何祥 荊慧

癌癥作為全球主要的死亡原因之一，嚴重威脅著人類的生命安全[1]。傳統(tǒng)的治療方式包括手術切除、放療和化療，但禁忌癥多、不良反應嚴重等局限性不能顯著改善患者的生存質量，因此迫切需要適用范圍廣、不良反應小的治療方式。近年來，憑借著科研人員的不斷努力，光熱治療這種基于納米醫(yī)學的腫瘤治療方式逐漸進入人們的視野。

1 概述

光熱治療（photothermal therapy，PTT）是利用光熱轉換劑（photothermal agent，PTA），在近紅外光（near-infrared，NIR）等外部光源照射下，將光能轉變?yōu)闊崮軞[瘤細胞的一種無創(chuàng)性腫瘤治療新方法。PTA在NIR照射下會吸收光子的能量，并從基態(tài)單重態(tài)活化為激發(fā)單重態(tài)，隨后電子激發(fā)的能量經(jīng)歷一種非輻射形式的衰變-振動弛豫，通過PTA與周圍分子之間的碰撞返回基態(tài)，增加的動能則使周圍微環(huán)境升溫，從而產生熱效應[2]。當組織溫度升至41°時，機體會啟動熱休克反應產生熱休克蛋白（heat shock proteins，HSPs），以抵抗初始的熱損傷效應[3]。溫度升至42°時，組織會發(fā)生不可逆性的損傷；溫度維持42°～46° 10 min則可引起細胞壞死；溫度繼續(xù)升高至46°～52°時，細胞會因為微血管血栓形成缺血而迅速死亡；若組織溫度>60°，蛋白質變性和包膜破壞會瞬時引起細胞死亡[4]。

作為一種非侵入性的治療方法，PTT具有不良反應小、特異性高、可重復治療等優(yōu)點[5]，與腫瘤傳統(tǒng)的治療方式相比展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)越性。PTT目前按溫度可分為傳統(tǒng)的光熱治療（≥45°）和近年來應用愈加廣泛的溫和光熱治療（mild photothermal therapy，MPTT）（<45°）。傳統(tǒng)PTT溫度相對較高，對腫瘤組織殺傷能力更強，但對正常組織的損傷也更強；相比之下，MPTT雖對正常組織的損傷較小，但相應的殺傷能力也更低，目前多將其作為一種調控機制使用，并非直接用于殺傷腫瘤組織。無論是實現(xiàn)PTT還是MPTT，均離不開重要的中間載體—光熱轉換劑，其生物安全性、光熱轉換效率等特性均直接影響PTT/MPTT的治療效果。

2 光熱轉換劑

光熱治療的核心是PTA，在近紅外光等外部光源的照射下，其可將光能轉變?yōu)闊崮埽M而殺傷腫瘤細胞。目前，關于光熱轉換劑的研究眾多，各種新型材料頻出，但主要集中在納米級材料上，大致可分為無機PTA與有機PTA。影響PTA發(fā)揮作用的因素眾多，包括光吸收波長、尺寸大小、材料形狀及表面修飾等。雖無機PTA和有機PTA光吸收最大波長受到材料及其表面修飾的影響，但主要集中在近紅外光區(qū)（500～900 nm）。PTA的大小同樣受到材料形狀及表面修飾的影響，PTA尺寸越大產生光熱轉換效率越高，但所帶來的穿透性降低及更高的異物毒性限制其使用。目前所使用的納米粒的最大直徑為50～300 nm。不同的材料形狀和表面修飾雖會給納米粒帶來不同的特性，但平衡其與納米粒尺寸之間的利弊至關重要。無機PTA有穩(wěn)定性高和光熱轉換效率強等優(yōu)勢，主要包括貴金屬、碳基和過渡金屬三類；有機PTA具有生物安全性良好與可降解性等優(yōu)點，主要包括菁類、卟啉和聚合物納米顆粒等。

