李兆閣，胡貴珍，郭文政，聶亞敏，周艷梅

(河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南省環(huán)境污染控制材料國際聯(lián)合實驗室，河南 開封 475004)

世界衛(wèi)生組織發(fā)布的《2021全球癌癥報告》數(shù)據(jù)顯示，2021年全球?qū)⒔? 000萬人死于癌癥，嚴(yán)重摧殘著人們的生命健康和阻礙著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。臨床研究表明，癌癥致死率高的主要原因，一是絕大多數(shù)癌癥患者確診時即是中晚期，二是治療藥物的靶向性差，對癌細(xì)胞和正常組織細(xì)胞沒有選擇性地同時殺傷。所以，同時實現(xiàn)癌癥早期診斷與靶向治療是提高癌癥治療率的關(guān)鍵。將診斷探針和治療試劑結(jié)合在一個平臺上的癌癥診療一體化，有助于實現(xiàn)診斷、治療和療效監(jiān)控于一體，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)癌癥的成像和治療，而且可以實現(xiàn)對治療效果的實時監(jiān)測，為癌癥的早期診斷和精準(zhǔn)治療提供一個全新的多功能診治平臺。如何實現(xiàn)癌癥的診療一體化是目前的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，癌癥早期診斷依賴的成像方式主要有核磁共振成像(MRI)、光聲成像(PAI)、光熱成像(PTI)、拉曼成像(RI)和熒光成像(FLI)等，其中FLI具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、可原位無損成像等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣大研究者的關(guān)注。目前，癌癥的治療策略包括核酸遞送、化學(xué)治療、光熱治療(PTT)、光動力治療(PDT)、化學(xué)動力治療(CDT)、基因治療和放射治療等，都已被成功地用于臨床中。將FLI和一種或多種癌癥治療技術(shù)結(jié)合于一個納米材料上，可同時實現(xiàn)癌癥的成像和治療，達(dá)到診療一體化的作用。本文中基于比較經(jīng)典的金納米粒子、DNA自組裝納米結(jié)構(gòu)、金屬-有機(jī)骨架材料(MOF)、碳基納米材料 (MCBN)等納米材料的FLI診療一體化進(jìn)行綜述討論，總結(jié)其在診療一體化中的應(yīng)用。

1 基于金納米粒子的癌癥診療一體化FLI納米探針

金納米粒子，主要包括金納米顆粒(Au NPs)[1]、金納米簇(Au NCs)[2]、金納米棒(Au NRs)[3]、金納米雙錐體(Au NBPs)[4]、金納米枝晶(Au NDs)[5]和金納米花(Au NFs)[6]等，具有優(yōu)異的生物相容性、獨(dú)特的光學(xué)及其結(jié)構(gòu)特性，被廣泛應(yīng)用于癌癥診療一體化平臺的構(gòu)建[7]。

羅細(xì)亮課題組[8]以Au NBPs為納米載體，往上包裹一層聚多巴胺(PDA)，形成Au NBPs @PDA(如圖1)。發(fā)紅光的 Au NCs 標(biāo)記探針1(適配體-具有靶向跨膜糖蛋白MUC1 的特殊序列)和發(fā)綠光的 Au NCs 標(biāo)記探針2(單鏈DNA-具有靶向miRNA-21的互補(bǔ)序列)通過“π-π”堆積同時組裝在 Au NBPs @PDA 表面，Au NBPs @PDA具有寬的全光譜吸收范圍，可通過熒光共振能量轉(zhuǎn)移作用(FRET)猝滅探針1和探針2的熒光。當(dāng)納米探針與癌細(xì)胞孵育后，探針1和癌細(xì)胞膜上的MUC1之間的競爭性結(jié)合導(dǎo)致探針1從 Au NBPs @PDA表面脫離，打開紅色熒光。同樣，探針2與細(xì)胞質(zhì)中miRNA-21的雜交導(dǎo)致探針2從Au NBPs @PDA表面脫離，開啟綠色熒光。因此，可以實現(xiàn)不同腫瘤生物標(biāo)志物的同時原位多層成像。且Au NBPs @PDA具有良好的光熱轉(zhuǎn)換能力，可在808 nm光的照射下將光能轉(zhuǎn)換成熱能，有效誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡，從而達(dá)到癌癥診斷和治療一體化的作用。

