莊填宇，焦嘉澎，連韻鈺，方馳華，黃振駒，曾 寧

1南方醫(yī)科大學(xué)第二臨床醫(yī)學(xué)院，廣東 廣州 510282；2南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院肝膽一區(qū)//廣東省數(shù)字醫(yī)學(xué)臨床工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州510282

肝癌在世界范圍內(nèi)發(fā)病率排名第6位，是癌癥相關(guān)死亡的第2大因素［1］。在歐洲和美國(guó)，肝癌的5年生存率為18%，其死亡率僅次于胰腺癌［2］。中國(guó)肝癌患者的總體5年存活率僅為12%。雖然已經(jīng)采取了各種診斷和治療策略，包括級(jí)聯(lián)篩查和免疫治療，但肝癌的總體發(fā)病率和死亡率仍較高［3］。開(kāi)發(fā)針對(duì)肝癌診治的新型技術(shù)對(duì)于提高患者生存率及預(yù)防肝癌復(fù)發(fā)具有重要意義。光聲成像結(jié)合了光學(xué)成像和超聲成像的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地了解肝癌內(nèi)部構(gòu)造和代謝；基于靶向納米探針的光熱治療有著精確和高效的優(yōu)點(diǎn)，這兩項(xiàng)技術(shù)的聯(lián)合為肝癌的診治提供一種有效的方法，且使用一種高效光聲材料就能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)早期肝癌的診斷和治療［4］。本文主要對(duì)光聲成像技術(shù)、光熱治療的基本概況進(jìn)行介紹，綜述了光聲成像技術(shù)聯(lián)合光熱治療所需的納米診療劑分別在成像與治療的作用，闡述了聯(lián)合技術(shù)在早期肝癌診治中的可行性和優(yōu)勢(shì)。

1 概述

1.1 光聲成像與光熱治療

光聲成像原理是用激光照射到生物組織上，引起組織局部溫度的迅速上升進(jìn)而引起熱彈性膨脹，向外輻射出超聲波，稱(chēng)為光聲信號(hào)，計(jì)算機(jī)利用信息處理技術(shù)將接收到的信息重建為可視化的二維或三維圖像。傳統(tǒng)的超聲成像通過(guò)分辨不同組織反射的回波和時(shí)間的關(guān)系來(lái)進(jìn)行成像，其本質(zhì)是利用生物組織之間的超聲性質(zhì)差異，雖然能提供更大的成像深度，但對(duì)比度和分辨率往往不盡人意；且腫瘤與正常組織的超聲性質(zhì)十分相似，需要借助超聲成像劑實(shí)現(xiàn)高分辨率成像進(jìn)行分辨［5］。光聲成像技術(shù)解決了光學(xué)成像低深度和超聲成像低分辨率的問(wèn)題，且因其高兼容性得以與其他的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)相結(jié)合，組成多模態(tài)光聲分子成像技術(shù)，進(jìn)而開(kāi)展更加精確的診斷與治療，有著廣闊的醫(yī)學(xué)前景。

光熱治療以光熱轉(zhuǎn)導(dǎo)劑作為治療媒介，利用各種靶向性識(shí)別技術(shù)主動(dòng)或被動(dòng)地使其在腫瘤組織富集，外部再加以組織穿透力較強(qiáng)的近紅外光源照射，光熱轉(zhuǎn)導(dǎo)劑能將光線中的能量轉(zhuǎn)化為熱量從而使周?chē)h(huán)境的溫度升高。腫瘤血管發(fā)育不完善，無(wú)法像正常血管遇熱擴(kuò)張，讓血流帶走熱量，所以腫瘤組織內(nèi)溫度更容易蓄積，使得溫度高于正常組織，因此能夠利用高溫殺滅癌組織中的細(xì)胞［6］。除了直接殺滅癌細(xì)胞外，光熱治療還能抑制腫瘤的多藥耐藥性，降低癌癥復(fù)發(fā)的可能性，提高化療成功率，是一種高等特異性、精確時(shí)空選擇性的高效非侵入性新型腫瘤治療方式［7］。

