近紅外光學系統在循環腫瘤細胞檢測與腫瘤治療中的應用

張燕珺，徐峰，鄭曉群

循環腫瘤細胞（circulating tumor cell，CTCs）是指從原發或轉移的實體腫瘤上脫落后，存在于人體外周血中腫瘤細胞的總稱[1]。CTCs 作為臨床上腫瘤潛在診斷生物標志物，對其所攜帶的分子生物學信息性質和數量的檢測對腫瘤治療、療效評價、預后評估和復發監測具有重要意義[2]。目前，CTCs 分離方法主要分為物理篩分和生物親和兩類[3-4]，且聚焦于微流控技術[5]、納米技術[6-7]和免疫磁分離[8]等方向。但是，外周血中CTCs 含量極少且具異質性，在轉移過程中易發生間充質轉化[9]，故對CTCs進行高活性、高純度和高靈敏度的分離檢測是當前臨床腫瘤診斷技術的研究熱點之一[10]。近紅外光（near infrared，NIR）是介于可見光和中紅外光之間的電磁波，波長范圍為700 ～2 500 nm，具有高分辨率、高穿透性、高生物安全性等特點。近年來，以NIR 為基礎的光聲成像與治療技術在腫瘤診療領域展現了廣闊的應用前景[11]。相對于其他的CTCs 分離方法，NIR 對細胞活力和功能的損傷更小，不會影響后續的單細胞基因分析。此外，相比于常規治療（如化療和放療），NIR 介導的光學治療方法，可以增強靶向消除腫瘤的效率和特異性，干預腫瘤轉移，減少治療過程中的不良反應。本文就NIR 系統在CTCs 的檢測成像、分離以及治療等方面的應用作一綜述，現報道如下。

1 NIR 系統在CTCs 檢測成像中的應用

與傳統的放射成像技術相比，熒光成像技術在生物安全性和檢測分辨率方面的性能更佳，而其中的近紅外熒光成像技術更是為非侵入性成像技術提供NIR 系統理想的平臺[12]，如NIR 七甲川花菁染料IR783、MHI-148 以及IR780 等可以特異性地積聚在腫瘤細胞的線粒體上，展現NIR 系統優異的腫瘤靶向成像能力[13-14]。Yuan 等[15]將IR783 應用于人血液樣本中的CTCs 成像，利用流式和激光共聚焦技術發現在人血液樣本中最低檢測濃度為10 CTCs/ml，證實其在NIR 系統用于CTCs 檢測的可行性。Schikora 等[16]利用NIR 光敏劑吲哚菁綠（ICG）可在腫瘤細胞中積累的特點，將其用于乳腺癌循環腫瘤細胞簇的檢測和成像。當ICG 孵育后的腫瘤細胞或腫瘤細胞簇通過光場時，光譜儀可以檢測到830 nm處的熒光和磷光信號，從而對CTCs 進行定量分析。該NIR 光敏檢測系統檢測時長短（45 min），對CTCs的敏感性約為98%。Xia 等[17]針對腫瘤細胞過表達的氨基肽酶N（APN）設計了一種NIR 系統，一種小分子NIR 染料MLP，并將該染料與納米磁珠、抗上皮細胞黏附分子（anti-EpCAM）抗體結合，制備雙靶向熒光納米磁珠用于CTCs 的檢測。MLP 可以特異性結合癌細胞的APN，在488 nm 波長光激發下發出明亮的紅色熒光信號，實現CTCs 熒光成像。相同條件下，MLP 和anti-EpCAM 雙靶點識別提高納米磁珠的捕獲效率（＞85%），比單獨MLP 磁珠和anti-EpCAM 磁珠高35.5%和25.5%，能夠避免單一靶向的假陽性信號干擾。此外，該磁珠具有良好的生物安全性，捕獲后細胞活力＞90%。

利用NIR系統高分辨率、高穿透性、高信噪比的特點可增強CTCs 檢測的特異性和靈敏度，實現對腫瘤治療效果評估及腫瘤轉移進程監測。另一方面，由于NIR 高生物安全性，在CTCs 檢測過程中不會對細胞造成損傷，從而避免影響CTCs 后續的生物學功能分析。

2 NIR 系統在CTCs 分離中的應用

除在熒光成像方面的應用，NIR 系統還被廣泛應用于CTCs 捕獲后的光控釋放，其基本原理是通過NIR照射，使化學基團發生斷裂或結構改變，或者是利用NIR 光熱效應使溫度敏感的水凝膠溶解，從而實現CTCs 高效釋放。

Lv 等[18]以7-氨基香豆素作為光觸發器，在其兩端分別連接抗EpCAM 抗體和磁珠，設計一種光響應免疫磁珠用于CTCs 捕獲和釋放：在NIR 光照下，香豆素部分的C-O 鍵斷裂，破壞近紅外光學系統抗體與免疫磁珠的連接，從而釋放CTCs。該體系可在1 ml 人血樣本中特異性識別102個CTCs，捕獲效率為90%，純度為85%，且在NIR 光照射下，CTCs 釋放效率為52%，存活率為97%。此外，結合金納米氧化物（GNRs）和熱響應水凝膠，設計多功能NIR響應平臺用于CTCs 的特異性識別和光熱分離[19]。從患者血液中捕獲CTCs 后，熱響應水凝膠可在生理溫度下（37 ℃）迅速溶解，實現CTCs 的高活力釋放。大批量釋放時，可以將捕獲后的GNRs 凝膠置于細胞培養箱下5 min，（95±4）%MCF-7 被釋放，存活率為95%。此外GNRs 具有出色的NIR 光熱效應，通過將NIR 激光光斑調節成細胞大小，照射GNRs 產生的熱量使水凝膠溶解，從而在20 s 內成功實現單個細胞的選擇性釋放，釋放后的存活率為90%，有助于隨后在單細胞水平上對CTCs 進行測序分析。Wang 等[20]設計了一個NIR 開關生物平臺，用于CTCs 的高效分離和下游分析。該平臺將MUC1 適配體作為特定識別元件，通過偶聯反應與水凝膠-二硫化鉬納米材料（PEG-MoS2NFs）連接，用于CTCs的特異性捕獲。最后利用MoS2NFs 作為光控元件，在808 nm NIR 照射下熱溶解水凝膠，釋放捕獲的CTCs。該平臺捕獲和釋放CTCs的效率分別為89.5%、92.5%，最低檢測限為15 CTCs/ml。

