尹翼鵬晨，張 琴，傅小龍

上海交通大學附屬胸科醫(yī)院放療科，上海 200030

惡性腫瘤是嚴重威脅人類健康和影響人類壽命的元兇之一。近10年來，惡性腫瘤發(fā)病率和死亡率節(jié)節(jié)攀升，給世界公共衛(wèi)生和社會經(jīng)濟帶來沉重負擔[1]。在中國，隨著城市化、工業(yè)化、老齡化的不斷發(fā)展，疾病譜也在發(fā)生著巨大變化，自20世紀70年代以來，中國惡性腫瘤病死率上升了142.85%[2]。據(jù)中國疾病預防控制中心公布的數(shù)據(jù)，惡性腫瘤發(fā)病率和死亡率均居各種疾病發(fā)病率和死亡率的首位，2015年腫瘤發(fā)病率為313.28/10萬，死亡率為205.40/10萬，大部分患者確診時已經(jīng)是中晚期，總體療效不佳，5年生存率為36.9%[3]。在目前的腫瘤綜合治療中，手術治療、化療、放療是腫瘤治療的三大主要手段，然而患者接受各種手段治療之際均存在一定的復發(fā)、轉移風險，也可能出現(xiàn)治療相關的并發(fā)癥[4-5]，因此尋找新的治療手段成為十分重要的問題。

近年來，納米技術在生物醫(yī)藥，尤其是惡性腫瘤診治上的發(fā)展和應用受到廣泛關注。納米材料是對至少在某一維度下尺寸介于1～100 nm或以這種結構組合而成的超精細材料的統(tǒng)稱。納米材料的尺寸介于原子水平與宏觀物體水平之間，賦予納米材料特殊的性質(zhì)，如比表面積大、反應活性高、強度高、熱阻低、比熱容高、擴散性高、特殊的磁性和光學性質(zhì)等，使納米粒子擁有更高的可塑性，使其在醫(yī)學影像學診斷和藥物運輸中的應用成為可能。

納米材料具有良好的生物相容性和靶向性，而腫瘤組織的血管有異常增殖的特點：血管密度高而管壁完整性差，間隙寬，對大分子顆粒具有通透性且淋巴回流比較慢，因此一定大小的納米粒子可以進入并停留于腫瘤組織，實現(xiàn)在腫瘤組織高效準確地富集，這種效應稱為“增強滲透滯留（enhanced permeability and retention，EPR）效應”，屬于被動靶向效應[6]（圖1）。近年來研究人員設計了各種基于納米材料的靶向遞藥系統(tǒng)，改善了眾多疏水藥物的水溶性、穩(wěn)定性及在體內(nèi)的藥物代謝動力學過程，能夠主動靶向運輸藥物至腫瘤部位，實現(xiàn)藥物的定向釋放，在增加藥物療效、克服耐藥的同時降低藥物毒性。納米材料還可以通過促進對放射線的吸收或改善腫瘤乏氧狀況來增敏放療。有光熱效應的納米材料不僅可以原位殺傷腫瘤細胞，同時可以增加腫瘤細胞對化療和放療的敏感性，因此可以將化療、放療、光療和免疫治療等多種治療手段相結合，達到協(xié)同治療腫瘤的目的，從而顯著提高腫瘤的治療效果，這為減少傳統(tǒng)療法的不良反應帶來了新的可能[7-9]。此外，納米材料有很好的穿透效果和腫瘤富集效果，可以用于實時、動態(tài)、可視化的腫瘤造影，作為分子探針用于磁共振、核醫(yī)學、光學成像等多種成像模式及兼具治療功能的診療一體化材料。本文總結和列舉了近年來納米材料在腫瘤診療中的應用，旨在為廣大研究者提供參考。

圖1 納米材料對腫瘤的被動靶向和主動靶向Fig.1 Passive targeting and active targeting of nanomaterials in tumor