1.2 診療一體化

診療一體化是將檢測(cè)診斷、治療以及監(jiān)測(cè)治療效果相結(jié)合的一種新型生物醫(yī)學(xué)技術(shù)［4］。于腫瘤治療而言，如果缺少成像技術(shù)對(duì)腫瘤的定位和對(duì)藥物的引導(dǎo)，則難以實(shí)現(xiàn)治療的精確性，且無(wú)法做到對(duì)療效的監(jiān)測(cè)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)成像和治療的納米材料能夠?qū)崿F(xiàn)早期肝癌診療一體化平臺(tái)，在精確定位腫瘤、清晰勾勒腫瘤輪廓后，在納米材料在腫瘤中達(dá)到最佳聚集效果時(shí)通過(guò)近紅外光照射使局部溫度升高，誘導(dǎo)蛋白質(zhì)變性和細(xì)胞膜破裂，并保持周?chē)M織的正常［6,8］，同時(shí)還需要通過(guò)監(jiān)控納米材料和局部腫瘤微環(huán)境來(lái)判斷療效［5］。光聲成像材料和光熱治療劑是有交叉的，當(dāng)納米材料在紅外波段有強(qiáng)吸收和一定的光熱轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)光聲成像和光熱治療，該納米材料就能應(yīng)用于光聲成像引導(dǎo)光熱治療的診療一體化中（表1）。特別是用于第二近紅外區(qū)（NIR-Ⅱ）光聲成像的納米材料，相比第一近紅外區(qū)有著更高的空間分辨率和信噪比，成像質(zhì)量得到改善［8］。

表1 納米材料在光聲成像和光熱治療中的應(yīng)用Tab.1 Application of nanomaterials in photoacoustic imaging and photothermal therapy

2 提高納米材料在腫瘤的富集度的應(yīng)用研究

光熱治療的療效很大程度取決于納米診療劑在腫瘤組織中的富集濃度，只有當(dāng)腫瘤中納米診療劑水平最高時(shí)激活光照治療才能達(dá)到最好的腫瘤殺傷效果，而為了防止光熱治療過(guò)程中正常組織的損傷，應(yīng)盡可能使納米診療劑聚集在腫瘤組織中，降低循環(huán)中的納米診療劑濃度［21］。光聲成像能夠把診斷腫瘤與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)納米診療劑在體內(nèi)聚集效果結(jié)合到一起，一些研究中指出，光聲信號(hào)的強(qiáng)度和納米診療劑的濃度呈正比，能夠很好地描繪腫瘤的輪廓與范圍［5,8］。納米診療劑在體內(nèi)代謝是動(dòng)態(tài)的過(guò)程，注入體內(nèi)后先會(huì)在循環(huán)中被單核吞噬細(xì)胞系統(tǒng)（MPS）消耗，未被消耗的部分再通過(guò)靶向作用在腫瘤組織富集，達(dá)到高峰后逐漸被代謝，通過(guò)腎臟、肝臟等方式被清除［22］。因此，提高光熱治療療效重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)納米診療劑在體內(nèi)長(zhǎng)循環(huán)、靶向腫瘤部位和腫瘤內(nèi)長(zhǎng)保留［23］。

2.1 納米材料的主動(dòng)靶向

有研究指出，納米診療劑在腫瘤中的富集依賴(lài)主動(dòng)靶向和被動(dòng)靶向兩種方式[24]。后者的機(jī)制是納米材料在腫瘤組織中的高滲透長(zhǎng)保留效應(yīng)（EPR），在后文將著重講述。前者依靠的是結(jié)合在納米藥物上的官能團(tuán)被腫瘤組織的靶點(diǎn)配體所吸引，進(jìn)而達(dá)到主動(dòng)靶向的目的。在腫瘤組織中，蛋白質(zhì)、多肽、腫瘤微環(huán)境物質(zhì)等都能成為主動(dòng)靶向的標(biāo)志物［24］。有學(xué)者研究合成PLACPDI NPs，通過(guò)特異性識(shí)別ASGPR受體進(jìn)入人肝癌細(xì)胞株HepG2細(xì)胞［5］。通過(guò)PLAC-PDI NPs與HepG2細(xì)胞共培養(yǎng)并檢測(cè)信號(hào)，發(fā)現(xiàn)光聲信號(hào)強(qiáng)度提升了13.7倍。AFP是HepG-2的標(biāo)志物，高振等［25］合成金納米籠-量子點(diǎn)-Anti-AFP復(fù)合探針，通過(guò)抗原抗體反應(yīng)使探針與肝癌細(xì)胞特異性結(jié)合，發(fā)揮靶向光熱治療殺傷作用。因此，開(kāi)發(fā)肝癌細(xì)胞特異性標(biāo)志物對(duì)研究納米診療劑有很大意義。

