趙蔓，張文遠(yuǎn)，王娜，彭海生

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)(大慶)，黑龍江 大慶 163319)

腫瘤是一種由突變細(xì)胞引起的全身性疾病，目前臨床常用的治療方法主要包括化療、手術(shù)切除以及放療等[1]。雖然治療后患者整體存活率有一定改善，但常伴隨嚴(yán)重的不良反應(yīng)以及復(fù)發(fā)率高、預(yù)后差等問題。光/聲輔助療法是一種新型無創(chuàng)性的治療方法，在腫瘤的治療中具有較大的應(yīng)用潛力[2-3]。光/聲輔助療法通過外部可調(diào)節(jié)的激光照射或超聲刺激，精準(zhǔn)地靶向腫瘤，從而保護(hù)周圍健康組織不受損害[4]。但光療法與聲療法的研究及應(yīng)用目前仍處于初級(jí)階段，還存在某些缺陷與不足[5]。此外，光熱劑、光敏劑和聲敏劑固有的疏水性、較差的藥動(dòng)學(xué)以及無序的組織分布等性質(zhì)特點(diǎn)均導(dǎo)致其難以發(fā)揮最大療效[6]。近年來，利用納米技術(shù)得到的納米光熱劑、光敏劑或聲敏劑可有效改善傳統(tǒng)小分子光熱劑、光敏劑或聲敏劑的生理行為[7]，同時(shí)還可增強(qiáng)其滲透性和保留性，通過主動(dòng)靶向遞送實(shí)現(xiàn)在腫瘤部位的有效蓄積[8]。此外，在腫瘤治療領(lǐng)域，納米載體的應(yīng)用可進(jìn)一步將光療法和聲療法集成到同一載體上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的多重殺傷作用[9-10]?，F(xiàn)就基于納米材料的光/聲輔助療法在腫瘤治療中的應(yīng)用進(jìn)展予以綜述。

1 光療法在腫瘤治療中的應(yīng)用

近年來，光療法因具有獨(dú)特的非侵襲性而備受關(guān)注，該療法通過將一種光治療劑輸送至腫瘤部位，再用特定的光進(jìn)行局部照射，實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的特定消融[11]。其中，光熱治療和光動(dòng)力治療是腫瘤治療中最常用的兩種光療方法。早在1900年即有研究表明吖啶類染料與光照相結(jié)合可產(chǎn)生細(xì)胞毒性效應(yīng)[12]。此后，為了進(jìn)一步提高激光誘導(dǎo)光熱消融的效率和選擇性，通常在腫瘤部位引入光熱劑。光熱治療是指經(jīng)特定波長激光照射后，光熱劑將吸收的光轉(zhuǎn)換為熱，使局部溫度升高，從而殺死腫瘤細(xì)胞。光熱治療因具有簡單、無創(chuàng)、安全、可遙控等特點(diǎn)在腫瘤治療領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。但目前光熱治療面臨光線穿透深度有限、光熱劑在腫瘤中的遞送效率相對(duì)較低以及某些腫瘤中熱激蛋白過表達(dá)會(huì)對(duì)光熱治療產(chǎn)生一定的抗藥性等問題，這也是光熱治療臨床前研究向臨床研究轉(zhuǎn)化面臨的主要挑戰(zhàn)。

不同于光熱治療，光動(dòng)力治療作為另一種非侵入性光療策略很大程度上依賴于光與光敏劑之間的相互作用實(shí)現(xiàn)光化學(xué)過程[13]。光敏劑本身幾乎不具有毒性，在腫瘤組織聚集后可以被特定波長的激光激活，進(jìn)而將內(nèi)源性的氧分子轉(zhuǎn)化為具有細(xì)胞毒性的活性氧類(單線態(tài)氧、超氧陰離子和羥自由基等)以殺傷腫瘤細(xì)胞[14]。與傳統(tǒng)的腫瘤治療方式相比，光熱治療與光動(dòng)力治療可在減少不良反應(yīng)的同時(shí)提高特異性，并可應(yīng)用于多種腫瘤的治療。