1 納米材料在腫瘤診斷中的應用

癌癥發(fā)現(xiàn)和確診的時機決定著患者的生存期。對大多數(shù)腫瘤患者，Ⅰ期癌癥患者5年生存率超過90%[10]。然而惡性腫瘤往往起病隱匿，早期缺乏特異性臨床表現(xiàn)，待臨床癥狀明顯時患者多處于中晚期，治療效果差。目前惡性腫瘤診斷主要通過生物學檢測及影像學方法，生物學方法靈敏度和特異度都有限，且無法對腫瘤定位，活組織檢查為有創(chuàng)性且標本有限。影像學方法受成本及風險制約，同時對直徑小于0.5 cm的腫瘤仍然無能為力。因此，發(fā)展先進技術，實現(xiàn)對腫瘤的早期診斷和監(jiān)測具有重要意義。目前，可以將納米材料制成有靶向性的納米造影劑或納米探針，用于不同類型的影像設備，進而從細胞、分子水平揭示機體的生理、病理狀況和代謝水平等，在腫瘤診斷和評價預后等方面已經(jīng)和正在呈現(xiàn)出良好的應用前景。

在眾多的影像學方法中，磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）具有無創(chuàng)、安全、分辨率高的特點，且對軟組織成像好。但是MRI靈敏度不高，臨床上常用釓的配合物作為T1加權成像造影劑，釓劑具有一定的腎毒性。Fe3O4納米粒被認為是對人體無毒的T2加權成像造影劑[11]，與釓劑相比具有靈敏度高、組織相容性好、超順磁性等特點[12]。1996年已通過美國食品藥品管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）批準的以Fe3O4納米粒為基礎的MRI造影劑Ferumoxsil（商品名GastroMARK?）上市，用于口服消化道MRI造影。

利用放射性核素進行顯像在核醫(yī)學領域具有重要地位，不僅靈敏度高，而且可定量，最常見的類型有正電子發(fā)射斷層成像（positron emission tomography，PET）和單光子發(fā)射計算機斷層成像（single-photon emission computed tomography，SPECT）。目前，通過放射性核素對納米材料進行標記可以用于監(jiān)測納米藥物的分布和實現(xiàn)靶向成像。例如，研究人員先后利用186Re-BMEDA[13]和99mTc-PEGylate[14]標記的多柔比星脂質(zhì)體行SPECT，可以對藥物在體內(nèi)的分布進行示蹤，同時還具有促進藥物釋放的作用。用64Cu標記的Mn3O4納米粒聯(lián)合抗CD105抗體TRC105可以靶向至荷瘤鼠乳腺癌血管行PET（圖2）[15]。

圖2 核素標記抗體結合的Mn3O4納米粒在腫瘤的PET和MRIFig.2 Radiolabeled,antibody-conjugated Mn3O4 nanoparticles for tumor vasculature targeted PET and MRI

超聲成像具有安全、便捷的特點，在醫(yī)學影像領域具有天然的優(yōu)勢。目前已開發(fā)出可靶向至腫瘤血管相關標志物的納米超聲影像材料。例如，可靶向至高表達血管內(nèi)皮生長因子受體2（vascular endothelial growth factor receptor 2，VEGFR2）的腫瘤血管的超聲納米微泡不僅可以更清晰地對腎轉移癌的腫瘤血管進行超聲成像，而且可以促進抗VEGFR靶向藥物在腫瘤血管中的定位[16]。

光學成像具有無輻射、無創(chuàng)、高分辨率和可控性好等優(yōu)點，然而其穿透力差。通常利用熒光素產(chǎn)生熒光信號進行熒光成像，近紅外熒光（near- infrared fluorescence，NIRF）探針因其穿透力強、安全而得到廣泛應用，目前已被用于小動物活體成像系統(tǒng)及腫瘤轉化醫(yī)學研究領域。目前，有大量的納米材料[17]如脂質(zhì)體、金屬或非金屬納米粒等均可以包載NIRF實現(xiàn)靶向腫瘤的光學成像[18]。另外，光聲成像（photoacoustic imaging，PAI）是一種新興的成像模式，它利用生物組織對光吸收的差異，并以超聲信號對這種差異進行捕捉和成像[19]，不僅反映組織解剖的信息，同時可提供機體代謝的信息，實現(xiàn)功能成像與分子影像的結合。研究發(fā)現(xiàn)，利用NIRF標記的超順磁性四氧化三鐵（superparamagnetic iron oxide，SPIO）納米粒靶向至高表達人類表皮生長因子受體（human epidermal growth factor receptor 2，HER2）的卵巢癌荷瘤鼠，可以獲得高分辨率的光聲圖像，從而為卵巢癌根治術確定更加精確的切除范圍[20]。

