引用本文
刘晓不殆, 屈亚威 综述, 刘海峰 审校. 上转换纳米材料在光动力治疗中的应用进展[J]. 武警医学, 2017,28(4): 393-396

Permissions
Copyright©2017, 《武警医学》编辑部
上转换纳米材料在光动力治疗中的应用进展
刘晓不殆, 屈亚威 综述, 刘海峰 审校
100039 北京,武警总医院消化内科
通讯作者:刘海峰,E-mail:haifengliu333@163.com

作者简介:刘晓不殆,硕士研究生。

收稿日期: 2016-12-01
关键词: 光动力治疗; 上转换纳米材料; 光敏剂
中图分类号:R454.2;TQ133.3

光动力治疗(photodynamic therapy, PDT)是一种安全、有效、相对低成本的非侵入性肿瘤治疗方法, 其主要原理是利用光激活光敏剂, 引发光动力效应, 产生活性氧物质, 引起病变细胞坏死和凋亡[1], 目前已应用于皮肤、头颈部、食管、胰腺、膀胱等部位肿瘤的治疗中。由于目前临床上所使用的光敏剂激发波长主要在可见光及紫外光区域, 造成PDT的使用范围局限于浅层及空腔脏器肿瘤; 此外现有光敏剂还存在运载困难及靶向性低的问题。近年来的研究表明, 上转换纳米材料(upconversion nanoparticles, UCNPs)与光敏剂的结合能有效改进传统光敏剂所存在的问题, 具有良好的应用前景。

1 UCNPs增加PDT深度

近红外光由于较少被血红蛋白与水等物质吸收, 在生物体内具有较好的穿透力[2]。UCNPs具有将近红外光转换为可见光的特性, 可在PDT应用中发挥类似转换器的作用, 将其吸收的近红外光转换为能够激活所负载光敏剂的适宜波长的光, 从而增加PDT的治疗深度。Zhang等[3]首次报道了UCNPs与光敏剂结合的体外研究, 他们将光敏剂Merocyanine-540(M-540)掺杂到NaYF4:Yb/Er的二氧化硅涂层中。当近红外光照射人乳腺癌细胞后, 癌细胞表现出明显皱缩, 说明这种方式成功激活了光敏剂。Tian等[4]将激发波长处于650~670 nm的三种光敏剂二氢卟吩(Ce6)、酞菁锌(ZnPc)、亚甲基蓝(MB)分别与NaYF4:Yb/Er结合后在肿瘤细胞上进行实验, 三种不同的组合最终都有效实现了PDT, 取得了良好的治疗效果。Wang等[5]通过静电吸附将ZnPc与LiYF4:Yb/Er结合后于小鼠模型上进行了在体PDT, 2周之后, 实验组小鼠肿瘤的体积减少到对照组小鼠肿瘤体积的1/2。前期此类体外及体内研究证实了UCNPs作为换能器实现深部PDT的可行性, 为后期进一步改进这一治疗方式提供了坚实基础。

2 UCNPs增强PDT靶向性

理想的光敏剂应具有良好靶向性从而避免在进行治疗的同时对周围正常组织造成伤害, 然而目前临床上可用的光敏剂的靶向性并不高[6]。作为一种纳米颗粒, UCNPs本身就具有较强的实体瘤的高通透性和滞留效应(enhanced permeability and retention effect, EPR)[7], 能够被动靶向于肿瘤, 此外若是对其进一步加以特异性修饰, 便能进一步增强其在肿瘤组织中的选择性摄取, 从而提高药效并减少光敏剂对健康组织及周围器官的不良反应及并发症的发生。Cui等[8]通过将叶酸(FA)修饰的掺杂ZnPc的壳聚糖包覆于NaYF4:Yb/Er外, 与未加FA修饰的对照组相比, 实验组纳米颗粒在小鼠肿瘤部位显著聚集。Zhou等[9]将光敏剂pyropheophorbide a (Ppa)与NaYF4:Yb/Er共价连接并与靶向整合素α vβ 3的RGDyK结合形成UCNP-Ppa-RGD, 实验中与阴性对照组相比该复合物对人胶质瘤细胞(U87-MG)表现了很强的靶向性。Yuan等[10]则通过靶向G4适体进行了研究, 同样也取得了理想的实验结果。以上这些靶向UCNPs的合成过程中存在靶标与多个纳米颗粒结合导致纳米颗粒聚合的现象, Liang等[11]将在肿瘤上皮中高表达的EpCAM抗体通过二氧化硅结合蛋白结合于二氧化硅包覆的NaYF4:Yb/Er@NaGdF4上, 通过该特异性结合蛋白在实现靶向治疗的同时也提高了UCNPs的合成效率。PDT靶向性的增加对目前通过光照部位控制治疗部位的临床PDT应用模式具有开创性改变的意义, 这对于推广PDT的应用具有重要的价值。