圖1 基于Au NBPs @PDA/Au NCs的一體化納米平臺用于同時原位成像具有不同細(xì)胞內(nèi)空間分布的雙類型癌癥生物標(biāo)志物的圖示Fig.1 Illustration of the Au NBPs @PDA/Au NCs based all-in-one nanoplatform for a simultaneousin situ imaging of dual types of cancer biomarkers with different intracellular spatial distributions

李穎課題組[9]以Au NPs為納米載體(圖2)，二氫卟吩(Ce6)標(biāo)記的單鏈DNA(Ce6-S) 和熒光團(tuán)Rox標(biāo)記的發(fā)夾DNA(Rox-H)通過金-硫鍵固定在Au NPs的表面。之后，加入Cy3修飾的MUC1特異性適體(Cy3-A)并與Rox-H雜交形成雙鏈DNA，由于FRET作用，Cy3的熒光可以被 Au NPs 猝滅，且由于Rox與Au NP之間距離變遠(yuǎn)導(dǎo)致紅色熒光恢復(fù)。當(dāng)納米探針與癌細(xì)胞一起孵育后，Cy3-A可以通過適體和靶標(biāo)的高特異性相互作用與細(xì)胞膜上的MUC1結(jié)合并從探針上解離，打開藍(lán)色熒光。此時Rox-H又變回發(fā)夾結(jié)構(gòu)，熒光變?yōu)镺FF。進(jìn)入細(xì)胞后，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的miRNA-21與Rox-H雜交并打開發(fā)夾結(jié)構(gòu)，熒光從OFF變?yōu)镺N。固定在探針表面的光敏劑Ce6在650 nm激光照射后可被激發(fā)產(chǎn)生單線態(tài)氧(1O2)，用于破壞腫瘤細(xì)胞進(jìn)行癌癥治療，從而達(dá)到癌癥診斷和治療一體化的作用。

圖2 以Au NPs為載體用于多種生物標(biāo)志物原位多層成像和癌細(xì)胞靶向光動力治療的負(fù)載 Ce6 納米探針的示意圖Fig.2 Schematic illustration of loaded Ce6nanoprobes using Au NPs as carriers forin situ multilayer imaging of multiple biomarkersand cancer cell-targeted photodynamic therapy

唐波課題組[10]以Au NPs為載體(如圖3)，同時負(fù)載熒光團(tuán)Alexa Fluor 405修飾的MUC1特異性發(fā)夾DNA結(jié)構(gòu)和熒光團(tuán)FAM修飾的特異性識別端粒酶的探針(由3′帶有較短端粒酶引物的缺口分子信標(biāo))，該端粒酶探針可以通過將藥物DOX與雙鏈結(jié)合，同時作為藥物載體。Alexa Fluor 405和FAM由于FRET作用被Au NPs猝滅熒光。當(dāng)納米探針和癌細(xì)胞孵育后，納米探針的MUC1適配體與細(xì)胞表面過表達(dá)的MUC1蛋白特異性結(jié)合導(dǎo)致發(fā)夾結(jié)構(gòu)打開，Alexa Fluor 405熒光恢復(fù)，同時遇到細(xì)胞質(zhì)中的端粒酶后，端粒酶引物開始產(chǎn)生重復(fù)的端粒序列，因此與其雜交的分子信標(biāo)結(jié)構(gòu)打開，F(xiàn)AM的綠色熒光恢復(fù)。伴隨著分子信標(biāo)的結(jié)構(gòu)變化，與分子信標(biāo)結(jié)合的DOX被釋放，達(dá)到對癌癥診療一體化的作用。

圖3 以Au NPs為載體用于診斷和治療的原位熒光監(jiān)測的載藥納米探針示意圖Fig.3 Schematic diagram of drug-loaded nanoprobesusing Au NPs as carriers for in situ fluorescencemonitoring for diagnosis and therapy