目前出現(xiàn)將多種不同類型的成像手段聯(lián)合使用的多模態(tài)成像技術，可以將不同的影像手段加以整合，產(chǎn)生協(xié)同作用，為腫瘤的精確診斷、精準治療提供更加全面、準確的影像信息。例如，64Cu標記的SPIO載多柔比星納米粒既可以治療小鼠腦膠質(zhì)瘤，也可以進行雙模態(tài)PET和MRI[21]。有報道將Cy5、釓和葉酸共同包埋于金納米?？蓪崿F(xiàn)對小鼠的三模態(tài)光學成像、MRI和CT成像[22]。這種對腫瘤多模態(tài)成像與診療一體化的研究，將是未來腫瘤納米醫(yī)學發(fā)展的新方向。

2 納米材料在腫瘤化療中的應用

化療是傳統(tǒng)的腫瘤治療方法之一，大多數(shù)腫瘤都需要用到化療手段，然而化療存在不良反應大（脫發(fā)、嘔吐、骨髓抑制等）、腫瘤耐藥、藥物水溶性和靶向性差等缺陷，限制了化療在臨床上的應用。另外，腫瘤治療往往出現(xiàn)多重耐藥（multidrug resistance，MDR）。由于腫瘤組織靜水壓高、細胞間質(zhì)滲透壓低，間質(zhì)液有向腫瘤外組織流動的趨勢，腫瘤細胞膜表面還可以表達P糖蛋白，將攝取的藥物外排。納米材料所具有的獨特性質(zhì)使它可以與化療藥結合為納米藥物，是一種有前景的抗癌方式[23]。常用的納米藥物制劑類型主要有脂質(zhì)體、樹突狀聚合物、聚合物納米粒、固體脂質(zhì)納米顆粒、介孔二氧化硅納米顆粒、聚合物膠束、磁性納米粒、金納米粒等[24]。第一個被批準用于臨床的納米藥物載體系統(tǒng)是載多柔比星的鹽酸多柔比星脂質(zhì)體[25]。不同種類的納米粒各有優(yōu)劣，除了上述納米粒外，近年來還有以細胞或細胞膜為載體的納米藥物載體出現(xiàn)，包括紅細胞、白細胞、腫瘤細胞和干細胞等。相較于一般的納米粒，細胞膜表面某些分子可以具有腫瘤歸巢的特性，更加有利于靶向遞藥[26]。

小于200 nm的納米粒具有較強的EPR效應，被廣泛用于腫瘤的靶向治療。主動靶向是指在納米粒上附加可以與腫瘤標志物（如特異性腫瘤相關抗原和受體等）結合的配體，使納米粒有效聚集于特定腫瘤部位，有利于藥物在腫瘤組織中的聚集，減少藥物在非腫瘤部位中的分布，減輕藥物引起的不良反應。常用的配體有抗體、小分子類和適配體等。納米材料具有很大的比表面積，能夠有效地裝載疏水性的藥物，保護藥物，增加其在血液循環(huán)中的穩(wěn)定性和生物利用度，通過聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）等修飾可以實現(xiàn)長循環(huán)的目的[27]。小分子化療藥物主要通過被動擴散進入腫瘤細胞，效率較低且靶向性不佳，易被腫瘤細胞膜表面的轉運蛋白識別并外排發(fā)生耐藥。用納米材料載化療藥物可以改變藥物進入腫瘤細胞的方式，增加腫瘤細胞對藥物的攝取進而克服耐藥。研究發(fā)現(xiàn)，脂質(zhì)體納米粒可以通過胞吞的方式介導藥物進入腫瘤細胞，進一步逃避轉運蛋白的外排和溶酶體的吞噬而克服耐藥[28]。一些陽離子聚合物如普朗尼克具有運輸至細胞核的特點[29]，可以利用這類材料載以細胞核為靶點的化療藥物使其順利到達靶點。

