基于納米材料的光/聲輔助療法在腫瘤治療中的應用

趙蔓，張文遠，王娜，彭海生

(哈爾濱醫科大學(大慶)，黑龍江 大慶 163319)

腫瘤是一種由突變細胞引起的全身性疾病，目前臨床常用的治療方法主要包括化療、手術切除以及放療等[1]。雖然治療后患者整體存活率有一定改善，但常伴隨嚴重的不良反應以及復發率高、預后差等問題。光/聲輔助療法是一種新型無創性的治療方法，在腫瘤的治療中具有較大的應用潛力[2-3]。光/聲輔助療法通過外部可調節的激光照射或超聲刺激，精準地靶向腫瘤，從而保護周圍健康組織不受損害[4]。但光療法與聲療法的研究及應用目前仍處于初級階段，還存在某些缺陷與不足[5]。此外，光熱劑、光敏劑和聲敏劑固有的疏水性、較差的藥動學以及無序的組織分布等性質特點均導致其難以發揮最大療效[6]。近年來，利用納米技術得到的納米光熱劑、光敏劑或聲敏劑可有效改善傳統小分子光熱劑、光敏劑或聲敏劑的生理行為[7]，同時還可增強其滲透性和保留性，通過主動靶向遞送實現在腫瘤部位的有效蓄積[8]。此外，在腫瘤治療領域，納米載體的應用可進一步將光療法和聲療法集成到同一載體上，進而實現對腫瘤的多重殺傷作用[9-10]。現就基于納米材料的光/聲輔助療法在腫瘤治療中的應用進展予以綜述。

1 光療法在腫瘤治療中的應用

近年來，光療法因具有獨特的非侵襲性而備受關注，該療法通過將一種光治療劑輸送至腫瘤部位，再用特定的光進行局部照射，實現對腫瘤的特定消融[11]。其中，光熱治療和光動力治療是腫瘤治療中最常用的兩種光療方法。早在1900年即有研究表明吖啶類染料與光照相結合可產生細胞毒性效應[12]。此后，為了進一步提高激光誘導光熱消融的效率和選擇性，通常在腫瘤部位引入光熱劑。光熱治療是指經特定波長激光照射后，光熱劑將吸收的光轉換為熱，使局部溫度升高，從而殺死腫瘤細胞。光熱治療因具有簡單、無創、安全、可遙控等特點在腫瘤治療領域顯示出巨大的應用潛力。但目前光熱治療面臨光線穿透深度有限、光熱劑在腫瘤中的遞送效率相對較低以及某些腫瘤中熱激蛋白過表達會對光熱治療產生一定的抗藥性等問題，這也是光熱治療臨床前研究向臨床研究轉化面臨的主要挑戰。

不同于光熱治療，光動力治療作為另一種非侵入性光療策略很大程度上依賴于光與光敏劑之間的相互作用實現光化學過程[13]。光敏劑本身幾乎不具有毒性，在腫瘤組織聚集后可以被特定波長的激光激活，進而將內源性的氧分子轉化為具有細胞毒性的活性氧類(單線態氧、超氧陰離子和羥自由基等)以殺傷腫瘤細胞[14]。與傳統的腫瘤治療方式相比，光熱治療與光動力治療可在減少不良反應的同時提高特異性，并可應用于多種腫瘤的治療。

1.1光熱治療與光動力治療的機制 激光是一種高能量的光，當其作用于腫瘤部位時，聚集在腫瘤部位的光熱劑將所吸收的光能轉化為生物分子的動能，表現為光熱劑分子的振動加劇，這種分子振動的動能即熱能。由于生物組織自身導熱性能差、熱擴散速度慢，短時間內無法將所獲得的熱能傳遞至周圍組織，從而導致分子熱能急速加劇，溫度迅速升高[15]。研究表明，當溫度達到42 ℃時，會產生不可逆轉的腫瘤損傷，從而達到局部殺死腫瘤細胞的目的[16]；當溫度達到42～46 ℃時，10 min內便會導致細胞壞死；當溫度達到46～52 ℃時，細胞會因微血管血栓的形成和缺血而迅速死亡；當溫度>60 ℃時，細胞幾乎瞬間死亡[17]。

