劉曉不殆，屈亞威 綜述 劉海峰 審校

綜 述

上轉(zhuǎn)換納米材料在光動(dòng)力治療中的應(yīng)用進(jìn)展

劉曉不殆，屈亞威 綜述 劉海峰 審校

光動(dòng)力治療；上轉(zhuǎn)換納米材料；光敏劑

光動(dòng)力治療(photodynamic therapy, PDT)是一種安全、有效、相對(duì)低成本的非侵入性腫瘤治療方法，其主要原理是利用光激活光敏劑，引發(fā)光動(dòng)力效應(yīng)，產(chǎn)生活性氧物質(zhì)，引起病變細(xì)胞壞死和凋亡[1]，目前已應(yīng)用于皮膚、頭頸部、食管、胰腺、膀胱等部位腫瘤的治療中。由于目前臨床上所使用的光敏劑激發(fā)波長主要在可見光及紫外光區(qū)域，造成PDT的使用范圍局限于淺層及空腔臟器腫瘤；此外現(xiàn)有光敏劑還存在運(yùn)載困難及靶向性低的問題。近年來的研究表明，上轉(zhuǎn)換納米材料(upconversion nanoparticles, UCNPs)與光敏劑的結(jié)合能有效改進(jìn)傳統(tǒng)光敏劑所存在的問題，具有良好的應(yīng)用前景。

1 UCNPs增加PDT深度

近紅外光由于較少被血紅蛋白與水等物質(zhì)吸收，在生物體內(nèi)具有較好的穿透力[2]。UCNPs具有將近紅外光轉(zhuǎn)換為可見光的特性，可在PDT應(yīng)用中發(fā)揮類似轉(zhuǎn)換器的作用，將其吸收的近紅外光轉(zhuǎn)換為能夠激活所負(fù)載光敏劑的適宜波長的光，從而增加PDT的治療深度。Zhang等[3]首次報(bào)道了UCNPs與光敏劑結(jié)合的體外研究，他們將光敏劑Merocyanine-540(M-540)摻雜到NaYF4:Yb/Er的二氧化硅涂層中。當(dāng)近紅外光照射人乳腺癌細(xì)胞后，癌細(xì)胞表現(xiàn)出明顯皺縮，說明這種方式成功激活了光敏劑。Tian等[4]將激發(fā)波長處于650～670 nm的三種光敏劑二氫卟吩(Ce6)、酞菁鋅(ZnPc)、亞甲基藍(lán)(MB)分別與NaYF4:Yb/Er結(jié)合后在腫瘤細(xì)胞上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，三種不同的組合最終都有效實(shí)現(xiàn)了PDT，取得了良好的治療效果。Wang等[5]通過靜電吸附將ZnPc與LiYF4:Yb/Er結(jié)合后于小鼠模型上進(jìn)行了在體PDT，2周之后，實(shí)驗(yàn)組小鼠腫瘤的體積減少到對(duì)照組小鼠腫瘤體積的1/2。前期此類體外及體內(nèi)研究證實(shí)了UCNPs作為換能器實(shí)現(xiàn)深部PDT的可行性，為后期進(jìn)一步改進(jìn)這一治療方式提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 UCNPs增強(qiáng)PDT靶向性