研究表明，熱療聯(lián)合化療可以顯著增強化療的效果[30]，主要的機制有：① 熱療可以抑制腫瘤細胞DNA的修復，增強化療對腫瘤細胞DNA的損傷；② 熱療可以擴張腫瘤血管，幫助化療藥物更多地進入腫瘤組織；③ 熱療能增加腫瘤細胞膜的通透性，使化療藥物更易于進入腫瘤細胞；④ 熱療可降低對化療耐藥腫瘤細胞的耐藥性；⑤ 腫瘤組織中心部位細胞pH低且乏氧，對熱療敏感而對化療不敏感，相反腫瘤組織周圍細胞對化療更敏感，二者可以協(xié)同互補。許多實驗也證明了熱化療的良好抗腫瘤效果，例如，載順鉑的磁性納米粒，用熱化療方法治療大鼠神經(jīng)膠質(zhì)瘤，對腫瘤殺傷效果顯著優(yōu)于對照組[31]。

3 納米材料在腫瘤放療中的應用

放療是臨床上用于腫瘤治療的標準療法之一，據(jù)統(tǒng)計，有接近60%的腫瘤患者接受過放療[32]。然而由于放療耐受及放療后復發(fā)等問題，放療的療效并不能令人滿意。

具有較高原子序數(shù)的金屬納米材料，如金、銀等，當輻射光子入射時，會發(fā)生光電效應和康普頓效應，金屬原子發(fā)生能級躍遷，釋放俄歇電子，同時散射康普頓電子，這些電子在納米粒表面產(chǎn)生高密度電離能，從而使放射線能量增強，并富集于腫瘤細胞內(nèi)，從而增強了放射線對腫瘤細胞DNA的損傷，進一步促進腫瘤細胞DNA雙鏈斷裂、抑制DNA合成和修復[33-35]。同時，這種電離作用可以增加腫瘤細胞內(nèi)自由基的產(chǎn)生，增強放射線對腫瘤細胞的殺傷[36]。金納米粒在體內(nèi)外已被廣泛地用作放射治療的增強試劑，Wang等[37]研究了葡萄糖通過巰基與金納米粒耦連后，發(fā)現(xiàn)肺癌A549細胞對納米粒的攝取能力明顯提高，而且該納米材料可以提高肺癌A549細胞對6 MV X射線的放射敏感性，射線對肺癌A549細胞的抑制率與納米材料的濃度呈正相關。

有些功能性納米材料可以通過改善腫瘤乏氧來進一步增強放療的效果。Hauser等[38]將細胞穿膜肽與納米Fe3O4相連接，加入肺腺癌A549細胞系，納米粒高效富集于腫瘤細胞內(nèi)，且腫瘤細胞線粒體活性大幅下降，將納米材料和放療聯(lián)合使用，肺癌細胞內(nèi)活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）產(chǎn)生增多，且腫瘤細胞存活率進一步下降（圖3）。Angelopoulou等[39]構建以磁性鐵顆粒為核心的納米粒搭載降糖藥達格列嗪，阻斷乏氧區(qū)肺癌細胞維持生存所必需的糖酵解過程，導致對放療不敏感的腫瘤細胞乏氧區(qū)細胞死亡，從而起到放療增敏的作用。

圖3 靶向性Fe3O4納米粒對放療的增效Fig.3 Targeted Fe3O4 nanoparticles for the enhancement of radiation therapy