光動力治療的機制通常包含3個關鍵性因素，即光敏劑、合適的光源以及充足的組織氧[18]。光敏劑分子被定位到特定的組織后，經特定波長的激光照射，使其從基態被激活至第一激發態，而被激活后的光敏劑會發生Ⅰ型和Ⅱ型氧化還原反應，其所釋放的能量可介導選擇性的細胞殺傷[5]。一方面，活化后的光敏劑可直接與細胞內分子或細胞膜成分等底物反應形成自由基，并進一步與氧相互作用生成活性氧類，即Ⅰ型氧化還原反應；另一方面，在Ⅱ型氧化還原反應中，活化后的光敏劑可直接將能量轉移至氧中形成單線態氧，并進一步氧化各種底物；光動力治療正是利用Ⅰ型和Ⅱ型氧化還原反應生成的單線態氧以及其他超氧離子對各種底物的氧化誘導細胞凋亡和壞死，從而啟動細胞毒性效應[19]。

1.2納米光療制劑在腫瘤治療中的應用 無論是光熱劑還是光敏劑均是相應光療所必需的，且光療法的療效與光療劑的選擇具有直接關系。特別是在光熱治療中，光熱劑的存在有助于對腫瘤局部選擇性的加熱，從而避免損傷周圍健康組織。目前，雖然傳統光療劑在腫瘤治療中仍廣泛應用且已取得一定進展，但絕大多數光療劑存在溶解度低、穩定性差、細胞/組織特異性低等缺點，因此其臨床應用受到限制[20]。近年來，作為光療劑的新興材料，納米材料取得快速發展，越來越多的光熱與光動力學納米材料被開發出來[21]。貴金屬納米材料、碳納米材料、半導體納米材料、有機納米材料等由于具有比表面積大、粒徑小、機械靈活性以及優異的耐光性等而被廣泛應用于腫瘤的診斷和治療中(表1)。

其中，貴金屬納米材料因其獨特的性質而被廣泛應用于物理、化學、生物學的各個方面。不同于光熱劑，光敏劑雖然經過三代優化，但腫瘤的靶向效率低及有機光敏劑穩定性差等問題仍限制了其臨床應用[28]。而基于納米材料的光敏劑可有效改善其穿透性和有效性等問題，經分子修飾后還可實現光敏劑向腫瘤細胞的精準遞送，不僅可提高療效，還可減少不良反應發生[29]。此外，二氧化硅等納米載體對傳統光敏劑的包覆使其成為一種有前途的納米光敏劑，通過納米材料的包覆可以將光敏劑分子保護起來，同時還可提供優異的載藥能力，進而提高活性氧類的生成效率。雖然無不良反應、靶細胞選擇定位準確、體內可降解的納米光療劑的構建一直處于研究中，但目前可同時滿足這3個方面的納米材料仍較少。而復合型納米材料的出現或可為新型納米光療劑的研發提供新思路。

表1 納米材料在光治療中的應用

2 聲療法在腫瘤治療中的應用

隨著光熱治療與光動力治療在腫瘤治療領域的應用，其固有的缺點也逐漸顯露出來，如可見光對深部腫瘤組織的穿透能力差、光敏劑長期滯留在皮膚組織中可能會造成光毒性等，這些問題均限制了光療法在腫瘤治療中的應用。而聲動力療法作為另一種非侵入性的治療方法具有組織穿透更深、精確度高、不良反應少、患者依從性好等優點。1989年，Yumita等[30]首次在聲場中發現了血卟啉的細胞毒性效應；1990年，Yumita等[31]進一步報道了聲動力治療在體內的演示過程，并將血卟啉在超聲激活下所造成的毒性效應定義為“聲動力學方法”。1993年，Umemura等[32]報道，單線態氧的產生可能是聲動力治療的機制之一。與光動力治療原理相似，聲動力治療同樣需要一種類似于光敏劑的化學物質，即聲敏劑。但與光動力治療不同，聲動力治療是一種基于超聲波激活的方法，不同于可見光，超聲波是一種機械波，可穿透人體組織深處而精確聚焦于腫瘤的特定部位，從而有效激活聲敏劑，產生細胞毒性。聲動力治療在很大程度上克服了光動力治療的主要局限性，且可以準確殺死腫瘤細胞而不損傷周圍正常組織。