理想的光敏劑應(yīng)具有良好靶向性從而避免在進(jìn)行治療的同時(shí)對(duì)周圍正常組織造成傷害，然而目前臨床上可用的光敏劑的靶向性并不高[6]。作為一種納米顆粒，UCNPs本身就具有較強(qiáng)的實(shí)體瘤的高通透性和滯留效應(yīng)(enhanced permeability and retention effect, EPR)[7]，能夠被動(dòng)靶向于腫瘤，此外若是對(duì)其進(jìn)一步加以特異性修飾，便能進(jìn)一步增強(qiáng)其在腫瘤組織中的選擇性攝取，從而提高藥效并減少光敏劑對(duì)健康組織及周圍器官的不良反應(yīng)及并發(fā)癥的發(fā)生。Cui等[8]通過將葉酸(FA)修飾的摻雜ZnPc的殼聚糖包覆于NaYF4:Yb/Er外，與未加FA修飾的對(duì)照組相比，實(shí)驗(yàn)組納米顆粒在小鼠腫瘤部位顯著聚集。Zhou等[9]將光敏劑pyropheophorbide a (Ppa)與NaYF4:Yb/Er共價(jià)連接并與靶向整合素αvβ3的RGDyK結(jié)合形成UCNP-Ppa-RGD，實(shí)驗(yàn)中與陰性對(duì)照組相比該復(fù)合物對(duì)人膠質(zhì)瘤細(xì)胞(U87-MG)表現(xiàn)了很強(qiáng)的靶向性。Yuan等[10]則通過靶向G4適體進(jìn)行了研究，同樣也取得了理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。以上這些靶向UCNPs的合成過程中存在靶標(biāo)與多個(gè)納米顆粒結(jié)合導(dǎo)致納米顆粒聚合的現(xiàn)象，Liang等[11]將在腫瘤上皮中高表達(dá)的EpCAM抗體通過二氧化硅結(jié)合蛋白結(jié)合于二氧化硅包覆的NaYF4:Yb/Er@NaGdF4上，通過該特異性結(jié)合蛋白在實(shí)現(xiàn)靶向治療的同時(shí)也提高了UCNPs的合成效率。PDT靶向性的增加對(duì)目前通過光照部位控制治療部位的臨床PDT應(yīng)用模式具有開創(chuàng)性改變的意義，這對(duì)于推廣PDT的應(yīng)用具有重要的價(jià)值。

3 UCNPs增強(qiáng)PDT效果

如何提高PDT的治療效率也是研究者關(guān)注的熱點(diǎn)，使用較少的劑量帶來最優(yōu)的治療效果是研究者們一直追尋的目標(biāo)?？紤]到作為光敏劑載體的UCNPs受近紅外光照射的發(fā)射峰往往不止一個(gè)，Idris等[12]將光敏劑花青素540(MC540)和ZnPc通過介孔硅結(jié)構(gòu)結(jié)合到NaYF4: Yb/ Er上，由于被980 nm光照射后，NaYF4在540 nm 和660 nm處有兩個(gè)發(fā)射峰，這正好分別與MC540和ZnPc的吸收峰相符，通過測量發(fā)現(xiàn)該復(fù)合物單線氧的產(chǎn)率比單獨(dú)使用任一種光敏劑時(shí)有明顯提高。此外Liu等[13]則使用具有較寬的吸收帶的富勒烯作為光敏劑，巧妙地將多種稀土元素整合在一起構(gòu)成NaYF4:Yb/Er/Tm，利用在980 nm的光激發(fā)后不同稀土元素具有不同的發(fā)射光譜，最終在450、475、540、650 nm處均發(fā)生了光動(dòng)力效應(yīng)，從而顯著增強(qiáng)了治療效果，富勒烯是一種無機(jī)光敏劑，較傳統(tǒng)使用的有機(jī)光敏劑而言，無機(jī)光敏劑具有更好的生物相容性及穩(wěn)定性[14，15]，而如何選擇無機(jī)光敏劑與UCNPs結(jié)合提高現(xiàn)有PDT的效率可以作為下一步研究的方向。

4 UCNPs推進(jìn)PDT與納米技術(shù)結(jié)合

由于納米顆粒具有體積小、表面積大的特點(diǎn)，開發(fā)新的納米技術(shù)用于腫瘤的診斷和治療是近年的研究熱點(diǎn)；但是不少納米材料，比如量子點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室結(jié)果十分理想[16]，但受自身毒性問題所限，較難應(yīng)用于臨床。UCNPs自身所具有的毒性小的特點(diǎn)，使其在未來臨床使用中具有不可比擬的優(yōu)勢。Wang等[17]將光敏劑Ce6吸附到NaYF4:Yb/Er表面，采用瘤內(nèi)注射的方式于小鼠模型上進(jìn)行了首次UCNPs在體PDT研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示腫瘤組織生長得到極大限制，小鼠生存時(shí)間得到明顯提高。此外研究者還發(fā)現(xiàn)注入小鼠體內(nèi)的UCNP-Ce6復(fù)合物在兩月內(nèi)逐步從小鼠體內(nèi)清除，且對(duì)小鼠沒有造成明顯影響。Zhang等[18]則使用FA靶向的NaGdF4:Yb/Tm@SiO2結(jié)合光敏劑二氧化鈦(TiO2)在乳腺癌MCF-7小鼠模型上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，接受光照兩周后小鼠腫瘤體積減少為之前的30%，腫瘤抑制率達(dá)到了88.6%，解剖后觀察小鼠的心臟和肺未出現(xiàn)纖維化，肝臟上未出現(xiàn)炎性反應(yīng)，腎小球和腎小管結(jié)構(gòu)也清晰可見，說明該納米藥物是安全的。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓人們對(duì)納米醫(yī)學(xué)的臨床應(yīng)用產(chǎn)生巨大信心。