3 UCNPs增强PDT效果

如何提高PDT的治疗效率也是研究者关注的热点, 使用较少的剂量带来最优的治疗效果是研究者们一直追寻的目标。考虑到作为光敏剂载体的UCNPs受近红外光照射的发射峰往往不止一个, Idris等[12]将光敏剂花青素540(MC540)和ZnPc通过介孔硅结构结合到NaYF4: Yb/ Er上, 由于被980 nm光照射后, NaYF4在540 nm 和660 nm处有两个发射峰, 这正好分别与MC540和ZnPc的吸收峰相符, 通过测量发现该复合物单线氧的产率比单独使用任一种光敏剂时有明显提高。此外Liu等[13] 则使用具有较宽的吸收带的富勒烯作为光敏剂, 巧妙地将多种稀土元素整合在一起构成NaYF4:Yb/Er/Tm, 利用在980 nm的光激发后不同稀土元素具有不同的发射光谱, 最终在450、475、540、650 nm处均发生了光动力效应, 从而显著增强了治疗效果, 富勒烯是一种无机光敏剂, 较传统使用的有机光敏剂而言, 无机光敏剂具有更好的生物相容性及稳定性[14, 15], 而如何选择无机光敏剂与UCNPs结合提高现有PDT的效率可以作为下一步研究的方向。

4 UCNPs推进PDT与纳米技术结合

由于纳米颗粒具有体积小、表面积大的特点, 开发新的纳米技术用于肿瘤的诊断和治疗是近年的研究热点; 但是不少纳米材料, 比如量子点, 实验室结果十分理想 [16], 但受自身毒性问题所限, 较难应用于临床。UCNPs自身所具有的毒性小的特点, 使其在未来临床使用中具有不可比拟的优势。Wang等[17]将光敏剂Ce6吸附到NaYF4:Yb/Er表面, 采用瘤内注射的方式于小鼠模型上进行了首次UCNPs在体PDT研究, 实验结果显示肿瘤组织生长得到极大限制, 小鼠生存时间得到明显提高。此外研究者还发现注入小鼠体内的UCNP-Ce6复合物在两月内逐步从小鼠体内清除, 且对小鼠没有造成明显影响。Zhang等[18]则使用FA靶向的NaGdF4:Yb/Tm@SiO2结合光敏剂二氧化钛(TiO2)在乳腺癌MCF-7小鼠模型上进行实验, 接受光照两周后小鼠肿瘤体积减少为之前的30%, 肿瘤抑制率达到了88.6%, 解剖后观察小鼠的心脏和肺未出现纤维化, 肝脏上未出现炎性反应, 肾小球和肾小管结构也清晰可见, 说明该纳米药物是安全的。这些实验结果让人们对纳米医学的临床应用产生巨大信心。

5 UCNPs有助于诊疗一体化

如何在进行治疗的同时实时获知肿瘤治疗情况从而对治疗方法进行调整是近年研究的热点。UCNPs本身是一种荧光材料, 能够提供高灵敏度的光学成像, Liu等[19]利用这一特性使用NaYF4:Yb/Er作为一个平台, 980 nm光照射后, UCNPs发射的540 nm的光激活RB从而进行PDT, 发射的650 nm的光被荧光设备检测从而进行荧光成像。Gd是一种可以作为磁共振成像T1相对比剂的稀土元素, Zhao等[20] 使用该稀土元素制备了共价结合光敏剂四羧基铝酞菁(AlC4Pc)的NaGdF4: Yb/Er@SiO2, 在破坏小鼠肝癌细胞的细胞膜同时进行了磁共振成像, 并且所获得的图像具有较好的对比度。此外Yang等[21]合成的装载竹红菌素A的NaYF4:Yb/Tm@NaGdF4同样也实现了离体磁共振成像和PDT。Lu等[22]所合成的以β -NaLuF4:Gd/Yb/Er为核心的搭载ZnPc的纳米颗粒, 利用Lu作为CT对比剂, 使用该平台进行PDT的同时可获得病变部位CT成像的结果, 并且使用该纳米颗粒所获得的CT图像比使用商用造影剂碘普罗胺成像清晰。多种模式成像可以综合多种成像的优势, 获得更多的成像信息。Park等[23]通过静脉注射NaYF4:Yb/Er@NaGdF4-Ce6 的复合物实现了体内 PDT, 并且通过荧光成像及磁共振成像观察到 UCNP-Ce6在肿瘤部位富集, 将荧光成像的高灵敏度与磁共振成像的高分辨率成功结合。利用UCNPs的天然光学成像潜力及借助掺杂多种具有成像潜力的镧系离子实现多模式成像, 对于未来治疗过程中对于药物示踪及时改进治疗方案具有无可比拟的优势。