劉松琴課題組[6]以金納米花 (Au NFs)為載體，負(fù)載了銀納米粒子修飾的一條雙鏈DNA和光敏劑血卟啉單甲醚(HMME)修飾的含有肽接頭(C-肽)的caspase-3特異性識別序列，HMME的熒光被Au NFs猝滅。當(dāng)納米探針和癌細(xì)胞孵育后，Ag NPs和HMME作為凋亡誘導(dǎo)劑在激光照射下產(chǎn)生ROS，導(dǎo)致Ag NPs的氧化刻蝕釋放Ag+顯示LSPR信號變化，且含有caspase-3特異性識別序列被細(xì)胞中caspase-3切割，導(dǎo)致HMME與納米探針分離熒光開啟，同時納米探針可用于癌細(xì)胞聯(lián)合化學(xué)治療(Ag+的釋放)和PDT(HMME)在激光照射下可被激發(fā)產(chǎn)生ROS，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，以達(dá)到對癌癥診療一體化的作用。

2 基于DNA自組裝的癌癥診療一體化FLI納米探針

利用DNA的高度特異性和可編程性，目前已經(jīng)組裝了大量具有不同尺寸和幾何形狀的DNA自組裝納米結(jié)構(gòu)[11]。這些DNA自組裝納米結(jié)構(gòu)可以很容易透過細(xì)胞膜，具有易于自組裝、優(yōu)異的生物相容性、高核酸酶穩(wěn)定性、通過小窩蛋白依賴性途徑的顯著跨膜能力以及易于修飾等優(yōu)點(diǎn)[6, 12-16]。

劉松琴課題組[17]由七個定制的單鏈核酸鏈(P5是熒光團(tuán)Fam修飾的miRNA-21的antagomir-21特殊識別序列，P6、P7分別是熒光團(tuán)Tamra和Cy5修飾的miRNA-122和miRNA-194的識別序列，而P1、P2、P3分別是P5、P6、P7的對應(yīng)包含猝滅劑的互補(bǔ)鏈)自組裝合成DNA四面體納米結(jié)構(gòu)(DTNs)(如圖4)。在DTNs的三個頂點(diǎn)中，熒光團(tuán)和猝滅劑緊密接近，誘導(dǎo)熒光猝滅。當(dāng)DTNs和癌細(xì)胞孵育后，在存在目標(biāo) miRNA的情況下，熒光團(tuán)和猝滅劑將被分離，實現(xiàn)熒光“OFF”到“ON”。由于獨(dú)特的四面體狀空間結(jié)構(gòu)，DTNs顯示出更好的酶消化抗性和高細(xì)胞攝取效率，并表現(xiàn)出同時監(jiān)測三種細(xì)胞內(nèi) miRNA 的能力。DTNs不僅能有效區(qū)分腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞，還能識別癌細(xì)胞亞型，避免了假陽性信號，顯著提高癌癥診斷的準(zhǔn)確性。miRNA-21過表達(dá)的癌細(xì)胞中P5的antagomir-21識別序列從DTNSs分離，沉默細(xì)胞內(nèi)的內(nèi)源性miRNA-21，抑制癌細(xì)胞遷移和侵襲，最終誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡，達(dá)到對癌癥診療一體化的作用。

圖4 DNA 四面體納米結(jié)構(gòu) (DTNS) 制備和細(xì)胞進(jìn)入用于準(zhǔn)確識別癌細(xì)胞和進(jìn)行有效治療的示意圖Fig.4 Schematic illustration of DNA tetrahedron nanostructures (DTNSs) preparation and cellentry for accurate cancer cell identification and effective therapy