2.2 納米材料的被動(dòng)靶向

肝癌腫瘤組織的EPR效應(yīng)是針對(duì)納米粒子而言的，適當(dāng)大小的納米粒子在腫瘤組織中有相比于正常組織更高的富集量和更長(zhǎng)的滯留時(shí)間，其本質(zhì)是腫瘤血管網(wǎng)和正常血管的差異。腫瘤細(xì)胞的增殖周邊促進(jìn)了新的、不規(guī)則的血管的快速發(fā)展，這些血管呈現(xiàn)不連續(xù)的上皮，毛細(xì)血管窗口大小200～2000 nm，甚至缺乏正常血管結(jié)構(gòu)的基底膜［26-27］。而正常毛細(xì)血管窗口一般小于2 nm，因此尺寸在20～2000 nm的納米診療劑更易富集在腫瘤血管網(wǎng)中［28］。腫瘤的EPR效應(yīng)還能讓材料被動(dòng)靶向富集到腫瘤中，但一些研究表示單靠EPR效應(yīng)進(jìn)入腫瘤的小尺寸納米診療劑，并不能使其在腫瘤中達(dá)到一個(gè)理想的治療濃度［29］，因?yàn)樾〕叽绲募{米材料盡管有著更高的腫瘤滲透力，但清除速度較快，難以達(dá)到一個(gè)有效的治療濃度，而大尺寸的納米材料雖然能夠在腫瘤中保留更長(zhǎng)時(shí)間，但在循環(huán)中易被MPS系統(tǒng)清除。因此需要納米材料在循環(huán)中有著小尺寸，進(jìn)入腫瘤后則維持大尺寸，對(duì)于如此矛盾的問(wèn)題，學(xué)者們利用小尺寸納米探針聚集的方法來(lái)解決。有學(xué)者設(shè)計(jì)出了一款光敏金納米粒子，可在激光照射下，金納米顆粒之間發(fā)生強(qiáng)烈的耦合反應(yīng)，通過(guò)光聲成像和808 nm的激光照射，驗(yàn)證了交聯(lián)型的金納米顆粒聚集體相比于非交聯(lián)的顆粒有著更強(qiáng)的光聲信號(hào)和更高的光熱轉(zhuǎn)換效率［30］。此外，還有學(xué)者會(huì)利用特殊的腫瘤微環(huán)境使小尺寸的納米診療劑在腫瘤中組合，實(shí)現(xiàn)納米探針尺寸的智能調(diào)控［31］。