6 UCNPs平台上的联合治疗

研究者将多种治疗方式整合于UCNPs平台上, 实现治疗协同增强效应, 有效增加了肿瘤细胞的杀伤率。Han等[24]将能产生光热作用(photothermal therapy, PTT)的二硫化钼(MoS2)与产生PDT的ZnPc整合于NaYF4:Yb/Er平台上 , ZnPc吸收UCNPs的上转换绿光, 通过PDT作用杀死肿瘤细胞, 而MoS2在808 nm下实现了PTT, 两种治疗方法同时使用对肿瘤生长产生了明显抑制并诱导了其凋亡与坏死。Yin等[25]将透明质酸改良到介孔TiO2表面, 改善了TiO2在自身存在的靶向性差的不足, 化疗药物阿霉素(DOX)搭载于NaGdF4:Yb/Tm@mTiO2上, 实验结果表明通过PDT与化疗共同作用, 人乳腺癌细胞MDA-MB-231存活率明显下降。另外这种结合方式还能用于对化疗产生肿瘤的耐药性的肿瘤的治疗, Zeng等[26]将DOX装载到其所合成的NaYF4:Yb/Tm-TiO2上, 构成FA-UCNPs-DOX复合物, 在其所建立的耐药乳腺癌肿瘤模型(MCF-7/ADR)上实验, 肿瘤的抑制率高达96.74%, 该结果对于解决肿瘤的耐药性问题具有显著意义。此外, Gao等[27]采用两步骤疗法, 即先行PDT治疗后行DOX化疗, 发现进行深部PDT组比680 nm未进行深部PDT组小鼠心脏损伤明显减小, 考虑该现象的发生可能与深部进行的PDT使DOX进入肿瘤组织的路径增加有关, 这一发现对于直接减轻化疗副作用具有重要意义。联合治疗的意义在于减少原有药物用量的同时能够达到与过去相同或更佳的治疗效果, 目前对于UCNPs的研究已从单一PDT治疗延伸到联合治疗领域, 结合并不是简单的联合搭配, 下一步的研究更需要将治疗效率以及临床实用性纳入考虑范围。