2.1 無機PTA

2.1.1 貴金屬PTA 貴金屬PTA主要包括金（Au）、鈀（Pd）等。金納米結構由于其理想的生物相容性和強烈的局部表面等離子體共振（localized surface plasmon resonance，LSPR）效應而受到廣泛關注[6]。常見的金納米結構包括：納米粒、納米棒、納米殼、納米籠、納米星等，且不同的外形結構有著不同的光熱轉換效率。Pakravan等[7]研究表明金納米粒子的升溫效能取決于多種因素，包括幾何形狀和光吸收效率等，其中具有非均質幾何結構的納米粒，如納米星和空心納米粒，相較于其他幾種結構具有更強的光熱轉換效率。近年來，納米醫(yī)學快速發(fā)展，基于金納米結構衍生的多功能復合物層出不窮。另有研究者通過在金納米粒表面引入單鏈DNA和細胞色素c的混合層，合成了具有pH響應特性的金納米粒復合物，通過pH值誘導的粒子間靜電相互作用使此復合物可逆性的聚集或分解，提供了腫瘤治療靶向性的另一種策略[8]。Qin等[9]成功合成了一種尺寸相對較?。?5 nm）、吸光度鎖定在532 nm的微空心金-銀納米籠，有效地增強了腫瘤周圍血管光聲成像的性能。綜上所述，金納米及其衍生物具有良好的光熱轉換效率及多功能性，可作為一種非常有前景的光熱轉換劑，但高額的成本同時也限制了其在臨床診療上的進一步應用。

2.1.2 碳基PTA 碳基PTA是第二類基于無機納米材料的光熱劑，主要包括碳納米管（CNT）、石墨烯（GE）、氧化石墨烯（GO）、碳量子點（CQDs）等。CNT重量輕、熱傳導率高，能夠吸收近紅外光并有效地將光能轉化為熱能，可用于腫瘤的消融治療[10-11]。GE為一種納米尺寸的二維結構，具有良好的生物相容性，因其表面可調節(jié)的化學性質可合成多種復合物，已被廣泛應用于腫瘤的光熱治療與靶向給藥[12]。Zhang等[13]以GO納米片為載體，制備了氧化石墨烯-己二酸二酰肼-透明質酸-甲氨蝶呤（GO-ADH-HA-MTX）復合物，此復合物具有極強的靶向性（增強滲透與滯留效應的被動靶向和CD44介導的雙重靶向機制）和基于石墨烯高NIR吸收率良好的光熱效應，在腫瘤治療中取得了顯著的療效。另有研究通過化學共沉淀法在GO上沉淀Fe3O4磁性納米粒制備了磁性氧化石墨烯（MGO），并用聚乙二醇（PEG）和西妥昔單抗（CET）修飾MGO獲得MGO-PEG-CET復合體，配合光熱治療可有效殺傷惡性CT-26小鼠結腸癌細胞[14]。由此可見碳基材料及其衍生物在腫瘤光熱治療方面具有非常可觀的應用前景。近年來，碳基材料復合貴金屬材料不斷地研發(fā)。常采用原位法或非原位法將GO涂覆在AuNRs的表面，獲得的GO-AuNRs復合物具有更強的生物相容性與光熱特性，但GO與AuNRs之間的微弱作用導致AuNRs表面GO不均勻分布的問題有待進一步解決[15]。

2.1.3 過渡金屬PTA 除了貴金屬與碳基PTA外，無機PTA還包括過渡金屬PTA。過渡金屬PTA具有穩(wěn)定的光熱性能、制備簡單、易于功能化和價格低廉等優(yōu)點[16]，主要包括金屬硫化物和金屬氧化物。Ariyasu等[17]將二硫化鉬（MoS2）與肽基抑制分子整合在一起，通過阻斷熱休克蛋白的功能，將光熱治療的效果提高了5倍。另有研究表明具有較小直徑和表面聚乙二醇化的納米片會展現(xiàn)出更強的光熱轉換效率，Wang等[18]通過使用聚乙二醇介導溶劑熱法合成的聚乙二醇化MoS2納米片驗證了此觀點。Zhang等[19]開發(fā)了一種簡便的水溶性路線，成功制備了具有水溶性、生物相容性和高NIR吸收率特點的超小型全能Cu2-xSe納米粒，且此Cu2-xSe納米粒還可用于光聲成像（PA）、計算機斷層成像（CT）、單光子發(fā)射計算機斷層掃描（SPECT）成像，從而構建了基于光熱治療的多模式成像引導下癌癥診療一體化平臺。

