可以通過將葉酸（FA）分子修飾包裹金納米棒（AuNRs）和阿霉素（DOX）的脂質體表面，靶向脂質體在協同光熱化療作用下，對癌細胞的毒性明顯增強。此外，荷瘤小鼠體內實驗結果表明，聯合靶向脂質體可以有效地抑制腫瘤的生長。采用化療和近紅外熱療相結合的方法不僅可以治療腫瘤，抑制腫瘤的生長，還能對腫瘤的轉移進行治療。Daisuke Matsuki等人[5]在研究中證明，在小鼠腋窩淋巴結（P-ALN）的腫瘤可以通過應用外部激光來觸發與金納米棒（GNRs）一起給藥的熱敏脂質體（TSLs）包裹的阿霉素（DOX）的卸載。將GNRs+DOX-TSLs注入含有癌細胞的小鼠淋巴結，用近紅外激光照射激活DOX釋放。激光輻照GNRs引起的溫度變化觸發了TSLs釋放DOX。與其他組相比，聯合治療組對腫瘤生長的抑制程度更大。體內生物發光成像和組織學分析證實聯合治療后腫瘤壞死。這項研究提出了一種治療乳腺癌轉移的方法，具有良好的治療效果，有可能發展成為一種替代手術治療乳腺癌轉移的方法。

除了金等貴金屬納米材料外，吲哚菁綠（ICG）作為一種傳統的臨床近紅外熒光染料，由于能夠高效吸收激光，也可用于光熱和光動力治療，但是 ICG 在水溶液中的不穩定性及在體內的快速清除限制了它的應用。納米傳輸系統能夠提高 ICG 的光穩定性、水穩定性和熱穩定性，可有效避免 ICG 的分解及體內清除，同時能夠調節 ICG 的體內循環和分布。Mingbin Zheng等人[6]用一步超聲法制備了負載多柔比星（DOX）和吲哚菁綠（ICG）的聚乳酸-羥基乙酸（PLGA）、卵磷脂、聚乙二醇（PEG）納米粒子（DINPs）。與游離ICG和DOX相比，DINPs具有良好的單分散性、熒光/尺寸穩定性和一致的光譜特性。此外，DINPs具有更高的溫度響應、更快的DOX釋放和更長的腫瘤保留時間。與單純化療或光熱治療相比，聯合治療可協同誘導DOX敏感的MCF-7和DOX耐藥的MCF-7/ADR細胞凋亡和死亡，抑制MCF-7和MCF-7/ADR腫瘤生長。值得注意的是，激光照射僅一次劑量的DINPs后沒有腫瘤復發。激光照射后，DINPs顯著提高了ICG的穩定性，產生了比游離ICG更高的局部溫度，有效地促進了細胞對DOX和ICG的攝取。光熱聯合化療不僅能協同誘導DOX敏感的MCF-7或耐藥的MCF-7/ADR細胞體外死亡，而且能抑制MCF-7或MCF-7/ADR腫瘤的生長，預防體內腫瘤復發。

4.1.2 PDT的聯合治療

在缺氧性腫瘤的治療中，氧依賴性光動力療法（PDT）是相當有限的。一種新型雙金屬雙相Rh基核殼納米系統[7]解決了腫瘤缺氧的問題，同時提高了PDT的療效。這種納米系統表現出類似過氧化氫酶的活性，以有效地催化腫瘤中內源性過氧化氫產生氧氣。并且顯示出良好的生物相容性，高腫瘤堆積，以及優越的熒光和光聲成像特性。對于無法通過手術徹底切除的殘余微小腫瘤實施光動力治療，可有效降低癌癥的復發和轉移。更為重要的是，光動力治療在殺死腫瘤細胞的同時，使腫瘤細胞釋放腫瘤抗原，誘導宿主產生免疫反應。動物實驗研究表明，光動力聯合免疫檢查點阻斷治療腫瘤可產生協同療效。對于殘余微小腫瘤的光動力治療，需要借助術中影像進行檢測，方能實施精準光照治療。目前的研究方法通常將光敏劑包載于納米載體中，利用納米粒子在血液中循環時間長的特性，增加光敏劑在腫瘤中富集。利用光敏劑自身的熒光性質實現術中熒光成像引導的光動力治療。然而，光敏劑分子需要在光動力治療后迅速從體內清除，以減少光毒性帶來的副作用。這樣的設計使得光敏劑分子跟隨納米粒子在血液中的滯留時間大大延長，增加了光毒性。研究人員偶然發現免疫球蛋白G與一種叫作二氫卟吩的光敏劑分子存在天然的高親和力，利用該分子間的親和作用，由大分子抗體攜帶光敏劑進入腫瘤，增加腫瘤內富集的同時不延長光敏劑在血液中的清除速率，實現術中熒光影像指導的光動力聯合免疫檢查點阻斷治療的新療法。

