ACS Nano綜述文獻解讀：閃爍納米粒子作為能量傳遞媒介用于增強型光動力治療

Francis-cas 7年前 (2016-04-12) 11369瀏覽

摘要

實現深層腫瘤的有效治療是傳統的光動力療法的一大挑戰，因為光很難傳送到深層腫瘤處。而X射線有著很強的組織穿透性，故其有望成為理想的激發源來激活深層腫瘤中的光敏劑。最近，研究出很多類型的納米顆粒用于此。這些納米顆粒可以負載多種光敏劑且有助于X射線的能量轉移到光敏劑上。

引言

光動力療法（PDT）是一種用于癌癥治療的非侵入性技術。光敏劑（PS）是由光的特定波長激活以產生活性氧（ROS），包括單線態氧（1O2）的物質。為了使PDT更加有效，光必須有效的傳遞到光敏劑上，雖然在某些情況下，鹵燈和弧光燈可以使用，但是通常情況還是激光和發光二級管PDT作為光源。然而大多數的光敏劑與組織吸收波長在深紫外或可見光區重疊，由于照明光的穿透深度很低，這就使得PDT在臨床上的效果大打折扣。

納米科技在生物學和醫藥方面的應用發展會克服傳統策略的PDT所遇到的局限性，目前主要研究納米顆粒作為光敏劑的載體，實現靶向傳遞。利用上轉換納米顆粒可以將入射的近紅外光轉換為深紫外的光發射。因此，使用的納米顆粒能夠有效改善對于深部組織的治療功效。即使有了這些科技的進步，在提高穿透深度和產生單線態氧效率方面還有很大的進步空間。

為了解決上述問題，研究者們將X射線引入到了PDT中。利用X射線作為PDT過程的光源，使得診斷、放射療法、和PDT整合應用到下一代的腫瘤治療診斷是可行的。

本文主要內容

本文聚焦于高能量傳遞效率的納米閃爍體的最新研究進展，納米閃爍體的合理設計以及下一代光動力治療的潛在應用；同時討論了通過使用放射性同位素作為內部光源進行深層腫瘤的治療。

X射線誘導光動力學治療

為了克服傳統PDT組織穿透深度問題，將X射線引入作為光源，但是光敏劑可以直接吸收X射線能量來產生單線態氧。過去的幾十年里，納米科技蓬勃發展，設計出了能夠負載光敏劑同時可作為能量傳遞媒介的納米顆粒，將放療和PDT聯合起來能改善深層次的癌癥治療結果。將光敏劑負載到納米顆粒也是該項研究的一個分支，因為只有將光敏劑有效負載到納米顆粒上才能讓X射線成為PDT的有效光源，所以研究者也發明了多種方法來實現光敏劑與納米顆粒的負載。

圖1 X射線可活化的納米顆粒用于PDT的原理

圖2光敏劑負載到納米顆粒不同策略示意圖

用于PDT過程中不同種類的納米顆粒

在一般情況下，納米顆粒用于X-射線誘導的PDT必須滿足一定條件。首先，納米顆粒的發射譜帶能與光敏劑很好的重疊，以保證光敏劑的效率和1O2?的產量；其次，在它們通過X射線或其他輻射形式照射時納米顆粒應具有高的發光效能；此外，納米顆粒必須易合成且能與光敏劑很好的結合；最后，納米顆粒體系必須是水溶性的，無毒的，并且生物環境是穩定的。

傳統放療在殺死癌細胞的同時，也會損傷健康細胞，不具有識別性，但是將傳統放療與PDT結合起來以后，可以改善這個問題。在2006年Chen和他的合作者首次報道X射線激活納米粒子。

  • 稀土基納米顆粒

稀土基納米顆粒包括：BaFBr:Eu2+, BaFBr:Mn2+, LaF3:Ce3+ 和LaF3:Tb3+，在暴露于X射線下呈現持續發光。

圖3 表示在X射線照射下，Y2O3納米系統與誘導的DNA交聯機理

  • 金屬基納米顆粒

類似于基于稀土的納米閃爍體，基于金屬的納米閃爍體中X射線作為能量傳遞。特別是，在氧化鋅納米顆粒中觀察到強的X射線激發發光，氧化鋅納米粒子的紫外發光大部分與卟啉的紫外吸收相匹配。因此，ZnO和光敏劑的組合已被認為是X射線激活PDT的最佳組合之一。此外，使用這種組合進行X射線活化PDT尚需要進一步研究。