1.1光熱治療與光動(dòng)力治療的機(jī)制 激光是一種高能量的光，當(dāng)其作用于腫瘤部位時(shí)，聚集在腫瘤部位的光熱劑將所吸收的光能轉(zhuǎn)化為生物分子的動(dòng)能，表現(xiàn)為光熱劑分子的振動(dòng)加劇，這種分子振動(dòng)的動(dòng)能即熱能。由于生物組織自身導(dǎo)熱性能差、熱擴(kuò)散速度慢，短時(shí)間內(nèi)無法將所獲得的熱能傳遞至周圍組織，從而導(dǎo)致分子熱能急速加劇，溫度迅速升高[15]。研究表明，當(dāng)溫度達(dá)到42 ℃時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的腫瘤損傷，從而達(dá)到局部殺死腫瘤細(xì)胞的目的[16]；當(dāng)溫度達(dá)到42～46 ℃時(shí)，10 min內(nèi)便會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞壞死；當(dāng)溫度達(dá)到46～52 ℃時(shí)，細(xì)胞會(huì)因微血管血栓的形成和缺血而迅速死亡；當(dāng)溫度>60 ℃時(shí)，細(xì)胞幾乎瞬間死亡[17]。

光動(dòng)力治療的機(jī)制通常包含3個(gè)關(guān)鍵性因素，即光敏劑、合適的光源以及充足的組織氧[18]。光敏劑分子被定位到特定的組織后，經(jīng)特定波長的激光照射，使其從基態(tài)被激活至第一激發(fā)態(tài)，而被激活后的光敏劑會(huì)發(fā)生Ⅰ型和Ⅱ型氧化還原反應(yīng)，其所釋放的能量可介導(dǎo)選擇性的細(xì)胞殺傷[5]。一方面，活化后的光敏劑可直接與細(xì)胞內(nèi)分子或細(xì)胞膜成分等底物反應(yīng)形成自由基，并進(jìn)一步與氧相互作用生成活性氧類，即Ⅰ型氧化還原反應(yīng)；另一方面，在Ⅱ型氧化還原反應(yīng)中，活化后的光敏劑可直接將能量轉(zhuǎn)移至氧中形成單線態(tài)氧，并進(jìn)一步氧化各種底物；光動(dòng)力治療正是利用Ⅰ型和Ⅱ型氧化還原反應(yīng)生成的單線態(tài)氧以及其他超氧離子對(duì)各種底物的氧化誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和壞死，從而啟動(dòng)細(xì)胞毒性效應(yīng)[19]。

1.2納米光療制劑在腫瘤治療中的應(yīng)用 無論是光熱劑還是光敏劑均是相應(yīng)光療所必需的，且光療法的療效與光療劑的選擇具有直接關(guān)系。特別是在光熱治療中，光熱劑的存在有助于對(duì)腫瘤局部選擇性的加熱，從而避免損傷周圍健康組織。目前，雖然傳統(tǒng)光療劑在腫瘤治療中仍廣泛應(yīng)用且已取得一定進(jìn)展，但絕大多數(shù)光療劑存在溶解度低、穩(wěn)定性差、細(xì)胞/組織特異性低等缺點(diǎn)，因此其臨床應(yīng)用受到限制[20]。近年來，作為光療劑的新興材料，納米材料取得快速發(fā)展，越來越多的光熱與光動(dòng)力學(xué)納米材料被開發(fā)出來[21]。貴金屬納米材料、碳納米材料、半導(dǎo)體納米材料、有機(jī)納米材料等由于具有比表面積大、粒徑小、機(jī)械靈活性以及優(yōu)異的耐光性等而被廣泛應(yīng)用于腫瘤的診斷和治療中(表1)。

其中，貴金屬納米材料因其獨(dú)特的性質(zhì)而被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物學(xué)的各個(gè)方面。不同于光熱劑，光敏劑雖然經(jīng)過三代優(yōu)化，但腫瘤的靶向效率低及有機(jī)光敏劑穩(wěn)定性差等問題仍限制了其臨床應(yīng)用[28]。而基于納米材料的光敏劑可有效改善其穿透性和有效性等問題，經(jīng)分子修飾后還可實(shí)現(xiàn)光敏劑向腫瘤細(xì)胞的精準(zhǔn)遞送，不僅可提高療效，還可減少不良反應(yīng)發(fā)生[29]。此外，二氧化硅等納米載體對(duì)傳統(tǒng)光敏劑的包覆使其成為一種有前途的納米光敏劑，通過納米材料的包覆可以將光敏劑分子保護(hù)起來，同時(shí)還可提供優(yōu)異的載藥能力，進(jìn)而提高活性氧類的生成效率。雖然無不良反應(yīng)、靶細(xì)胞選擇定位準(zhǔn)確、體內(nèi)可降解的納米光療劑的構(gòu)建一直處于研究中，但目前可同時(shí)滿足這3個(gè)方面的納米材料仍較少。而復(fù)合型納米材料的出現(xiàn)或可為新型納米光療劑的研發(fā)提供新思路。