2.3 減少納米組織在腫瘤外部位的消耗

全身給藥的納米粒子在到達(dá)目標(biāo)并參與光熱治療之前往往會(huì)遇到許多生物屏障。這些屏障包括單核吞噬細(xì)胞系統(tǒng)的清除、穿透血管進(jìn)入腫瘤、抵抗腫瘤中的腫瘤壞死因子擴(kuò)散以及由于腫瘤內(nèi)壓力升高將腫瘤壞死因子排出腫瘤等。納米診療劑最主要的清除原因是單核吞噬細(xì)胞系統(tǒng)，導(dǎo)致血液循環(huán)時(shí)間短，目前的解決辦法多為納米診療劑的表面修飾［6］。納米診療劑的表面電荷是影響循環(huán)時(shí)間和腫瘤吸收的因素之一，但矛盾的是兩性離子雖然增加了腫瘤的攝取作用，也使其更易被MPS系統(tǒng)識(shí)別吞噬，納米粒子的電中性表面增加其在循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定型，但也會(huì)阻礙腫瘤細(xì)胞的吸收［32］。有研究通過(guò)層層自組裝技術(shù)，使Pt-Cu表面均勻覆蓋帶正電荷的聚賴(lài)氨酸和帶負(fù)電荷的透明質(zhì)酸，其電中性可以保護(hù)納米診療劑不被MPS識(shí)別吞噬［8］，腫瘤組織中的透明質(zhì)酸酶降解負(fù)電透明質(zhì)酸層，使其電荷變成聚賴(lài)氨酸的正電，進(jìn)入腫瘤細(xì)胞過(guò)程中易出現(xiàn)溶酶體逃逸現(xiàn)象，增加腫瘤細(xì)胞對(duì)納米診療劑的攝取。聚乙二醇（PEG）化能夠提高納米診療劑在循環(huán)中的穩(wěn)定性，但會(huì)降低腫瘤細(xì)胞的攝取量，被稱(chēng)為PEG窘境，且多次注射PEG修飾的納米診療劑會(huì)增加血液中的抗PEG抗體，出現(xiàn)加速血液清除現(xiàn)象［33-34］。

3 光聲成像技術(shù)聯(lián)合光熱治療在肝癌治療中的作用

3.1 調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境

腫瘤周?chē)蛢?nèi)部新血管的形成是腫瘤生長(zhǎng)的關(guān)鍵步驟。血管生成增加了腫瘤的血液和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，因此加速了腫瘤的生長(zhǎng)，增殖和擴(kuò)散。在正常的血管生成過(guò)程中，促血管生成信號(hào)和抗血管生成信號(hào)的平衡受到嚴(yán)格調(diào)節(jié)，因此新血管迅速成熟和穩(wěn)定。然而，在腫瘤血管生成過(guò)程中，這種平衡沒(méi)有得到維持，新的血管不斷形成?；谶@些差異，腫瘤血管生成是腫瘤診斷的重要標(biāo)志［35］。而光聲成像能夠?qū)π律苄纬珊蛯?duì)微血管構(gòu)筑進(jìn)行成像，從而建立了一種研究腫瘤血管生成的方法。有團(tuán)隊(duì)通過(guò)將環(huán)精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）肽與GNS結(jié)合，連續(xù)激光照射驗(yàn)證了RGD-GNS對(duì)荷瘤小鼠的治療能力。在RGD-GNS組中，腫瘤的分子印跡圖像顯示出顯著增強(qiáng)的信號(hào)和更好的圖像對(duì)比度。光熱治療后，RGD-GNS治療組出現(xiàn)對(duì)比度降低和血管抑制的現(xiàn)象，而在對(duì)照組中，沒(méi)有明顯的變化［36-37］。