2.1聲動力治療的機制 雖然聲動力治療的作用機制在各種生物系統中均進行了廣泛研究，但具體機制目前仍不清楚。目前較公認的聲動力治療的可能機制主要包括：①超聲空化效應；②自由基和單線態氧的產生；③超聲直接誘導腫瘤細胞凋亡[2]。超聲空化效應是一種通過超聲迅速增加機械壓力而導致組織液中產生微氣泡的獨特物理現象，可分為慣性空化效應和非慣性空化效應。其中，慣性空化效應是指高強度的超聲導致氣泡在局部高壓和高溫下快速增長、急速收縮和崩塌，當超聲的振幅足夠大且超過一定閾值時，空化微氣泡在短時間內崩塌并產生沖擊波、局部高溫高壓以及自由基等，從而導致細胞骨架和細胞膜損傷，并最終導致細胞死亡[33]；非慣性空化則是在低強度超聲液體中產生，由于超聲的振幅并不是很高，導致微小氣泡以相對較小的半徑變化進行振蕩[34]。雖然慣性空化和非慣性空化均會產生機械效應，但慣性空化產生的巨大剪切波和沖擊波還會引起聲化學反應，從而產生聲化學物質，自由基和單線態氧即是兩種最重要的聲化學物質，可氧化周圍的底物，從而對靶細胞造成不可修復的損傷。其中，自由基可以通過水的直接熱分解或微氣泡的擴大活動使內部的水蒸氣發生熱分解，產生高度反應性氫氧根離子，進而與氫原子反應生成自由基[35]；另一方面，由聲敏劑和超聲產生的自由基與空氣中的氧氣分子反應生成過氧基和烷氧基，而過氧基和烷氧基均可引起脂膜過氧化，導致細胞膜不穩定[36]。單線態氧的生成過程與光動力治療相似，包括3個基本元素，即聲敏劑、超聲以及氧分子。聲敏劑通過超聲空化效應接受聲能后，由基態激活至激發態，而活化后的聲敏劑返回至基態時所釋放的能量可與周圍的基態氧直接反應生成激發態的單線態氧，從而誘導細胞不可逆性損傷[35]。有報道指出，低強度、低頻超聲可誘導細胞凋亡，而超聲敏感性、充氣氣泡或化療藥物也可進一步增強細胞凋亡[37]。但目前超聲誘導細胞凋亡的具體機制尚未完全闡明。有學者認為，聲動力治療可通過體內凋亡影響血管生成[38]；也有學者認為，超聲誘導凋亡可能通過調節與凋亡相關的關鍵基因的表達實現[39]；還有學者認為，聲動力對參與腫瘤細胞凋亡的信號通路有直接影響[40]。由此可見，關于聲動力治療的機制目前仍存在爭議，未來仍需進一步深入研究驗證。

2.2納米聲敏劑在腫瘤治療中的應用 聲敏劑是指在聲動力治療中能夠增強細胞毒性作用的化合物。目前，越來越多的天然產物(血卟啉、葉綠素、竹紅菌素、姜黃素等)作為聲敏劑被開發出來[41]。納米聲敏劑在腫瘤治療中的優勢明顯，主要包括：①延長血液循環時間，實現在腫瘤部位更好的蓄積；②改善有機聲敏劑疏水性等性質；③通過增強滲透性或利用主動靶向的配體進行修飾而提高療效等[8]。納米聲敏劑通常分為兩類：①可直接作為聲敏劑的納米顆粒，其自身具有聲敏特性而不需要客體敏化劑；②作為有機聲敏劑分子載體的納米材料，通過設計可以實現對聲敏劑的控釋效果[42]。由于傳統的有機小分子聲敏劑具有不溶于水、在血液循環過程中易被清除體外以及難以在腫瘤部位實現高濃度的富集等缺點，嚴重限制了其療效及臨床應用，而納米載體對于小分子聲敏劑的負載顯示出了巨大的應用潛力[43]。通過載體的負載不僅可改善小分子的生物利用度，還可提升其靶向性效果。此外，對于實體腫瘤的缺氧環境給聲動力治療帶來的局限性，利用納米載體在負載聲敏劑的同時，還可共負載攜氧劑或具有催化過氧化氫性能的物質，以增加腫瘤部位的氧濃度或通過促進內源性過氧化氫的分解產生氧氣，在緩解腫瘤缺氧的同時提高聲動力治療的效果[44]。