2.2 有機PTA

盡管無機PTA通常表現(xiàn)出良好的吸收特性、優(yōu)異的光熱轉換效率和較高的穩(wěn)定性，但缺乏的生物降解性和潛在的長期毒性也阻礙了其在臨床中有效的應用[20]。相比之下，具有高光熱轉換效率的同時具有更高的安全性使得有機PTA的應用具有巨大潛力。有機PTA主要包括菁類、卟啉和聚合物納米顆粒等。吲哚菁綠（ICG）作為菁類的典型代表已被廣泛研究。Hirohashi等[21]使用輸出功率為500 mW、波長為808 nm的激光照射接種肺癌細胞的新西蘭白兔15 min，結果顯示注射ICG的白兔組腫瘤局部最高溫度比單用激光照射的白兔組高18℃，表明ICG可有效將光能轉化為熱能。ICG的修飾方式同樣是個值得探討的問題，靜脈注射游離的ICG有著生物環(huán)境穩(wěn)定性差和快速被人體清除等缺點，而物理包裝的ICG也存在著載藥量低、藥物釋放突然與藥物在血液循環(huán)中流失等缺陷[22]，相比之下，化學修飾的ICG展現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢。Hu等[23]通過疏水連接劑6-氨基己酸（ACA）和氨基末端聚乙二醇（mPEG-NH2）對合成的七甲川菁衍生物ICG-COOH進行修飾，構建了一種新型的兩親性mPEG-ACA-ICG復合物。由于分子內引入了疏水性ACA片段，mPEG-ACA-ICG納米膠束與游離的ICG和mPEG-ICG相比在NIR下表現(xiàn)出了更好的穩(wěn)定性與更高的光熱轉換效率，最大的腫瘤抑制率達72.6%，同時在異種移植瘤小鼠模型上也證實了mPEG-ACA-ICG的熒光圖像引導手術實時測定能力。卟啉因其較大的消光系數(shù)主要被用于光動力治療（photodynamic therapy，PDT），直至2011年Lovell等[24]首次報道了卟啉可用于腫瘤的光熱治療。隨后卟啉及其衍生物用于光熱治療得到了快速的發(fā)展。為了克服大部分卟啉及其衍生物水溶性差和光穩(wěn)定性不足等缺點，Wu等[25]將二酮吡咯（DPP）作為電子受體與卟啉共軛形成了受體-配體分子（Por-DPP），通過再沉淀法，Por-DPP可在不添加輔助試劑的情況下自發(fā)組裝成納米粒。Por-DPP納米顆粒在水溶液中分散良好，表現(xiàn)出較高的光熱轉換效率，有效解決了卟啉單體及大部分卟啉衍生物上述提到的問題。半導體聚合納米顆粒（SPN）是由半導體聚合物（SPs）轉化而來的一類新型有機光學納米材料。與半導體無機納米顆粒相比，SPN具有良好的生物相容性和與尺寸無關的光學性質，但其在活體中存在的長期生物安全性問題有待進一步研究[26]。

綜上所述，不同類型的PTA均有著獨特的優(yōu)勢，盡管對腫瘤的治療都有一定的效果，但單一的PTT療法仍具有許多缺陷，與其他策略相結合可發(fā)揮出更大的療效。

3 PTT的聯(lián)合治療

PTT作為一種新型的腫瘤治療方式具有非侵入性、不良反應小和靶向性高等優(yōu)點，在腫瘤治療的發(fā)展中具有極大的潛力。但PTT的單一使用同樣面臨著不能完全殺死整個腫瘤組織、對周圍正常組織的損傷及光熱材料生物安全性等問題。為了解決PTT單一療法的局限性，一系列基于PTT的聯(lián)合治療得到了廣泛的研究，其中主要包括化療、光動力治療、基因治療與免疫治療。