當(dāng)腫瘤生長(zhǎng)超出血液供應(yīng)時(shí)，腫瘤的中心區(qū)域過(guò)度消耗氧氣，且由于腫瘤血管網(wǎng)絡(luò)的高度不規(guī)則性，無(wú)法向所有區(qū)域輸送足夠氧氣［38］，從而導(dǎo)致缺氧的微環(huán)境。但腫瘤細(xì)胞能夠激活新型通路，從而激活因子HIF-1α，使其不斷適應(yīng)所處的缺氧環(huán)境，并且促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖，侵襲和轉(zhuǎn)移，使得治療效果不理想。此外，腫瘤組織處缺氧導(dǎo)致其能量代謝方式主要以無(wú)氧酵解為主，產(chǎn)生的乳酸因?yàn)槟[瘤血管網(wǎng)絡(luò)的不均勻?qū)е滦罘e，引起pH值下降［39］。惡性腫瘤細(xì)胞往往能夠進(jìn)行補(bǔ)償過(guò)程并且驅(qū)動(dòng)后期惡性程度更高的疾病的發(fā)生［40］。除了缺氧和低pH值外，腫瘤微環(huán)境中還原性谷胱甘肽和過(guò)氧化氫含量均比正常組織要高，因此有些研究人員會(huì)利用這樣的特性來(lái)開(kāi)發(fā)刺激響應(yīng)型的納米診療劑，從而實(shí)現(xiàn)納米診療劑的“智能化”精確識(shí)別相應(yīng)［41-42］。有學(xué)者新構(gòu)建出的MONs@PDA-ICG納米診療劑，可以在腫瘤微環(huán)境中釋放氧氣和Mn2+離子，產(chǎn)生的氧能緩解腫瘤缺氧，有效增強(qiáng)光動(dòng)力療法的治療效果［23］。Zhou等［43］利用多孔中空普魯士藍(lán)納米顆粒(PHPBN)作為葡萄糖氧化酶的納米載體開(kāi)發(fā)了一種腫瘤靶向多功能納米平臺(tái)，用于腫瘤饑餓和光熱治療聯(lián)合治療，PHPBN不僅在近紅外區(qū)有較強(qiáng)的光吸收和良好的光熱轉(zhuǎn)換效率，且有過(guò)氧化氫酶的特性，改善腫瘤缺氧微環(huán)境，并放大Gox消耗氧氣耗盡腫瘤組織中的葡萄糖引起的腫瘤饑餓效應(yīng)，該效應(yīng)抑制了光熱處理后熱休克蛋白的表達(dá)，降低腫瘤組織對(duì)光熱治療的抵抗力。另外一項(xiàng)研究合成了BM-PEG NSs，其能夠通過(guò)消耗谷胱甘肽和通過(guò)Fe3+的高氧化性生成O2來(lái)調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境，降低腫瘤的抗氧化能力，有利于活性氧介導(dǎo)的治療。值得注意的是，BM-PEG NSs通過(guò)熒光成像、光聲成像結(jié)合光熱治療對(duì)腫瘤的殺傷能力已經(jīng)在體內(nèi)和體外得到證實(shí)，是診治腫瘤的有效手段［44］。

3.2 抑制腫瘤轉(zhuǎn)移

到目前為止，用于抑制腫瘤轉(zhuǎn)移的治療方法主要包括手術(shù)、放療和化療，但這些方法對(duì)于已經(jīng)發(fā)生癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的患者，療效是有限的。腫瘤細(xì)胞一旦遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移，則很難進(jìn)行根治性治療，也很難做到完全治愈［45］。腫瘤為了自身生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移，會(huì)高度表達(dá)許多種酶。在腫瘤相關(guān)的多種酶中，基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs），特別是MMP-2和MMP-9，幾乎能降解細(xì)胞外基中的各種蛋白成分，改變細(xì)胞間黏附，使腫瘤細(xì)胞發(fā)生侵襲轉(zhuǎn)移。因此，設(shè)計(jì)對(duì)MMPs響應(yīng)的納米材料對(duì)于腫瘤轉(zhuǎn)移的檢測(cè)和治療非常重要?；诖?，有學(xué)者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了納米探針Mel-AK-GC8和Mel-AZ-GC8。在腫瘤轉(zhuǎn)移組織中，Mel-AK-GC8和Mel-AZ-GC8會(huì)聚集形成聚集體，導(dǎo)致熱場(chǎng)重疊，使得光聲信號(hào)增強(qiáng)，能夠有效檢測(cè)腫瘤組織的存在。同時(shí)，利用聚集之后的納米探針的光熱效應(yīng)能夠進(jìn)行光熱治療，為中晚期肝癌的診斷和治療提供了強(qiáng)有力的方法［46］。還有研究表明，碳納米管不僅能殺傷腫瘤細(xì)胞，還可通過(guò)活化機(jī)體免疫系統(tǒng)從而抑制腫瘤轉(zhuǎn)移。另有團(tuán)隊(duì)制備出的Au@Bi2S3-PVP/DOX納米復(fù)合材料在抑制HepG2細(xì)胞遷移方面也具有很高的活性，能夠減弱體內(nèi)腫瘤遷移［47］。

