金筆獎|長余輝納米材料實(shí)現(xiàn)腫瘤原位光動力治療研究的應(yīng)用

       1、光動力治療概述

       光動力療法（PDT）是20世紀(jì)開始的一種治療方法，使用適當(dāng)波長的光照射光敏劑殺傷病灶部位細(xì)胞，可以選擇性地對體內(nèi)的癌細(xì)胞造成損害。自古以來，PDT廣泛用于治療各種疾病，如牛皮癬、白癜風(fēng)或皮膚癌。這種治療方式可以追溯到3000多年前，古印度人和埃及人就開始使用天然植物（主要利用補(bǔ)骨脂素）治療各種皮膚病[1, 2]。目前，它已經(jīng)被應(yīng)用于治療頭頸部粘膜、乳腺、前列腺、膀胱、子宮頸和皮膚癌等疾病[3, 4]。

       近年來，PDT廣泛應(yīng)用于治療一些淺表皮膚類臨床疾病，逐漸成為一種很有前途的癌癥治療策略[5]。PDT的實(shí)體腫瘤治療臨床應(yīng)用方案如圖1-1所示，PDT是通過局部或靜脈注射光敏劑，當(dāng)光敏劑聚集在腫瘤組織中后，腫瘤組織暴露在適當(dāng)波長光輻照下（通常在紅色光譜區(qū)域，λ≥600 nm），就會在光照射的組織部位產(chǎn)生ROS，達(dá)到腫瘤治療的效果。與其他傳統(tǒng)療法相比，PDT具有微創(chuàng)性、無全身毒性和患者生活質(zhì)量高等突出優(yōu)點(diǎn)[6]。

       圖1-1 在實(shí)體腫瘤治療中的PDT臨床應(yīng)用方案[7]。

       2、影響光動力治療的關(guān)鍵因素

       受限于光源的穿透深度和腫瘤乏氧微環(huán)境，激發(fā)光源和氧氣成為了影響PDT療效的關(guān)鍵因素。

       在PDT中，激發(fā)光敏劑的光的波長決定了照射組織的穿透深度?？捎糜赑DT的大多數(shù)光敏劑易于被生物組織穿透力弱的短波紫外或可見光激發(fā)[8]，導(dǎo)致PDT僅限于治療淺表組織的疾病[9]。近紅外光（NIR）與常規(guī)PDT治療用的紫外或可見光相比，NIR觸發(fā)的PDT對病變區(qū)域的組織穿透性更深并且對正常組織光損傷更低，對于體內(nèi)深層組織處腫瘤的治療具有更大潛力。自發(fā)光包括化學(xué)發(fā)光和生物發(fā)光，同樣可以作為PDT光源。自發(fā)光過程中，化學(xué)或生物能量可以轉(zhuǎn)化為光，能夠在沒有外部光源的情況下觸發(fā)PDT。這意味著使用自發(fā)光不需考慮激發(fā)光源組織穿透深度有限的問題。

       氧氣是PDT中產(chǎn)生多種ROS的反應(yīng)底物。充足的氧氣供應(yīng)是保證PDT效果的前提。深層組織處腫瘤氧氣含量低，腫瘤組織的缺氧微環(huán)境可以促進(jìn)腫瘤生長和轉(zhuǎn)移，解決腫瘤微環(huán)境缺氧是PDT的一大挑戰(zhàn)。原位產(chǎn)生氧氣是解決實(shí)體瘤缺氧最常用的方法。研究者們通常使用催化劑催化細(xì)胞內(nèi)H2O2分解成氧氣和水，可以實(shí)現(xiàn)原位自供氧。腫瘤中H2O2的水平始終很高，多種催化劑均可以催化H2O2分解產(chǎn)生氧氣。過氧化氫酶（CAT）由于具有很高催化效率，成為最常用的催化劑之一。向腫瘤輸送外源性氧氣是為缺氧的腫瘤環(huán)境補(bǔ)充氧氣的另一種常用的方法。目前，研究較多的氧載體有全氟碳化物（PFCs）和血紅蛋白（Hb）。PFCs具有高氧容量，由于物理力介導(dǎo)的吸附，溶解在PFCs中的氧量與氧張力和溫度有關(guān)。因?yàn)镻FCs中氧氣的溶解度遠(yuǎn)高于血液中氧氣的溶解度，PFCs可以解決PDT過程中缺氧和氧氣消耗的問題，有利于促進(jìn)ROS產(chǎn)生[10]。

       3、長余輝納米材料

       長余輝材料又叫做持久發(fā)光材料，可以存儲來自紫外光、可見光、X-射線或其他激發(fā)源的能量，然后發(fā)射光子逐漸釋放能量[11]。長余輝發(fā)光是一種獨(dú)特的光學(xué)過程，在激發(fā)輻射停止后，長余輝材料會發(fā)出持久的余輝。與依賴于實(shí)時激發(fā)的熒光相比，余輝是由于存儲在長余輝材料能量阱中激發(fā)能量的熱刺激和延遲釋放。因此，它可以持續(xù)數(shù)秒、數(shù)小時甚至是數(shù)天。

       2007年，首次將長余輝材料制備成納米粒子，并用小動物活體成像[12]。長余輝納米粒子（PLNP）可以在進(jìn)入生物系統(tǒng)中之前預(yù)儲存能量，從而避免由激發(fā)光引起的自發(fā)熒光或背景散射光的干擾。通過尺寸調(diào)節(jié)、發(fā)射調(diào)節(jié)以及表面改性，PLNP作為新一代先進(jìn)光學(xué)材料，已廣泛用于生物傳感、生物成像和成像引導(dǎo)治療的研究[13]。