與傳統的免疫磁分離系統相比，NIR 光控釋放可以有效降低蛋白酶水解釋放CTCs 對細胞表面蛋白的影響，還可以避免紫外光照射引起的細胞功能損傷和基因突變，從而更有利于CTCs 信息的獲取。此外，通過調節NIR照射光斑大小，還可以實現單細胞特定釋放，為單細胞分析提供有力工具。

3 NIR 系統在腫瘤治療中的應用

NIR優異的組織穿透能力和生物相容性使其不僅在熒光檢測與成像中重要作用，在光驅動的腫瘤治療中也展現出巨大的應用潛力。NIR 動力療法（NIR-PDT）主要依靠NIR照射來激活腫瘤組織中的光敏劑，產生具有生物學毒性的單線態氧、超氧自由基等活性氧物質來殺傷腫瘤細胞[21]，如具有近紅外吸收的金屬納米顆粒[22]、基于氟硼吡咯或七甲川菁染料的小分子光敏劑[23-24]和上轉化納米材料[25]等。而NIR 熱療法（NIR-PTT）是利用光敏劑的光熱轉化性能，將NIR能量轉變為熱量來促進腫瘤細胞死亡[15]，如結合靶向抗體的金納米棒[26]、黑磷納米材料[27]等。在此基礎上，研究人員還開發了NIR免疫療法（NIRPIT），將光療和免疫療法結合，通過腫瘤靶向免疫抗體或配體與光敏劑或/和藥物偶聯，選擇性地殺死腫瘤細胞，并誘導治療宿主免疫反應[28]，最終通過免疫治療方式實現遠端腫瘤的治療。

Atchison等[29]制備NIR系統兩個IR-783 的碘酸衍生物，通過近紅外激活PDT 來治療胰腺癌。他們在近紅外染料ICG的基本結構骨架中添加碘原子以提高單線態氧的生成效率，增加光敏劑對胰腺癌細胞的細胞毒性。Zhou 等[30]針對腫瘤細胞上的特異性標志物氨基肽酶N（APN），合成NIR 光敏劑APNCyl，實現NIR 系統腫瘤成像和光動力治療的整合。該探針可以被腫瘤細胞上的APN識別并激活，然后水解為具有NIR 性能的半菁熒光團CyI-OH。CyIOH可以特異性地結合到細胞內的線粒體上，在717 nm 處有明顯的熒光發射，經660 nm NIR 照射10 min，CyI-OH 顯示出高單線態氧產量，可有效誘導80%癌細胞死亡。同年，Wang 等[31]開發一種功能化的靜脈導管形式的NIR 系統，用于CTCs 體內富集和光熱微創治療：導管表面用anti-EpCAM 抗體修飾，用于特異性捕獲體內CTCs；導管內部填充消光系數大、光熱轉換效率高的黑磷納米材料（BPNSs），BPNSs 介導的光熱效應可有效殺死CTCs；5 min 內對CTCs 的捕獲效率為2.1%，殺傷效率為100%。Yamaguchi 等[32]將NIR 光敏劑IR700 分別與人表皮生長因子受體2（HER2）親和體以及曲妥珠單抗偶聯（HER2 親和體-IR700 和曲妥珠單抗-IR700），通過針對HER2 蛋白的不同表位靶向治療HER2 陽性乳腺癌。在NIR 照射下，HER2 親和體-IR700 誘導靶細胞膜腫脹、起泡和破裂，造成免疫原性細胞死亡；同時，曲妥珠單抗刺激免疫細胞去摧毀腫瘤細胞。以上兩種IR-700 偶聯物聯合誘導CTCs 壞死，通過NIR-PIT增強對HER2 陽性癌細胞殺傷作用。

傳統的腫瘤治療方法如放療、化療等都有極大的不良反應，會對患者的身體造成嚴重負擔。而NIR驅動的腫瘤治療方法可以特異性地靶向殺傷目標癌細胞，在提高治愈率和存活率的同時，不良反應也較小，具有良好的臨床應用潛力。

4 總結與展望

目前CTCs 的檢測技術大多仍局限于實驗室研究，因此亟需發展新的診斷技術以提高腫瘤檢測分析的準確性和靈敏度。NIR 系統因其優異的組織穿透能力、高生物安全性和高靈敏度等特性，在腫瘤精準診療領域展現出巨大潛力。此外，NIR-PDT、NIRPTT、NIR-PIT等作為新型腫瘤治療手段，具有微創、靶向可控、無耐藥性等特點，能夠與化療、放療等傳統治療手段優勢互補，為腫瘤治療提供新思路。通過NIR 系統可以將腫瘤診斷、成像以及治療整合到一起，為實現臨床腫瘤診療一體化提供新的可能性。

利益沖突 所有作者聲明無利益沖突