3.3 聯(lián)合化療的納米診療一體化

單一的腫瘤治療手段并不能獲得很好的治療效果，不同的腫瘤治療手段共同聯(lián)用能夠產(chǎn)生理想的協(xié)同作用[48]，特別是相對(duì)于以納米診療劑作為基石的診療一體化而言，納米材料的多樣性和可塑性使其功能不僅限于光聲成像和光熱治療，還能作為化療藥物的載體［48］。納米診療劑和化療藥物相結(jié)合的新型納米遞送系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）通過(guò)納米診療劑的靶向作用增加化療藥物在腫瘤中的富集，阿霉素和甲氨蝶呤作為化療藥物廣泛用于肝癌，但由于缺乏特異性，在抗癌的同時(shí)易傷害正常組織［49］。有研究將阿霉素、透明質(zhì)酸、甲氨蝶呤和吲哚菁綠相結(jié)合，利用甲氨蝶呤的葉酸受體靶向性和透明質(zhì)酸的腫瘤靶向性使納米診療劑能夠靶向進(jìn)入腫瘤，其吲哚菁綠成分則發(fā)揮光聲成像監(jiān)測(cè)藥物富集情況和光熱治療增加藥物殺傷力的作用［50］；（2）通過(guò)納米診療劑的“智能”響應(yīng)功能調(diào)節(jié)化療藥物釋放，Yang等［51］設(shè)計(jì)了對(duì)腫瘤特有的酸性微環(huán)境響應(yīng)的胺取代苝二酰亞胺衍生物，酸性環(huán)境觸發(fā)化療藥物阿霉素的釋放，同時(shí)也通過(guò)納米材料的光聲信號(hào)監(jiān)測(cè)阿霉素釋放的情況；（3）光熱治療能夠提高化療藥物的殺傷力，通過(guò)光熱治療使局部溫度上升到40.5～43.0℃時(shí)，化療藥物的細(xì)胞毒性作用能夠得到最大程度的增加［52］，常用的化療藥像順鉑、卡氮芥、環(huán)磷酰胺的細(xì)胞毒性隨著腫瘤局部溫度升高呈線性增強(qiáng)［53］。

腫瘤多藥耐藥性是造成化療失敗的主要原因之一，因?yàn)锳TP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族的P-糖蛋白過(guò)表達(dá)會(huì)顯著抑制細(xì)胞攝取化療藥物［54］，并通過(guò)外排泵泵出化療藥物［55］。研究者發(fā)現(xiàn)光熱治療克服并逆轉(zhuǎn)多藥耐藥性，通過(guò)高溫引發(fā)線粒體功能障礙來(lái)抑制ATP生成能夠克服多藥耐藥性，Tu等［56］建造線粒體靶向的石墨烯納米平臺(tái)，通過(guò)激光照射引起線粒體功能障礙，進(jìn)而影響ATP產(chǎn)生，阻斷多藥耐藥性。能夠高效負(fù)載阿霉素和藥物外排抑制劑的介孔聚多巴胺納米顆粒能夠有效靶向腫瘤細(xì)胞并減少P-糖蛋白將藥物泵出［57］，且光熱治療本身的熱量也能殺死耐藥的腫瘤細(xì)胞［58］。

4 小結(jié)

到目前為止，納米診療劑的臨床轉(zhuǎn)化仍然有限，藥物的高級(jí)靶向和激活功能導(dǎo)致了制備的復(fù)雜性。超出腫瘤范圍的紅外光和在腫瘤附近組織中大量積累的光敏劑也可能會(huì)導(dǎo)致附加的損害。此外，對(duì)于大型和深層腫瘤而言，光熱治療的治療深度不足，不能殺傷腫瘤中心的癌細(xì)胞，是腫瘤復(fù)發(fā)的重要因素。

隨著生物醫(yī)學(xué)工程和材料工程的研究，越來(lái)越多性質(zhì)更穩(wěn)定、生物相容性更好、光熱轉(zhuǎn)換效率更高的材料會(huì)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，讓納米診療劑能夠?qū)崿F(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化。相信隨著納米診療劑的不斷研究和改進(jìn)，光聲成像和光熱治療能夠有機(jī)結(jié)合形成的診療一體化擁有廣闊的發(fā)展前景，也將為臨床上肝癌的診斷和治療帶來(lái)更好的福音。