PDT因其所具有的非侵入性、低全身毒性的特点受到人们的广泛关注。目前PDT主要存在穿透深度有限、靶向性较差、治疗效率低的问题, 研究者们通过开发新的光敏剂改善此类问题。笔者主要介绍了UCNPs在PDT中的应用, 通过UCNPs的反斯托克斯位移特性能将近红外光应用于PDT中, 增加了PDT的穿透深度; 同时对UCNPs进行修饰, 能够提高PDT的靶向性, 使肿瘤治疗更加精准; 此外采用多种治疗方式相结合的模式提高了治疗效率。以上这些研究成果也给纳米技术的临床应用带来了希望。尽管如此, UCNPs未来仍面临诸多挑战:首先, 目前所使用的UCNPs主要的激发波长是980 nm, 然而这一波长范围的光可被水吸收, 所产生的显著热效应易对正常组织造成损害。Zhan等[28]使用915 nm的激光达到了降低热效应同时穿透深度加深的结果, 而使用Nd构建UCNPs可以在808 nm波长激发下实现PDT[29, 30, 31, 32], 如何在提高PDT效率的同时减少对机体正常组织的损害仍是目前研究的热点。其次, 纳米技术若应用于临床, 需要对UCNPs的毒性进行研究。尽管目前实验证实在短期内UCNPs对机体不会造成巨大毒性影响, 但不能排除可能对免疫系统或者相关组织存在慢性毒性。此外, 肿瘤的诊断与治疗的多功能结合是未来发展的趋势, 如何通过UCNPs构建合理的纳米平台实现诊疗一体化及相关纳米平台的具体运用方式是未来仍需探究的问题。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 李黎波, 李文敏, 项蕾红, 等. 光动力疗法在中国的应用与临床研究[J]. 中国激光医学杂志, 2012, 21(5): 278-307. [本文引用:1]
[2] Kosaka N, Ogawa M, Choyke P L, et al. Clinical implications of near-infrared fluorescence imaging in cancer[J]. Future Oncol, 2009, 5(9): 1501-1511. [本文引用:1]
[3] Zhang P, Steelant W, Kumar M, et al. Versatile Photosensitizers for Photodynamic Therapy at Infrared Excitation[J]. J Am Chem Soc, 2007, 129(15): 4526-4527. [本文引用:1]
[4] Tian Gan, Ren Wenlu, Yan Liang, et al. Red-Emitting upconverting nanoparticles for photodynamic therapy in cancer cells under near-infrared excitation[J]. Small, 2013, 9(11): 1929-1938. [本文引用:1]
[5] Wang Meng, Chen Zhuo, Zheng Wei, et al. Lanthanide-doped upconversion nanoparticles electrostatically coupled with photosensitizers for near-infrared-triggered photodynamic therapy[J]. Nanoscale, 2014, 6(14): 8274-8282. [本文引用:1]
[6] Van Dongen G A, Visser G W, Vrouenraets M B. Photosensitizer-antibody conjugates for detection and therapy of cancer[J]. Adv Drug Deliv Rev, 2004, 56(1): 31-52. [本文引用:1]
[7] Ferrari M. Cancer nanotechnology: opportunities and challenges[J]. Nat Rev Cancer, 2005, 5(3): 161-171. [本文引用:1]
[8] Cui S, Yin D, Chen Y, et al. In vivo targeted deep-tissue photodynamic therapy based on near-infrared light triggered upconversion nanoconstruct[J]. ACS Nano, 2013, 7(1): 676-688. [本文引用:1]
[9] Zhou Aiguo, Wei Yanchun, Wu Baoyan, et al. Pyropheophorbide A and c (RGDyK) comodified chitosan-wrapped upconversion nanoparticle for targeted near-infrared photodynamic therapy[J]. Mol Pharm, 2012, 9(6): 1580-1589. [本文引用:1]
[10] Yuan Quan, Wu Yuan, Wang Jie, et al. Targeted bioimaging and photodynamic therapy nanoplatform using an aptamer-guided G-Quadruplex DNA carrier and near-infrared light[J]. Angew Chem Int Ed Engl, 2013, 52(52): 13965-13969. [本文引用:1]
[11] Liang L, Care A, Zhang R, et al. Facile assembly of functional upconversion nanoparticles for targeted cancer imaging and photodynamic therapy[J]. ACS Appl Mater Interfaces, 2016, 8(19): 11945-11953. [本文引用:1]
[12] Idris N M, Gnanasammand han1 M K, Zhang J, et al. In vivo photodynamic therapy using upconversion nanoparticles as remote-controlled nanotransducers[J]. Nat Med, 2012, 18(10): 1580-1585. [本文引用:1]
[13] Liu Xiaomin, Zheng Min, Kong Xianggui, et al. Separately doped upconversion-C60 nanoplatform for NIR imaging-guided photodynamic therapy of cancer cells[J]. Chem Commun (Camb), 2013, 49(31): 3224-3226. [本文引用:1]
[14] Dou Q Q, Rengaramchand ran A, Selvan S T, et al. Core -shell upconversion nanoparticle-semiconductor heterostructures for photodynamic therapy[J]. Sci Rep, 2015, 5: 8252. [本文引用:1]
[15] Lucky S S, Idris N M, Li Zhengquan, et al. Titania coated upconversion nanoparticles for near-infrared light triggered photodynamic therapy[J]. ACS Nano, 2015, 9(1): 191-205. [本文引用:1]
[16] Fowley C, Nomikou N, McHale A P, et al. Extending the tissue penetration capability of conventional photosensitisers: a carbon quantum dot-protoporphyrin IX conjugate for use in two-photon excited photodynamic therapy[J]. Chem Commun (Camb), 2013, 49(79): 8934-8936. [本文引用:1]