表1 納米材料在光治療中的應(yīng)用

2 聲療法在腫瘤治療中的應(yīng)用

隨著光熱治療與光動(dòng)力治療在腫瘤治療領(lǐng)域的應(yīng)用，其固有的缺點(diǎn)也逐漸顯露出來，如可見光對(duì)深部腫瘤組織的穿透能力差、光敏劑長期滯留在皮膚組織中可能會(huì)造成光毒性等，這些問題均限制了光療法在腫瘤治療中的應(yīng)用。而聲動(dòng)力療法作為另一種非侵入性的治療方法具有組織穿透更深、精確度高、不良反應(yīng)少、患者依從性好等優(yōu)點(diǎn)。1989年，Yumita等[30]首次在聲場中發(fā)現(xiàn)了血卟啉的細(xì)胞毒性效應(yīng)；1990年，Yumita等[31]進(jìn)一步報(bào)道了聲動(dòng)力治療在體內(nèi)的演示過程，并將血卟啉在超聲激活下所造成的毒性效應(yīng)定義為“聲動(dòng)力學(xué)方法”。1993年，Umemura等[32]報(bào)道，單線態(tài)氧的產(chǎn)生可能是聲動(dòng)力治療的機(jī)制之一。與光動(dòng)力治療原理相似，聲動(dòng)力治療同樣需要一種類似于光敏劑的化學(xué)物質(zhì)，即聲敏劑。但與光動(dòng)力治療不同，聲動(dòng)力治療是一種基于超聲波激活的方法，不同于可見光，超聲波是一種機(jī)械波，可穿透人體組織深處而精確聚焦于腫瘤的特定部位，從而有效激活聲敏劑，產(chǎn)生細(xì)胞毒性。聲動(dòng)力治療在很大程度上克服了光動(dòng)力治療的主要局限性，且可以準(zhǔn)確殺死腫瘤細(xì)胞而不損傷周圍正常組織。

2.1聲動(dòng)力治療的機(jī)制 雖然聲動(dòng)力治療的作用機(jī)制在各種生物系統(tǒng)中均進(jìn)行了廣泛研究，但具體機(jī)制目前仍不清楚。目前較公認(rèn)的聲動(dòng)力治療的可能機(jī)制主要包括：①超聲空化效應(yīng)；②自由基和單線態(tài)氧的產(chǎn)生；③超聲直接誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡[2]。超聲空化效應(yīng)是一種通過超聲迅速增加機(jī)械壓力而導(dǎo)致組織液中產(chǎn)生微氣泡的獨(dú)特物理現(xiàn)象，可分為慣性空化效應(yīng)和非慣性空化效應(yīng)。其中，慣性空化效應(yīng)是指高強(qiáng)度的超聲導(dǎo)致氣泡在局部高壓和高溫下快速增長、急速收縮和崩塌，當(dāng)超聲的振幅足夠大且超過一定閾值時(shí)，空化微氣泡在短時(shí)間內(nèi)崩塌并產(chǎn)生沖擊波、局部高溫高壓以及自由基等，從而導(dǎo)致細(xì)胞骨架和細(xì)胞膜損傷，并最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[33]；非慣性空化則是在低強(qiáng)度超聲液體中產(chǎn)生，由于超聲的振幅并不是很高，導(dǎo)致微小氣泡以相對(duì)較小的半徑變化進(jìn)行振蕩[34]。雖然慣性空化和非慣性空化均會(huì)產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)，但慣性空化產(chǎn)生的巨大剪切波和沖擊波還會(huì)引起聲化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生聲化學(xué)物質(zhì)，自由基和單線態(tài)氧即是兩種最重要的聲化學(xué)物質(zhì)，可氧化周圍的底物，從而對(duì)靶細(xì)胞造成不可修復(fù)的損傷。其中，自由基可以通過水的直接熱分解或微氣泡的擴(kuò)大活動(dòng)使內(nèi)部的水蒸氣發(fā)生熱分解，產(chǎn)生高度反應(yīng)性氫氧根離子，進(jìn)而與氫原子反應(yīng)生成自由基[35]；另一方面，由聲敏劑和超聲產(chǎn)生的自由基與空氣中的氧氣分子反應(yīng)生成過氧基和烷氧基，而過氧基和烷氧基均可引起脂膜過氧化，導(dǎo)致細(xì)胞膜不穩(wěn)定[36]。單線態(tài)氧的生成過程與光動(dòng)力治療相似，包括3個(gè)基本元素，即聲敏劑、超聲以及氧分子。聲敏劑通過超聲空化效應(yīng)接受聲能后，由基態(tài)激活至激發(fā)態(tài)，而活化后的聲敏劑返回至基態(tài)時(shí)所釋放的能量可與周圍的基態(tài)氧直接反應(yīng)生成激發(fā)態(tài)的單線態(tài)氧，從而誘導(dǎo)細(xì)胞不可逆性損傷[35]。有報(bào)道指出，低強(qiáng)度、低頻超聲可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，而超聲敏感性、充氣氣泡或化療藥物也可進(jìn)一步增強(qiáng)細(xì)胞凋亡[37]。但目前超聲誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的具體機(jī)制尚未完全闡明。有學(xué)者認(rèn)為，聲動(dòng)力治療可通過體內(nèi)凋亡影響血管生成[38]；也有學(xué)者認(rèn)為，超聲誘導(dǎo)凋亡可能通過調(diào)節(jié)與凋亡相關(guān)的關(guān)鍵基因的表達(dá)實(shí)現(xiàn)[39]；還有學(xué)者認(rèn)為，聲動(dòng)力對(duì)參與腫瘤細(xì)胞凋亡的信號(hào)通路有直接影響[40]。由此可見，關(guān)于聲動(dòng)力治療的機(jī)制目前仍存在爭議，未來仍需進(jìn)一步深入研究驗(yàn)證。