研究表明，熱療和放療聯(lián)合使用可以產(chǎn)生“1+1＞2”的協(xié)同效果，提高放療的療果[40]?？赡艿臋C制有：① 熱療可以抑制腫瘤細胞DNA修復，增強放療對腫瘤細胞DNA的損傷；② 熱療可以擴張腫瘤血管，提高腫瘤細胞氧濃度，增強放療作用；③ 放療后腫瘤細胞對熱療更加敏感；④ 有絲分裂期（M期）的腫瘤細胞對放療敏感，細胞增殖期（S期）的腫瘤細胞對熱療敏感。研究證實，將可靶向腫瘤的產(chǎn)熱納米粒與188Re結合，在較低劑量下即可有效殺傷腫瘤細胞[41]。研究表明，將超順磁性納米粒用于磁流體熱療和放療（外照射劑量20 Gy）聯(lián)合使用治療大鼠前列腺癌比單獨使用放療的效果更好[42]。

4 納米材料在腫瘤光療中的應用

近年來，光療用于腫瘤治療越來越受到關注。光療包括光熱治療（photothermal therapy，PTT）和光動力治療（photodynamic therapy，PDT）。

PTT相對安全且便于控制，然而存在對深部組織穿透性差，熱量難以富集等缺點，使用具有光熱效應的納米材料可以有效地將光能轉化為熱能，并靶向至腫瘤細胞，減少了對周圍組織的損傷。在PTT中，納米材料本身就具備治療的屬性。常用的光吸收劑有納米金、石墨烯和近紅外染料等[43-44]。腫瘤組織血管較迂曲，散熱效率低下，受熱時熱量容易蓄積，故PTT可以有效地破壞腫瘤細胞而對正常細胞損傷較小[45]。Dickerson等[46]將PEG修飾的金納米棒注入荷瘤鼠，近紅外光照射可使小鼠腫瘤體積縮小1/4。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3O4磁簇在808 nm激光下可以產(chǎn)生光熱效應，對肺癌A549細胞和荷瘤鼠都具有明顯的治療效果[47]。此外，近紅外染料和卟啉類物質(zhì)兼具多模態(tài)成像和PTT效果，例如，透明質(zhì)酸-花菁類染料-鐵復合納米粒可以用于熒光成像、磁共振多模態(tài)成像和PTT，該材料在785 nm激光1 W/cm2的功率下照射約5 min即可升高28 ℃，相同條件下對MCF-7移植瘤小鼠治療可消除腫瘤（圖4）[48]。然而光熱納米材料尤其是無機納米材料在生物體內(nèi)難以降解，具有潛在的毒性以及誘發(fā)免疫相關不良反應的可能。研發(fā)具有更好的生物相容性、可降解性、低毒性的光熱轉換材料將是未來發(fā)展的熱點。

PDT主要利用光敏劑對腫瘤細胞進行殺傷，包括兩種類型：Ⅰ型過程是光敏劑直接與細胞微環(huán)境成分反應，產(chǎn)生過氧化物或超氧化物，氧化破壞腫瘤細胞[49]；Ⅱ型過程是利用含卟啉的光敏劑在特定波長光照下產(chǎn)生高反應性的單線態(tài)氧進而殺傷腫瘤細胞。光敏劑本身往往靶向性、水溶性和生物利用度較差，利用納米材料作為載體搭載光敏劑可以提高其穩(wěn)定性和靶向性[50-51]。光敏劑產(chǎn)生的ROS半衰期短，通過納米材料將光敏劑靶向富集到腫瘤后，只有靠近光敏劑的細胞可發(fā)生PDT過程，有效地減少對周圍正常組織的損傷[52]。李方舟等[53]制備了載多柔比星的介孔碳納米粒，發(fā)現(xiàn)多柔比星與兼有PTT和PDT效果的介孔碳納米粒聯(lián)合使用對乳腺癌細胞具有明顯的抑制作用。