為了實現這個綜合治療的策略，董文飛[8]等人開發了一種Janus型磁介孔二氧化硅納米載藥系統。通過結合光動力治療、磁熱治療和免疫檢查點阻斷治療的綜合治療策略，既能消除腫瘤組織，又能抑制癌細胞轉移，并為實現這種綜合治療策略提供了一種高效安全的納米藥劑。Beibei Ma1等人[9]展示了一個智能納米平臺，將3-二甲基-1-丙基吲哚碘化物（IR780）和替拉帕扎明（TPZ）分別與聚（ε-己內酯）-聚乙二醇（PEG-PCL）共沉積，形成多功能納米粒（PEG-PCL-IR780-TPZ）。PEG-PCL不僅延長了IR780和TPZ的循環時間，而且通過增強滲透和滯留（EPR）效應促進了納米藥物的腫瘤積聚。此外，由808 nm激光照射的IR780產生活性氧（ROS）。同時，IR780作為靶向線粒體的光療劑，使腫瘤缺氧微環境惡化，活化TPZ，完成缺氧活化化療。最重要的是，IR780能夠在協同治療期間觸發免疫原性細胞死亡（ICD）。ICD生物標志物作為一種“危險信號”加速了樹突狀細胞（DC）的成熟，并隨后激活了毒性T淋巴細胞。聯合光療和低氧活化化療所激發的抗腫瘤免疫反應，改變了目前腫瘤治療的格局，顯著抑制了腫瘤轉移，在臨床上具有廣闊的應用前景。

4.2優缺點分析

光動力治療與熱療具有毒副作用小等優點，但由于選擇性差，僅能作為癌癥局部治療的手段，不能產生全身系統的抗腫瘤反應，因而這種聯合治療方法無法有效地抑制癌癥的轉移。免疫檢查點阻斷療法是一種通過激活腫瘤特異性免疫T細胞來對抗癌癥轉移的臨床治療方式，但由于免疫反應激活效率的低下，使得該種療法在轉移性腫瘤的治療中表現并不理想。近紅外激光雖然可以深入腫瘤組織，但穿透深度仍然有限。

5.結論

盡管光治療方法在人力、物力和財力上投入巨大，但腫瘤的復雜性、多樣性和異質性給尋求理想的治療方法帶來了相當大的挑戰，許多利用熒光、超聲波、磁共振成像（MRI）、計算機斷層掃描（CT）或正電子發射斷層掃描（PET）的多功能醫學成像技術已使癌癥的早期診斷和腫瘤的準確定位成為可能。迫切需要開發新型的治療平臺，在多種治療手段的協同作用下實現診療一體化，在協同成像指導下實現精確的腫瘤檢測和治療。

在診療一體化平臺的構建中，除了需要提高腫瘤部位對納米診療劑的特異性攝取，還需要提高納米診療劑穿透各種生物屏障的能力。例如，為了使納米診療劑用于腦瘤的治療，需要克服血腦屏障，使納米材料到達腦部腫瘤組織[10]。其次，我們還需注意納米診療劑在體內重復使用的治療效果。最后，光治療的分子機制，包括腫瘤細胞的多種信號通路，仍然很少被研究。最近有研究發現高達97%的納米顆粒進入實體瘤的主導機制是主動的跨內皮通路，而不是目前確定的借由內皮間間隙的被動運輸，這個發現挑戰了我們目前開發癌癥納米藥物的理論基礎，需要對納米藥物在腫瘤部位的積聚機制進行更深層次的研究。對腫瘤生物學的研究將有助于我們更好地理解耐藥的內在機制，有助于設計新的納米材料，用于精確有效的癌癥治療。

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作者簡介：

郭惠玲（1980.10）副教授，湖北武漢，博士，副教授，致力于納米和小分子靶向藥物研究，近年來，在納米靶向藥物、磁性材料的分離和應用、分子影像等領域展開了較為系統的研究，相關成果發表SCI/EI論文7篇，北大中文核心4篇。獨立開展研究以來，主持國家自然科學基金1項，湖北省自然科學基金1項，參與各類橫縱向科研項目多項。

（作者單位：1 湖北工業大學 生物工程與食品學院，發酵工程教育部重點實驗室，工業微生物湖北省重點實驗室，國家“111”細胞調控與分子制劑中心，食品發酵工程技術湖北省研究中心）