3.1 PTT聯(lián)合化療

化療作為腫瘤治療的傳統(tǒng)方式之一在臨床上被廣泛應用，但由于腫瘤局部藥物濃度不足、不良反應嚴重和耐藥等問題受到限制。載化療藥的納米材料可通過增強滲透和保留效應（enhanced permeability and retention effect，EPR）的被動靶向或通過表面結合分子的主動靶向有效解決上述問題，且光熱治療時局部升溫也可提高細胞膜的通透性和藥物的細胞毒性，實現(xiàn)“1＋1>2”的療效[27]。Pan等[28]以牛血清白蛋白（BSA）為穩(wěn)定劑，采用乳液法制備了同時負載IR780和紫杉醇（PTX）且被促黃體生成素釋放激素（LHRH）肽修飾的聚己酸內酯（PCL）納米粒。在ST30異種移植卵巢癌小鼠的實驗中，PCL-LHRH/IR780-PTX組相較于生理鹽水對照組僅表現(xiàn)出了輕微的抑制腫瘤生長作用，抑制率僅17.8%，可能與ST30異種移植腫瘤的耐藥性和PTX局部相對緩慢釋放有關；而PCLLHRH/IR780-PTX＋Light組則表現(xiàn)出了極強的抑制作用，抑制率達100%。類似的，Lee等[29]合成了一種聚[2-（N，N-二甲氨基）甲基丙烯酸乙酯]-聚己內酯（PDMA-PCL）膠束模板金納米殼（GNS），并搭載了奧沙利鉑活性代謝物二氯（1，2二氨基環(huán)己烷）鉑（Ⅱ）（DACHPt）。在HT29荷瘤小鼠的實驗中，GNS組腫瘤局部溫度在10 min輻照后達至47.9℃，高于非GNS組的36.9℃；盡管PTT治療組在NIR照射后立即顯現(xiàn)出了對腫瘤的抑制作用，但約14天后腫瘤又再次開始生長。相比之下，化療聯(lián)合光熱組展現(xiàn)出了最好的抗腫瘤療效，治療2天后腫瘤部位開始形成疤痕，約1周后疤痕脫落且皮膚開始愈合，在實驗結束階段也未發(fā)現(xiàn)腫瘤復發(fā)的跡象。由此可見化療和光熱治療的單一使用均有一定的缺陷，二者聯(lián)合即可使療效最大化。

3.2 PTT聯(lián)合光動力治療

PDT同PTT一樣也是一種非侵入性治療方式，起初大多用于皮膚疾病，主要依靠光敏劑在光源照射下產生的活性氧（ROS）所誘導的細胞毒性發(fā)揮作用[2]。有研究稱PTT可通過增加細胞對氯e6（Ce6）的吸收從而增強PDT的療效[30]。Chuang等[31-32]成功合成了同時搭載用于PPT的Au和用于PDT的Ce6納米復合物，且在體內和體外實驗證明了PPT聯(lián)合PDT的療效大于二者的單一使用。類似的，Ashkbar等[33]制備了熱敏劑Fe3O4和光敏劑姜黃素（CUR）納米復合物，先后使用450 nm、808 nm波長的激光照射以產生ROS和熱療作用于Balb/c小鼠三陰性乳腺癌模型，在治療的最后1天腫瘤體積與初始體積相比減少了27%，顯著優(yōu)于PTT與PDT的單獨使用。Huang等[34]利用PTT聯(lián)合PDT治療時腫瘤缺氧的微環(huán)境，搭載一種缺氧激活的化療藥替拉扎明（TPZ），構建了集熱敏劑聚多巴胺（PDA）、光敏劑ICG和化療劑TPZ為一體的納米平臺（PDA-ICG-TPZ NPs），實現(xiàn)了光熱、光動力和化療三者的協(xié)同治療，在對皮下U87MG細胞系腫瘤和原位B16F10細胞系腫瘤治療中獲得了顯著的抑制效果。

3.3 PTT聯(lián)合基因治療

基因治療旨在通過糾正或補償缺陷和異常的基因從根本上治療疾病，并非簡單地緩解疾病的癥狀。早期由于沒有理想的載體，基因治療的發(fā)展一直受到限制，近年來快速發(fā)展的納米材料帶動了基因治療的快速進步。光熱效應在殺傷腫瘤細胞的同時，能夠通過破壞連接基因與納米材料之間的化學鍵促進基因釋放[35]。Liu等[36]將小干擾RNG（small interfering RNA，siRNA）與金納米棒（GNR）組裝，并搭載半乳糖（GAL）制備了一種GAL-GNR-siBRAF納米復合物，GAL用于靶向識別肝癌細胞，GNR在NIR下可產生光熱效應，siBRAF用于沉默BRAF基因從而阻斷RAF/MEK/ERK信號通路抑制肝癌細胞的增長與轉移。實驗結果顯示，GAL-GNR納米載體可保護siRNA不被血清降解，有效減少了肝癌細胞的侵襲和遷移，聯(lián)合光熱效應表現(xiàn)出了最強的腫瘤抑制作用。Jia等[37]首次將rGO/AuNS作為光熱和基因治療的骨架用于胰腺癌的協(xié)同治療，并搭載了KrasⅠ（K-Ras基因抑制劑），同時在表面包覆脂質雙層以提高穩(wěn)定性、生物相容性和光熱性能，實現(xiàn)了光聲和光熱雙模式成像引導的基因/PPT協(xié)同治療。結果表明，基因/PPT協(xié)同治療不僅對胰腺癌有著顯著的療效，同時還展現(xiàn)出對胰腺癌肝轉移的抑制作用。