盧春華課題組[18]利用兩個Y形DNA構(gòu)建單元(其中Yb中DNA的末端序列處引入端粒引物序列)和一個標(biāo)記有熒光團(tuán)Cy5/猝滅基團(tuán)BHQ3并加載有治療性siRNA的DNA接頭自裝形成了DNA納米水凝膠(如圖5)。該DNA納米凝膠和癌細(xì)胞孵育后，DNA納米水凝膠在腫瘤細(xì)胞中過度表達(dá)的端粒酶的響應(yīng)下裂解，導(dǎo)致猝滅的Cy5熒光信號的恢復(fù)。這種特異性的端粒酶反應(yīng)機(jī)制可以有效地實現(xiàn)端粒酶活性的體外檢測和細(xì)胞內(nèi)端粒酶的原位成像。同時，加載在納米水凝膠中的治療性siRNA被釋放，裂解細(xì)胞中的mRNA用于基因治療，達(dá)到對癌癥診療一體化的作用。

鄭靜課題組[19]將Cy3和BHQ2分別用作熒光線粒體靶向分子和偶氮還原酶響應(yīng)元件，它們共價連接到DNA發(fā)夾單體上(如圖6)。然后將Cy3修飾的DNA發(fā)夾單體H1和BHQ2修飾的DNA發(fā)夾單體H2(末端富含鳥嘌呤(G)的延伸處修飾的光敏劑TMPyP4)，通過雜交鏈反應(yīng)(HCR)簡單自組裝制備的長的可編程DNA納米鏈。Cy3的熒光和TMPyP4產(chǎn)生的單線態(tài)氧(1O2)被BHQ2通過熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)過程在組裝的納米鏈中有效猝滅。此納米鏈進(jìn)入癌細(xì)胞，在缺氧條件下，BHQ2中的偶氮鍵會被偶氮還原酶的高表達(dá)還原為氨基；然后，Cy3的熒光和TMPyP4的1O2產(chǎn)生能力將顯著恢復(fù)。此外，由于Cy3賦予的線粒體靶向特性，負(fù)載TMPyP4的納米鏈會在癌細(xì)胞的線粒體中積累，然后在光照射下表現(xiàn)出增強(qiáng)的PDT功效，用于診療一體化。

圖5 用于可激活缺氧成像和增強(qiáng) PDT 的偶氮還原酶響應(yīng)、線粒體靶向多功能 DNA 納米序列 (Nanotrain @TMPyP4) 示意圖Fig.5 Schematic illustration of the azoreductase-responsive, mitochondrion-targeted multifunctional DNAnanotrain (Nanotrain @TMPyP4) for activatable hypoxia imaging and enhanced PDT

圖6 用于端粒酶成像和端粒酶激活基因治療的DNA納米凝膠示意圖Fig.6 Illustration of the DNA nanogel for telomeraseimaging and telomerase-activated gene therapy

3 基于金屬有機(jī)骨架(MOF)的癌癥診療一體化FLI納米探針

金屬有機(jī)骨架(MOF)作為新型有序多孔配位聚合物，由有機(jī)配體和無機(jī)頂點(diǎn)(金屬離子或簇)組裝而成。MOF由于其比表面積大、生物相容性好、結(jié)構(gòu)可調(diào)和功能多樣而在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中越來越受到關(guān)注[20]。通過選擇合適的金屬離子和配體，可以合成和調(diào)節(jié)MOF以輔助癌癥的診斷和治療，充當(dāng)顯像劑、藥物載體和癌癥治療劑等[21-26]。

尹學(xué)博課題組[27]利用Cu2+摻雜的中空MOF結(jié)構(gòu)Cu/Zn-MOF，內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)用于加載光敏劑吲哚菁綠(ICG)，材料外面包裹MnO2合成納米探針(如圖7)。摻雜的Cu2+和表面的MnO2可氧化細(xì)胞中GSH以減少ROS的消耗并產(chǎn)生Mn2+離子用于“開啟”磁共振成像 (MRI)，且系統(tǒng)中聚集的ICG在808 nm的激光照射下被激活，將原位生成的O2轉(zhuǎn)化為1O2用于PTT和PTI，ICG還可用作體內(nèi)近紅外(NIR)染料熒光成像引導(dǎo)治療，可在腫瘤部位釋放后實現(xiàn)FLI。產(chǎn)生的Cu+和Mn2+催化細(xì)胞內(nèi)的H2O2生成·OH，用于CDT的類芬頓反應(yīng),達(dá)到對癌癥診療一體化的作用。