5 納米材料在腫瘤免疫治療中的應用

腫瘤的免疫治療是通過激活機體的免疫功能或解除免疫抑制來治療腫瘤的新方法，具有特異性強、能清除微小病灶、減少復發(fā)的優(yōu)點。2013年，“癌癥免疫循環(huán)”概念被提出，認為腫瘤相關抗原（tumor-associated antigen，TAA）、腫瘤特異性抗原（tumor-specific antigen，TSA）可以遞呈給免疫細胞，啟動免疫反應，識別并殺傷腫瘤細胞，為腫瘤的免疫治療提供了理論依據(jù)[54]。目前臨床常用的免疫治療方法包括免疫檢查點抑制劑和過繼細胞療法（adoptive cell therapy，ACT）。免疫檢查點抑制劑包括溶細胞性T淋巴細胞相關抗原4（cytolytic T lymphocyteassociated antigen 4，CTLA4）抗體、程序性死亡[蛋白]-1（programmed death-1，PD-1）抗體和程序性死亡[蛋白]配體-1（programmed death ligand 1，PD-L1）抗體[55]。ACT是通過向患者輸入經(jīng)改造的免疫細胞以達到抗腫瘤效果的方法[56]。納米材料可以增加抗體、免疫因子等的穩(wěn)定性，在防止其降解的同時，增加免疫因子在腫瘤部位的富集，提高其靶向性和療效，減少免疫治療相關不良反應。

圖4 透明質(zhì)酸-花菁類染料-鐵復合納米粒用于熒光成像、磁共振多模態(tài)成像和PTTFig.4 Hyaluronic acid-cyanine dye-iron composite nanoparticles used in fluorescence imaging,magnetic resonance multimodal imaging and PTT

癌癥疫苗是利用TAA、TSA及免疫因子等激活機體免疫應答治療腫瘤的方法，而通過納米材料的組裝可以保護免疫成分不被內(nèi)環(huán)境所影響，并主動靶向腫瘤特異性T細胞，激活特異性免疫應答[57]。研究人員設計了含TSA的納米疫苗，與不含納米材料的疫苗相比，機體可產(chǎn)生更多的腫瘤特異性細胞毒性T淋巴細胞和更強的免疫應答，該疫苗與免疫檢查點抑制劑聯(lián)合使用可以產(chǎn)生協(xié)同作用，抑制腫瘤的復發(fā)[58]。傳統(tǒng)ACT需要先離體免疫細胞，利用納米支架可以實現(xiàn)在體對免疫細胞的招募和富集，例如，用含有寡核苷酸和粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子的納米聚乳酸-羥基乙酸共聚物[poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA]支架植入小鼠皮下，可以招募和激活樹突狀細胞，誘發(fā)免疫反應，清除腫瘤[59]。研究發(fā)現(xiàn)，放療可以具有遠隔效應，放療照射原位腫瘤時會釋放炎癥因子和TAA，誘導腫瘤特異性免疫反應的發(fā)生，與免疫治療可以產(chǎn)生協(xié)同作用，發(fā)揮全身性抗腫瘤的效果[60]。有報道將可以捕獲TSA的納米粒和放療聯(lián)合使用可以增強放療的效果及遠隔效應，對黑色素瘤荷瘤鼠原發(fā)灶行放療及注射該納米材料可以有效抑制腫瘤生長和復發(fā)[61]。Chen等[62]的研究顯示，PTT聯(lián)合含免疫佐劑及CTLA-4單抗的納米材料可提高結腸癌和乳腺癌小鼠T細胞水平，抑制腫瘤生長，同時產(chǎn)生記憶效應，抑制腫瘤復發(fā)（圖5）。

圖5 PTT聯(lián)合含免疫佐劑納米粒在免疫檢查點抑制劑免疫治療增效中的應用Fig.5 PTT with immune-adjuvant nanoparticles together with checkpoint blockade for effective cancer immunotherapy

6 結語

納米技術具有諸多優(yōu)越的性質(zhì)，使其在腫瘤診療領域的應用越來越廣泛，為解決傳統(tǒng)腫瘤診療中的難題帶來了新的途徑和思路。然而，納米技術目前仍存在納米材料制備、生物安全性、毒性、分析方法和機制研究等問題，有待進一步完善。目前的研究大多以實驗室研究為主，到進入臨床還需要更多的努力。相信在不久的將來，納米技術會有更大的發(fā)展，而腫瘤的診療也將迎來更美好的明天。