2.2納米聲敏劑在腫瘤治療中的應(yīng)用 聲敏劑是指在聲動(dòng)力治療中能夠增強(qiáng)細(xì)胞毒性作用的化合物。目前，越來越多的天然產(chǎn)物(血卟啉、葉綠素、竹紅菌素、姜黃素等)作為聲敏劑被開發(fā)出來[41]。納米聲敏劑在腫瘤治療中的優(yōu)勢明顯，主要包括：①延長血液循環(huán)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)在腫瘤部位更好的蓄積；②改善有機(jī)聲敏劑疏水性等性質(zhì)；③通過增強(qiáng)滲透性或利用主動(dòng)靶向的配體進(jìn)行修飾而提高療效等[8]。納米聲敏劑通常分為兩類：①可直接作為聲敏劑的納米顆粒，其自身具有聲敏特性而不需要客體敏化劑；②作為有機(jī)聲敏劑分子載體的納米材料，通過設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲敏劑的控釋效果[42]。由于傳統(tǒng)的有機(jī)小分子聲敏劑具有不溶于水、在血液循環(huán)過程中易被清除體外以及難以在腫瘤部位實(shí)現(xiàn)高濃度的富集等缺點(diǎn)，嚴(yán)重限制了其療效及臨床應(yīng)用，而納米載體對(duì)于小分子聲敏劑的負(fù)載顯示出了巨大的應(yīng)用潛力[43]。通過載體的負(fù)載不僅可改善小分子的生物利用度，還可提升其靶向性效果。此外，對(duì)于實(shí)體腫瘤的缺氧環(huán)境給聲動(dòng)力治療帶來的局限性，利用納米載體在負(fù)載聲敏劑的同時(shí)，還可共負(fù)載攜氧劑或具有催化過氧化氫性能的物質(zhì)，以增加腫瘤部位的氧濃度或通過促進(jìn)內(nèi)源性過氧化氫的分解產(chǎn)生氧氣，在緩解腫瘤缺氧的同時(shí)提高聲動(dòng)力治療的效果[44]。

納米聲敏劑的應(yīng)用可顯著提高聲動(dòng)力在腫瘤治療中的效果，但目前對(duì)聲動(dòng)力治療的安全性研究仍較少，因此阻礙了聲動(dòng)力治療的進(jìn)一步臨床應(yīng)用。提高納米聲敏劑的生物安全性不僅需要對(duì)納米毒理學(xué)進(jìn)行系統(tǒng)和長期的研究，還需要致力于更加高效、新的聲敏劑的研發(fā)。