圖7 ICG @Mn/Cu/Zn-MOF @MnO2的制備過程及其檢測原理Fig.7 Preparation process and detection principle of ICG @Mn/Cu/Zn-MOF@MnO2

田間課題組[28]以ZIF-8為納米載體，通過ZrCl4和四(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)形成介孔球殼的中空卟啉金屬有機(jī)骨架 (H-PMOF)納米顆粒，往中空結(jié)構(gòu)里負(fù)載DOX和ICG，并用癌細(xì)胞膜包裹形成仿生組合納米平臺，提高納米材料的靶向性(如圖8)。ICG分子具有高光熱轉(zhuǎn)換效率和PDT效果，能在激光照射下將光能轉(zhuǎn)換為熱能，且被激發(fā)產(chǎn)生1O2，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，而且ICG可在腫瘤部位釋放后實現(xiàn)FLI，達(dá)到癌癥診療一體化的作用。

圖8 通過自犧牲 ZIF-8 NP 模板策略和仿生組合納米平臺DIHPm制造HPMOF NPs的示意圖Fig.8 Schematic illustration of fabricating the HPMOF NPs through a self-sacrificialZIF-8 NP template strategy and the biomimetic combined nanoplatform DIHPm

胡斌課題組[29]以Fe摻雜的MOF(NH2-MIL-101)為載體，裝載了抗癌藥物喜樹堿(Cam)，用聚乙二醇化葉酸(FA)修飾納米材料以特異性識別癌細(xì)胞膜上的FA受體，提高遞送效率。通過凋亡指示劑caspase-3的底物肽將熒光Au NCs偶聯(lián)到MOFs上，由于FRET作用，Au NCs的熒光被MOF猝滅(如圖9)。當(dāng)納米探針與細(xì)胞孵育后，Cam釋放出來導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，Cam的細(xì)胞間傳遞啟動了細(xì)胞的程序性死亡并上調(diào)了細(xì)胞凋亡指示劑(caspase-3)，從而切割了Au NCs和MOF之間的肽接頭，Au NCs的熒光猝滅然后在MOF上恢復(fù)，且caspase-3的量可以通過在電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)中檢測釋放的Au NCs中的Au來量化檢測達(dá)到對癌癥診療一體化的作用。

圖9 多功能Au NC/Cam @MOF納米探針的制備示意圖及實驗原理Fig.9 Schematic illustration of preparation of multifunctional Au NC/Cam @MOF nanoprobe and experimental principle

4 基于碳基納米材料(MCBN)的癌癥診療一體化FLI納米探針

多功能碳基納米材料(MCBN)具有良好的光學(xué)、電子和熱特性，已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域(例如生物成像、藥物輸送和腫瘤治療)中顯示出了大量潛在應(yīng)用，引起了越來越多的科研者關(guān)注。碳納米材料根據(jù)其形態(tài)可分為石墨烯(GO)、碳納米管(CNTs)、介孔碳納米粒子(MCNs)、納米金剛石、富勒烯和碳點(diǎn)(CDs)等[30]。

4.1 氧化石墨稀(GO)

GO是一種高度氧化的化學(xué)改性石墨烯，由于平面中存在大量含氧羥基、羧酸和環(huán)氧化物，因此具有良好的電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、力學(xué)性能[31-33]。Hwang課題組[34]以納米級GO為納米載體，通過酰胺化反應(yīng)，裝載上FA修飾的PEG，組裝成納米探針(如圖10a)。該納米平臺使1O2的產(chǎn)生敏感以介導(dǎo)雙峰PDT和PTT效應(yīng)在超低激光劑量的近紅外光激發(fā)下，即使在深部組織中也能有效損傷實體瘤。此外，納米級GO在可見光和NIR區(qū)域表現(xiàn)出單光子激發(fā)波長相關(guān)的光致發(fā)光，適用于體內(nèi)多色熒光成像，達(dá)到癌癥診療一體化的作用。