有趣的是，氧化鋅也被報道為X射線照射下一個有效的放射增敏劑，但是此時氧化鋅并沒有和光敏劑結合。在生物醫學應用領域氧化鋅納米粒子已被證明是一個有前途的生物相容材料，基于細胞分析的研究報道還顯示ZnO是具有潛在毒性的納米粒子。Chen和其同事進一步報道了使用鋅為主的納米閃爍X射線激活PDT研究。該研究指出出，與單獨的光敏劑相比，該研究中的納米閃爍顆粒中在人類前列腺癌細胞具有高光到暗的毒性比。

銅-半胱胺配合物是另一種本征敏感特性類型閃爍體材料，在X射線照射下，可以產生1O2。雖然銅-Cy配合物可能對深部腫瘤治療有顯著的影響，但是表面改性、細胞攝取和腫瘤靶向功效需要進一步改善。

  • 非金屬基光敏劑

通過化學手段制備SiC/SiOx核殼納米線同H2TPACPP形成的雜化材料用于X射線誘導PDT。實驗結果顯示，NW?H2TPACPP納米體系可以產生足以損傷肺腺癌細胞的1O2。在X射線照射下，研究了二氧化硅納米顆粒降低ROS產量的能力。結果證實，具有細胞毒性的1O2在含有納米顆粒的輻射溶液才生成。然而，由X射線激活光敏劑生產1O2報道仍有爭議。

  • 量子點

量子點也在其發展光敏劑過程中獲得廣泛應用。通過一個發色團（如量子點）吸收紫外/可見光而產生自由基過程只能消除表面腫瘤，這是由于光穿透深度的限制。最近，?CdSe、CdSe和ZnS等量子點已經被報道用于X射線或γ射線閃爍體成像。由于X射線和γ射線能穿透更深，通過PDT它們與量子點結合可作為放射增敏劑治療患者的深部腫瘤。

圖4 ?X射線與量子點之間的相互作用

放射性核素激活光動力治療

  • 切倫科夫輻射激活光療

利用從切倫科夫輻射（CR）的光子已經應用在光學成像和激活量子點和熒光團等領域。帶電粒子，如由放射性衰變產生的β+和β-，當其電介質中移動速度比光在電介質中的移動速度大時這些帶電粒子可產生寬帶寬的可見光，切倫科夫輻射可以直接激發熒光或者磷光，在此過程中對于納米顆粒沒有任何要求。

在傳統的PDT中，光敏材料在外來光的照射下產生的1O2是有毒的，以此來殺死細胞。然而，只有當光和氧氣可以在治療部位定位，該技術才能良好運用。近日，Achilefu等人設想直接將光傳遞到腫瘤的方式。由β粒子誘導CR作為光源來激活納米顆粒，以此來充當與氧無關的光敏劑。

總體而言，這個創造性的方法使得深度治療各種病變成為可能，且這個方法是與氧無關的。

  • 納米粒子介導的放射性同位素能量轉移

圖5 放射性同位素能量傳遞過程的示意圖

由圖5可以清晰的看出放射性同位素能量傳遞的各種過程，放射性同位素可以發射切倫科夫放射，直接激活吸收光在200-500納米范圍內的光敏劑，一些放射性同位素能夠產生高能量光子，如γ射線，其可通過某些類型的納米顆粒吸收（即閃爍納米顆粒）。在這種情況下，光敏劑將由放射性核素間接激發，一旦光敏劑被激活，活性氧會產生，損傷周圍細胞/組織。

結論和前景

PDT提供了高選擇性和邊際入侵癌癥治療手段，然而，傳統的PDT光穿透深度仍然有限，在用PDT來治療深部癌癥時，納米技術發展對此有著很大的影響。近5年來見證了使用X射線作為光源用于臨床治療深部腫瘤的快速發展。

雖然組織穿透深度在任一模式（X射線和放射性同位素活化PDT）中都沒有問題，但是在改善能量傳遞效率和1O2生成速率方面還有很大的進步空間，因此，對于發展更好的納米復合材料用于提高激發/光敏化效率是很必要的。此外，納米復合材料的生物相容性和和長期毒性需要更加深入的研究。

總體而言，納米技術對深層腫瘤治療提供了極好的機會。X射線激發PDT用于腫瘤治療是一個很好的想法，特別是許多一直致力于發展納米材料應用于腫瘤治療的努力值得肯定。然而，仍然有許多挑戰需要克服，包括找到一種最好的納米材料用于臨床。要解決這些問題，需要改善光敏劑與納米顆粒之間的結合性，加強科學家、醫生、工程師、和藥劑師之間相互合作與交流，找到有效的腫瘤治療模式。此外，新建的癌癥納米科技卓越中心在未來的納米腫瘤學發展中將起著著至關重要的作用。

論文于2016年4月4號發表在納米頂級期刊ACS Nano上，下載鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6b01401

本文由材料人科普團隊朱德杰供稿，材料牛編輯整理。

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