3.4 PTT聯(lián)合免疫治療

腫瘤免疫療法能夠激活人體自身的防御系統(tǒng)來識別、攻擊和消滅腫瘤細胞，是近年來研究的熱點。有報道稱腫瘤的熱效應可以釋放腫瘤相關抗原（tumorassociated antigens, TAAs），上述TAA可被樹突狀細胞（dendritic cells，DCs）識別，并在免疫佐劑的幫助下呈遞給T細胞受體，激活免疫反應[38]。與常規(guī)的PTT高溫直接殺死腫瘤細胞不同，Huang等[39]采用MPTT作為一種調控機制用于腫瘤的免疫治療。MPTT可通過激活全身的免疫反應，增加腫瘤T細胞浸潤改變腫瘤的微環(huán)境，將“冷”腫瘤轉為“熱”腫瘤，從而增強抗PD-L1抗體（aPD-L1）對免疫檢查點阻斷（immune checkpoint blockade，ICB）的療效；且通過IR820在NIR誘導下產生的熱效應調節(jié)包裝aPD-L1脂質凝膠（LG）的可逆性相變，達到aPD-L1可控的劑量釋放，實現(xiàn)了根據(jù)腫瘤患者的需求不同劑量不同的個體化治療。結果顯示，不僅原位腫瘤的體積明顯縮小，且遠處4T1腫瘤的生長也受到了顯著抑制。Nicolas-Boluda等[40]同樣從改變腫瘤微環(huán)境著手，以金修飾的氧化鐵納米花（GIONF）作為PTA進行研究。令人意外的是，僅GIONFs的單獨作用即可改變骨髓源性巨噬細胞的表型及其細胞因子的分泌，檢測發(fā)現(xiàn)腫瘤微環(huán)境內M1型巨噬細胞相較對照組顯著增多，且使PDL1+巨噬細胞減少15%。在GIONFs聯(lián)合MPTT后的第1天內，所分析的免疫細胞群中均未發(fā)現(xiàn)顯著差異；但在第13天觀察長期反應時，可發(fā)現(xiàn)CD8+T細胞尤其是毒性CD8+/GrzmB+T細胞和誘導巨噬細胞向M1型分化的IFN-γ炎癥細胞因子均顯著增多，使微環(huán)境向著免疫治療有益的方向發(fā)展。由此可看出，MPTT作為PTT的一個分支可在腫瘤免疫與微環(huán)境中發(fā)揮巨大作用，雖不能像PTT那樣直接使腫瘤體積減小，但能通過改變腫瘤細胞生長與轉移的“土壤”抑制其進展，為腫瘤的免疫治療提供了一種新策略。

4 結語與展望

作為一種新興的腫瘤治療方法，PTT在癌癥臨床應用中展現(xiàn)出了巨大潛力，近年來快速發(fā)展的納米醫(yī)學也使得PTT的應用更加高效與廣泛，多數(shù)基于不同PTA的PTT研究均取得了良好的成果。然而，盡管不同類型的PTA展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢，但一種集成本低廉、水溶性良好、生物安全性強、光熱轉換效率高等眾多優(yōu)勢為一體的光熱材料有待被挖掘。此外，PTT與傳統(tǒng)治療方式相比雖具有不良作用小、靶向性強等優(yōu)勢，但同樣有腫瘤消除不徹底、復發(fā)率高、對遠處病灶無效等缺點，且對正常組織的熱損傷一直是難以解決的問題，如何平衡殺傷效率和正常組織保護能力一直困擾著研究人員，雖MPTT相較之下對正常組織損傷更小、安全性更高，但目前對MPTT的報道有限，其進一步應用有待研究。其他療法的聯(lián)合應用可一定程度上解決單一PTT面臨的上述問題，但也應首先充分探索這些治療方法的協(xié)同效應，而不是不同治療方法的簡單組合，如將更多的藥物等成分載入納米系統(tǒng)，可能會影響PTA的治療效果，且其中聯(lián)合的內在機制也有待完善。在本文提到的治療方式中，PTT聯(lián)合基因治療與免疫治療展現(xiàn)出了較大的潛力，其不僅能抑制腫瘤的原位生長，而且有利于降低腫瘤的復發(fā)和轉移。相信隨著納米醫(yī)學的蓬勃發(fā)展，PTT現(xiàn)有的問題會進一步得到解決，PTT的應用也會獲得更加寬廣的平臺。