4.2 介孔碳納米粒子(MCNs)

介孔納米粒子，尤其是介孔二氧化硅納米粒子(MSNs)由于其高表面積、大孔體積和均勻的介孔結(jié)構(gòu)而被應(yīng)用于生物技術(shù)和納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[35-38]。楊平、邢宏龍課題組[39]以MSNs為載體，使用硅烷偶聯(lián)劑將其表面氨基化，并負(fù)載鋅酞菁-酚醛樹脂(ZnPc-PFR)納米顆粒光敏劑，且通過DOX的羥基和MSNs的氨基之間的氫鍵將DOX加載到MSNs中(如圖10b)。負(fù)載了(ZnPc-PFR)光敏劑，既可以提高DOX的載藥率，又可以在808 nm激光照射下將光能轉(zhuǎn)換為熱能用于PTT，且ZnPc-PFR在腫瘤的酸性微環(huán)境下激光照射下發(fā)出藍(lán)色的熒光，用于熒光成像。腫瘤酸性環(huán)境中過量的H+使氨基和羥基質(zhì)子化，氫鍵被破壞，DOX迅速釋放，用于化療，達(dá)到診療一體化的作用。

4.3 碳點(diǎn)(CDs)

CDs是一種重要的熒光碳基納米材料，尺寸小于10 nm，具有良好的水分散性、光學(xué)性能[40]，且其大小與體內(nèi)的蛋白質(zhì)、DNA、離子通道和腎小球濾過屏障相似，它們可以將基因或藥物裝載和輸送到特定目標(biāo)，這使它們成為理想的納米載體和納米膠囊[41-45]。彭孝軍課題組[46]選用一系列喹啉衍生物為“結(jié)構(gòu)固有靶向”碳源，通過一步水熱法構(gòu)建靶向核酸的不同CDs(1-CDs、Cl-CDs和I-CDs)，并負(fù)載FA修飾的脂質(zhì)體(FA-DSPE-mPEG 2000)(如圖10c)。細(xì)胞消化實驗和核酸反應(yīng)實驗表明，CDs對RNA具有良好的選擇性，且由于氮摻雜，所有制備的CDs都表現(xiàn)出NIR吸收和發(fā)射。在FA-DSPE-mPEG 2000的幫助下，I-CDs被主動遞送至腫瘤細(xì)胞，其中I-CDs由于碘的重原子效應(yīng)，表現(xiàn)出改善的光敏能力，可在激光照射下被激發(fā)后，將細(xì)胞中的O2轉(zhuǎn)換成1O2誘導(dǎo)腫瘤凋亡，達(dá)到診療一體化的作用。

圖10 合成 GO-PEG-葉酸的示意圖，以促進(jìn)納米材料介導(dǎo)的光動力和光熱治療破壞腫瘤的結(jié)合Fig.10 Schematic representation for the synthesis of GO-PEG-folate to facilitate the combinationof nanomaterial-mediated photodynamic and photothermal therapeutic destruction of tumors

5 總結(jié)與展望

目前，用于分子影像學(xué)研究的影像學(xué)技術(shù)有很多，而FLI具有靈敏度高、選擇性好、原位可視化觀測、非侵入性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被更多地用于癌癥成像診斷中。納米技術(shù)的飛躍發(fā)展為集癌癥成像診斷和治療試劑于一體化提供了平臺，F(xiàn)LI與治療(PTT、PDT、化學(xué)治療、基因治療和輻射治療等)集于一體化的納米材料越來越多，合成簡便、效果顯著。目前，納米材料的診療一體化在制備和應(yīng)用中還存在很多需要進(jìn)一步研究的問題，如：1)設(shè)計新型高效、安全多功能診療一體化納米材料，實現(xiàn)對腫瘤的性質(zhì)、尺寸、深度等精準(zhǔn)診斷；2)制定診療一體化納米材料在分散性、穩(wěn)定性、生物相容性的評估體系，建立納米材料與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)納米診療一體化技術(shù)的臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用。