3 光/聲輔助療法在腫瘤治療領(lǐng)域的新興應(yīng)用

目前單純的光熱治療、光動(dòng)力治療或聲動(dòng)力治療已取得一定進(jìn)展，但要完全根除實(shí)體腫瘤仍非常困難。近年來，隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，納米載體的出現(xiàn)為各種藥物提供了一個(gè)整合平臺(tái)，也為不同治療方法的聯(lián)合應(yīng)用提供了可能，其中光動(dòng)力治療與光熱治療聯(lián)合應(yīng)用在腫瘤治療中顯示出良好的應(yīng)用前景。如Younis等[45]設(shè)計(jì)了一種基于雙等離子體光熱納米制劑，在近紅外激光照射下，5 min內(nèi)溫度可高達(dá)60 ℃，其產(chǎn)生的光熱效應(yīng)既可促進(jìn)通過靜電鍵合的吲哚菁綠的釋放，又可誘導(dǎo)光動(dòng)力反應(yīng)，為腫瘤治療提供了一種光熱與光動(dòng)力協(xié)同的策略。Mou等[46]在傳統(tǒng)的利用多組分納米復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)光熱與光動(dòng)力聯(lián)合治療的基礎(chǔ)上，首次采用單組分二氧化鈦成功地構(gòu)建了一種新型的單組分近紅外光誘導(dǎo)的多功能熱療納米載體，并應(yīng)用于成像引導(dǎo)的腫瘤治療。此外，Wang等[47]設(shè)計(jì)了一種新型的二硒化鉬/硒化鉍納米片，成功將CT/光熱成像和光熱治療/光動(dòng)力治療/化療集成到一個(gè)納米載體上，結(jié)果顯示，所設(shè)計(jì)的多功能二硒化鉬/硒化鉍納米載體不僅具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)光熱效應(yīng)還可促進(jìn)光生電子的轉(zhuǎn)移，有利于活性氧類的產(chǎn)生；進(jìn)一步負(fù)載化療藥物阿霉素后，Bi-M-3@PEG-Dox顯示出優(yōu)異的CT/光熱成像引導(dǎo)的光熱治療/光動(dòng)力治療/化療效果。此外，Liu等[48]也設(shè)計(jì)了一種新型的多功能MoS@FeO-ICG/Pt(Ⅳ)復(fù)合材料，研究者首先合成一種均勻的硫化鉬納米花，然后將氧化鐵納米粒子與聚乙烯亞胺功能化的硫化鉬共價(jià)結(jié)合，并在其表面進(jìn)一步負(fù)載吲哚菁綠和鉑(Ⅳ)前藥，所得到的納米復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了良好的磁共振/紅外熱/光聲3種模式成像，其可顯著增強(qiáng)光熱治療、光動(dòng)力治療和化療的聯(lián)合抗腫瘤效果，為腫瘤的診斷和治療提供了一個(gè)理想的納米載體。

另一方面，基于聲動(dòng)力療法的協(xié)同治療模式同樣具有較大探索空間。2019年，有研究者合成了一種新型的由空心半導(dǎo)體硫化銅和貴金屬鉑組成的鉑-硫化銅多功能納米載體，并在硫化銅的巨大內(nèi)腔內(nèi)裝載聲敏劑四(4-氨基苯基)卟啉，以實(shí)現(xiàn)聲動(dòng)力治療，在整體設(shè)計(jì)中，鉑沉積不僅可提高光熱性能，其所具有的納米酶活性還可催化內(nèi)源性過氧化氫分解產(chǎn)生氧氣，以緩解腫瘤缺氧，且有利于增強(qiáng)聲動(dòng)力誘導(dǎo)的活性氧類的產(chǎn)生；此外，包裹在鉑-硫化銅周圍的熱敏共聚物還可作為智能開關(guān)調(diào)節(jié)鉑的催化能力，同時(shí)控制聲敏劑四(4-氨基苯基)卟啉的釋放；該多功能納米載體幾乎實(shí)現(xiàn)了腫瘤的完全切除，且無明顯的復(fù)發(fā)現(xiàn)象，同時(shí)還表現(xiàn)出高度的生物安全性[49]。由此可見，納米載體的多功能設(shè)計(jì)在腫瘤的聲療領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 小 結(jié)

光療法與聲療法在腫瘤的診療中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。光熱治療、光動(dòng)力治療與聲動(dòng)力治療以及它們與化療、放療、磁療法等協(xié)同應(yīng)用可彌補(bǔ)各自的不足，是一種安全、有效的治療方法。但目前關(guān)于光/聲輔助療法的研究大多處于實(shí)驗(yàn)室階段，治療機(jī)制尚未完全闡明；此外，同時(shí)滿足無不良反應(yīng)、高準(zhǔn)確性和高選擇性的靶細(xì)胞定位、體內(nèi)可生物降解這3個(gè)方面的納米材料仍較少；同時(shí)，激光/超聲在特定腫瘤治療中的參數(shù)(頻率、強(qiáng)度和照射時(shí)間等)也仍需要進(jìn)一步研究?？傊?，要實(shí)現(xiàn)光/聲輔助療法從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)向臨床的轉(zhuǎn)化，未來還需進(jìn)一步開發(fā)和完善基于光/聲輔助療法的治療策略以提高其抗腫瘤的療效。