5 UCNPs有助于診療一體化

如何在進(jìn)行治療的同時(shí)實(shí)時(shí)獲知腫瘤治療情況從而對(duì)治療方法進(jìn)行調(diào)整是近年研究的熱點(diǎn)。UCNPs本身是一種熒光材料，能夠提供高靈敏度的光學(xué)成像，Liu等[19]利用這一特性使用NaYF4:Yb/Er作為一個(gè)平臺(tái)，980 nm光照射后，UCNPs發(fā)射的540 nm的光激活RB從而進(jìn)行PDT，發(fā)射的650 nm的光被熒光設(shè)備檢測從而進(jìn)行熒光成像。Gd是一種可以作為磁共振成像T1相對(duì)比劑的稀土元素，Zhao等[20]使用該稀土元素制備了共價(jià)結(jié)合光敏劑四羧基鋁酞菁(AlC4Pc)的NaGdF4: Yb/Er@SiO2，在破壞小鼠肝癌細(xì)胞的細(xì)胞膜同時(shí)進(jìn)行了磁共振成像，并且所獲得的圖像具有較好的對(duì)比度。此外Yang等[21]合成的裝載竹紅菌素A的NaYF4:Yb/Tm@NaGdF4同樣也實(shí)現(xiàn)了離體磁共振成像和PDT。Lu等[22]所合成的以β-NaLuF4:Gd/Yb/Er為核心的搭載ZnPc的納米顆粒，利用Lu作為CT對(duì)比劑，使用該平臺(tái)進(jìn)行PDT的同時(shí)可獲得病變部位CT成像的結(jié)果，并且使用該納米顆粒所獲得的CT圖像比使用商用造影劑碘普羅胺成像清晰。多種模式成像可以綜合多種成像的優(yōu)勢，獲得更多的成像信息。Park等[23]通過靜脈注射NaYF4:Yb/Er@NaGdF4-Ce6 的復(fù)合物實(shí)現(xiàn)了體內(nèi) PDT，并且通過熒光成像及磁共振成像觀察到 UCNP-Ce6在腫瘤部位富集，將熒光成像的高靈敏度與磁共振成像的高分辨率成功結(jié)合。利用UCNPs的天然光學(xué)成像潛力及借助摻雜多種具有成像潛力的鑭系離子實(shí)現(xiàn)多模式成像，對(duì)于未來治療過程中對(duì)于藥物示蹤及時(shí)改進(jìn)治療方案具有無可比擬的優(yōu)勢。