[17] Wang Chao, Tao Huiquan, Cheng Liang, et al. Near-infrared light induced in vivo photodynamic therapy of cancer based on upconversion nanoparticles[J]. Biomaterials, 2011, 32(26): 6145-6154. [本文引用:1]
[18] Zhang Ling’e, Zeng Leyong, Pan Yuanwei, et al. Inorganic photosensitizer coupled Gd-based upconversion luminescent nanocomposites for in vivo magnetic resonance imaging and near-infrared-responsive photodynamic therapy in cancers[J]. Biomaterials, 2015, 44(1): 82-90. [本文引用:1]
[19] Liu Kai, Liu Xiaomin, Zeng Qinghui, et al. Covalently assembled NIR nanoplatform for simultaneous fluorescence imaging and photodynamic therapy of cancer cells[J]. Acs Nano, 2012, 6(5): 4054-4062. [本文引用:1]
[20] Zhao Zengxia, Han Yuning, Lin Chenghong, et al. Multifunctional core-shell upconverting nanoparticles for imaging and photodynamic therapy of liver cancer cells[J]. Chem Asian J, 2012, 7(4): 830-837. [本文引用:1]
[21] Yang Chunna, Liu Qiuling, He Dacheng, et al. Dual-modal imaging and photodynamic therapy using upconversion nanoparticles for tumor cells[J]. Analyst, 2014, 139(24): 6414-6420. [本文引用:1]
[22] Lu S, Tu D, Hu P, et al. Multifunctional nano-bioprobes based on rattle-structured upconverting luminescent nanoparticles[J]. Angew Chem Int Ed Engl, 2015, 54(27): 7915-7919. [本文引用:1]
[23] Park Y I, Kim H M, Kim J H, et al. Theranostic probe based on lanthanide-doped nanoparticles for simultaneous in vivo dual-modal imaging and photodynamic therapy[J]. Adv Mater, 2012, 24(42): 5755-5761. [本文引用:1]
[24] Han J, Xia H, Wu Y, et al. Single-layer MoS2 nanosheet grafted upconversion nanoparticles for near-infrared fluorescence imaging-guided deep tissue cancer phototherapy[J]. Nanoscale, 2016, 8(15): 7861-7865. [本文引用:1]
[25] Yin Meili, Ju Enguo, Chen Zhaowei, et al. Upconverting nanoparticles with a mesoporous TiO2 shell for near-infrared-triggered drug delivery and synergistic targeted cancer therapy[J]. Chemistry, 2014, 20(43): 14012-14017. [本文引用:1]
[26] Zeng Leyong, Pan Yuanwei, Tian Ying, et al. Doxorubicin-loaded NaYF4: Yb/Tm-TiO2 inorganic photosensitizers for NIR-triggered photodynamic therapy and enhanced chemotherapy in drug-resistant breast cancers[J]. Biomaterials, 2015, 57(1): 93-106. [本文引用:1]
[27] Gao W, Wang Z, Lv L, et al. Photodynamic therapy induced enhancement of tumor vasculature permeability using an upconversion nanoconstruct for improved intratumoral nanoparticle delivery in deep tissues[J]. Theranostics, 2016, 6(8): 1131-1144. [本文引用:1]
[28] Zhan Q, Qian J, Liang H, et al. Using 915 nm laser excited Tm3+/Er3+/Ho3+- doped NaYbF4 upconversion nanoparticles for in vitro and deeper in vivo bioimaging without overheating irradiation[J]. Acs Nano, 2011, 5(5): 3744-3757. [本文引用:1]
[29] Wang D, Xue B, Kong X, et al. 808 nm driven Nd3+-sensitized upconversion nanostructures for photodynamic therapy and simultaneous fluorescence imaging[J]. Nanoscale, 2015, 7(1): 190-197. [本文引用:1]
[30] Liu X, Que I, Kong X, et al. In vivo 808 nm image-guided photodynamic therapy based on an upconversion theranostic nanoplatform[J]. Nanoscale, 2015, 7(36): 14914-14923. [本文引用:1]
[31] Zeng L, Pan Y, Zou R, et al. 808 nm-excited upconversion nanoprobes with low heating effect for targeted magnetic resonance imaging and high-efficacy photodynamic therapy in HER2-overexpressed breast cancer[J]. Biomaterials, 2016, 103: 116-127. [本文引用:1]
[32] Hou Z, Deng K, Li C, et al. 808 nm Light-triggered and hyaluronic acid-targeted dual-photosensitizers nanoplatform by fully utilizing Nd (3+)-sensitized upconversion emission with enhanced anti-tumor efficacy[J]. Biomaterials, 2016, 101: 32-46. [本文引用:1]