納米聲敏劑的應用可顯著提高聲動力在腫瘤治療中的效果，但目前對聲動力治療的安全性研究仍較少，因此阻礙了聲動力治療的進一步臨床應用。提高納米聲敏劑的生物安全性不僅需要對納米毒理學進行系統和長期的研究，還需要致力于更加高效、新的聲敏劑的研發。

3 光/聲輔助療法在腫瘤治療領域的新興應用

目前單純的光熱治療、光動力治療或聲動力治療已取得一定進展，但要完全根除實體腫瘤仍非常困難。近年來，隨著納米技術的不斷發展，納米載體的出現為各種藥物提供了一個整合平臺，也為不同治療方法的聯合應用提供了可能，其中光動力治療與光熱治療聯合應用在腫瘤治療中顯示出良好的應用前景。如Younis等[45]設計了一種基于雙等離子體光熱納米制劑，在近紅外激光照射下，5 min內溫度可高達60 ℃，其產生的光熱效應既可促進通過靜電鍵合的吲哚菁綠的釋放，又可誘導光動力反應，為腫瘤治療提供了一種光熱與光動力協同的策略。Mou等[46]在傳統的利用多組分納米復合材料實現光熱與光動力聯合治療的基礎上，首次采用單組分二氧化鈦成功地構建了一種新型的單組分近紅外光誘導的多功能熱療納米載體，并應用于成像引導的腫瘤治療。此外，Wang等[47]設計了一種新型的二硒化鉬/硒化鉍納米片，成功將CT/光熱成像和光熱治療/光動力治療/化療集成到一個納米載體上，結果顯示，所設計的多功能二硒化鉬/硒化鉍納米載體不僅具有較高的光熱轉換效率，同時光熱效應還可促進光生電子的轉移，有利于活性氧類的產生；進一步負載化療藥物阿霉素后，Bi-M-3@PEG-Dox顯示出優異的CT/光熱成像引導的光熱治療/光動力治療/化療效果。此外，Liu等[48]也設計了一種新型的多功能MoS@FeO-ICG/Pt(Ⅳ)復合材料，研究者首先合成一種均勻的硫化鉬納米花，然后將氧化鐵納米粒子與聚乙烯亞胺功能化的硫化鉬共價結合，并在其表面進一步負載吲哚菁綠和鉑(Ⅳ)前藥，所得到的納米復合材料實現了良好的磁共振/紅外熱/光聲3種模式成像，其可顯著增強光熱治療、光動力治療和化療的聯合抗腫瘤效果，為腫瘤的診斷和治療提供了一個理想的納米載體。

另一方面，基于聲動力療法的協同治療模式同樣具有較大探索空間。2019年，有研究者合成了一種新型的由空心半導體硫化銅和貴金屬鉑組成的鉑-硫化銅多功能納米載體，并在硫化銅的巨大內腔內裝載聲敏劑四(4-氨基苯基)卟啉，以實現聲動力治療，在整體設計中，鉑沉積不僅可提高光熱性能，其所具有的納米酶活性還可催化內源性過氧化氫分解產生氧氣，以緩解腫瘤缺氧，且有利于增強聲動力誘導的活性氧類的產生；此外，包裹在鉑-硫化銅周圍的熱敏共聚物還可作為智能開關調節鉑的催化能力，同時控制聲敏劑四(4-氨基苯基)卟啉的釋放；該多功能納米載體幾乎實現了腫瘤的完全切除，且無明顯的復發現象，同時還表現出高度的生物安全性[49]。由此可見，納米載體的多功能設計在腫瘤的聲療領域具有廣闊的應用前景。

4 小 結

光療法與聲療法在腫瘤的診療中具有重要的應用價值。光熱治療、光動力治療與聲動力治療以及它們與化療、放療、磁療法等協同應用可彌補各自的不足，是一種安全、有效的治療方法。但目前關于光/聲輔助療法的研究大多處于實驗室階段，治療機制尚未完全闡明；此外，同時滿足無不良反應、高準確性和高選擇性的靶細胞定位、體內可生物降解這3個方面的納米材料仍較少；同時，激光/超聲在特定腫瘤治療中的參數(頻率、強度和照射時間等)也仍需要進一步研究。總之，要實現光/聲輔助療法從動物實驗向臨床的轉化，未來還需進一步開發和完善基于光/聲輔助療法的治療策略以提高其抗腫瘤的療效。