       4、長余輝納米材料的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

       4.1 生物傳感

       PLNP的激發(fā)和發(fā)射在時間上是分離的，PLNP可以在儲存能量后持續(xù)發(fā)光很長時間，因此，PLNP可以避免自發(fā)熒光的干擾。2011年，Wu等人制備了一種水溶性功能化PLNP（Ca1.86Mg0.14ZnSi2O7:Eu2+:Dy3+,Eu2+），通過熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）抑制實(shí)驗(yàn)對α-甲胎蛋白（AFP）進(jìn)行檢測。在PLNP表面包覆一層聚乙烯亞胺，然后與甲胎蛋白抗體包被的金納米顆粒偶聯(lián)。Au納米顆粒由于具有較高的摩爾吸附系數(shù)而被用作猝滅劑。這種高靈敏度和高特異性的持久光致發(fā)光探針可以檢測血清樣本中的AFP，并實(shí)時成像癌細(xì)胞生長過程中排出的AFP[14]。

       4.2 生物成像

       無需連續(xù)原位激發(fā)的PLNP可以有效地消除生物成像中動物組織的背景自發(fā)熒光，從而顯著提高成像靈敏度和信噪比。由于PLNP具有很大的比表面積，可以通過二氧化硅包覆、聚合物連接、生物分子偶聯(lián)等方法實(shí)現(xiàn)表面修飾，修飾之后PLNP可以廣泛應(yīng)用于生物成像領(lǐng)域。PLNP首先被Scherman等人用于活體成像[15]。與傳統(tǒng)的體內(nèi)光學(xué)成像探針相比，PLNP具有高的光穩(wěn)定性、優(yōu)異的信噪比和良好的生物相容性，可以直接用于商業(yè)成像系統(tǒng)。長余輝發(fā)光的可重復(fù)激發(fā)能力使PLNP可以用于長期的活體生物成像[16]。

       4.3 光動力治療

       大多數(shù)用于PDT的光敏劑需要長時間通過紫外或可見光連續(xù)激活，這類光源組織穿透深度有限，輻射還會引起過熱和細(xì)胞損傷。具有持久NIR光發(fā)射的PLNP無需連續(xù)光子激發(fā)，可以作為激活PDT的持久光源[17]。這一特征有望最大限度地減少PDT有害副作用，并實(shí)現(xiàn)無需持續(xù)外部照射這種方便的臨床癌癥治療方式[18]。

       Abdurahman等人報(bào)道了硅酞菁光敏劑（Si-Pc）與808 nm近紅外光共軛的PLNP體系，用于可再生NIR光致發(fā)光的PDT[19]。Huang等人構(gòu)建了可注射的長余輝（PL）植入物，作為一種高效可重復(fù)的PDT內(nèi)置激發(fā)光源。這項(xiàng)研究代表了基于PLNP的PDT新概念，有效抑制了腫瘤生長[20]。

       5、總結(jié)與展望

       光動力療法（PDT）具有高時空選擇性、微創(chuàng)性和低毒性的優(yōu)點(diǎn)，是一種新型腫瘤治療策略。激發(fā)光源和氧氣是影響PDT的兩大因素，常用光源的組織穿透能力有限，并且腫瘤微環(huán)境大多乏氧，限制了PDT的治療效果。長余輝發(fā)光材料可以存儲能量，在無激發(fā)光源的條件下可持續(xù)自行發(fā)光數(shù)分鐘到數(shù)天。通過長余輝納米粒子（PLNP）可控發(fā)光，可以實(shí)現(xiàn)無需外界光源激發(fā)的PDT。

       長余輝納米復(fù)合物，能夠?qū)崿F(xiàn)靶向識別癌細(xì)胞，響應(yīng)癌細(xì)胞內(nèi)高濃度谷胱甘肽（GSH）實(shí)現(xiàn)自供氧和自發(fā)光的PDT。納米復(fù)合物可以在GSH過表達(dá)的腫瘤細(xì)胞中啟動PDT，并以自發(fā)光和自供氧的方式完成，從而在沒有外界光照射的情況下在體內(nèi)產(chǎn)生顯著的腫瘤抑制作用，為腫瘤PDT的研究提供一個新的方法。后續(xù)研究中可以對長余輝納米復(fù)合物在癌細(xì)胞內(nèi)的生物學(xué)效應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步研究。例如：PDT能激活宿主抗腫瘤免疫反應(yīng)，但不足以阻止腫瘤轉(zhuǎn)移?？梢栽赑DT基礎(chǔ)上繼續(xù)研究由PDT引發(fā)的自體免疫反應(yīng)，在長余輝納米復(fù)合物的材料體系基礎(chǔ)上，引入吲哚胺2,3-雙加氧酶（IDO）抑制劑，增強(qiáng)PDT后的免疫激活效力，實(shí)現(xiàn)光動力免疫聯(lián)合治療，防止癌癥復(fù)發(fā)。       

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       作者簡介：@LLH，食品科學(xué)專業(yè)碩士，研究方向?yàn)楹怂嵘锕δ懿牧嫌糜趷盒阅[瘤診斷治療，一名剛剛踏上制藥道路的職場小 白。