6 UCNPs平臺(tái)上的聯(lián)合治療

研究者將多種治療方式整合于UCNPs平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)治療協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，有效增加了腫瘤細(xì)胞的殺傷率。Han等[24]將能產(chǎn)生光熱作用(photothermal therapy, PTT)的二硫化鉬(MoS2)與產(chǎn)生PDT的ZnPc整合于NaYF4:Yb/Er平臺(tái)上 ，ZnPc吸收UCNPs的上轉(zhuǎn)換綠光，通過PDT作用殺死腫瘤細(xì)胞，而MoS2在808 nm下實(shí)現(xiàn)了PTT，兩種治療方法同時(shí)使用對(duì)腫瘤生長產(chǎn)生了明顯抑制并誘導(dǎo)了其凋亡與壞死。Yin等[25]將透明質(zhì)酸改良到介孔TiO2表面，改善了TiO2在自身存在的靶向性差的不足，化療藥物阿霉素(DOX)搭載于NaGdF4:Yb/Tm@mTiO2上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過PDT與化療共同作用，人乳腺癌細(xì)胞MDA-MB-231存活率明顯下降。另外這種結(jié)合方式還能用于對(duì)化療產(chǎn)生腫瘤的耐藥性的腫瘤的治療，Zeng等[26]將DOX裝載到其所合成的NaYF4:Yb/Tm-TiO2上，構(gòu)成FA-UCNPs-DOX復(fù)合物，在其所建立的耐藥乳腺癌腫瘤模型(MCF-7/ADR)上實(shí)驗(yàn)，腫瘤的抑制率高達(dá)96.74%，該結(jié)果對(duì)于解決腫瘤的耐藥性問題具有顯著意義。此外，Gao等[27]采用兩步驟療法，即先行PDT治療后行DOX化療，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行深部PDT組比680 nm未進(jìn)行深部PDT組小鼠心臟損傷明顯減小，考慮該現(xiàn)象的發(fā)生可能與深部進(jìn)行的PDT使DOX進(jìn)入腫瘤組織的路徑增加有關(guān)，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于直接減輕化療副作用具有重要意義。聯(lián)合治療的意義在于減少原有藥物用量的同時(shí)能夠達(dá)到與過去相同或更佳的治療效果，目前對(duì)于UCNPs的研究已從單一PDT治療延伸到聯(lián)合治療領(lǐng)域，結(jié)合并不是簡單的聯(lián)合搭配，下一步的研究更需要將治療效率以及臨床實(shí)用性納入考慮范圍。

PDT因其所具有的非侵入性、低全身毒性的特點(diǎn)受到人們的廣泛關(guān)注。目前PDT主要存在穿透深度有限、靶向性較差、治療效率低的問題，研究者們通過開發(fā)新的光敏劑改善此類問題。筆者主要介紹了UCNPs在PDT中的應(yīng)用，通過UCNPs的反斯托克斯位移特性能將近紅外光應(yīng)用于PDT中，增加了PDT的穿透深度；同時(shí)對(duì)UCNPs進(jìn)行修飾，能夠提高PDT的靶向性，使腫瘤治療更加精準(zhǔn)；此外采用多種治療方式相結(jié)合的模式提高了治療效率。以上這些研究成果也給納米技術(shù)的臨床應(yīng)用帶來了希望。盡管如此，UCNPs未來仍面臨諸多挑戰(zhàn)：首先，目前所使用的UCNPs主要的激發(fā)波長是980 nm，然而這一波長范圍的光可被水吸收，所產(chǎn)生的顯著熱效應(yīng)易對(duì)正常組織造成損害。Zhan等[28]使用915 nm的激光達(dá)到了降低熱效應(yīng)同時(shí)穿透深度加深的結(jié)果，而使用Nd構(gòu)建UCNPs可以在808 nm波長激發(fā)下實(shí)現(xiàn)PDT[29-32]，如何在提高PDT效率的同時(shí)減少對(duì)機(jī)體正常組織的損害仍是目前研究的熱點(diǎn)。其次，納米技術(shù)若應(yīng)用于臨床，需要對(duì)UCNPs的毒性進(jìn)行研究。盡管目前實(shí)驗(yàn)證實(shí)在短期內(nèi)UCNPs對(duì)機(jī)體不會(huì)造成巨大毒性影響，但不能排除可能對(duì)免疫系統(tǒng)或者相關(guān)組織存在慢性毒性。此外，腫瘤的診斷與治療的多功能結(jié)合是未來發(fā)展的趨勢，如何通過UCNPs構(gòu)建合理的納米平臺(tái)實(shí)現(xiàn)診療一體化及相關(guān)納米平臺(tái)的具體運(yùn)用方式是未來仍需探究的問題。

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(2016-12-01收稿 2017-02-23修回)

(責(zé)任編輯 武建虎)

劉曉不殆，碩士研究生。

100039 北京，武警總醫(yī)院消化內(nèi)科

劉海峰，E-mail:haifengliu333@163.com

R454.2；TQ133.3