1.9 基于納米材料的腫瘤治療

1、基于納米材料的腫瘤治療1癌癥治療手段1.1手術(shù)治療手術(shù)治療是最傳統(tǒng)也是最直接的癌癥治療手段，到目前為止，有六成的癌癥病例將手術(shù)治療作為主耍治療手段。對于早期癌癥，手術(shù)治療切除后通?？梢赃_到長期治愈的效果。但是手術(shù)治療作為一種局部治療手段，只能對原發(fā)瘤體進行切除，而對于已經(jīng)擴散的癌癥的治療效果不明顯。此外，由于醫(yī)療手段等閃素的限制，80%的患者在確診時己超出了手術(shù)治療的范圍。同時，相當(dāng)多的患者由于身休條件的限制也不能接受手術(shù)治療。1.2化學(xué)治療化學(xué)治療是一種利用化學(xué)抗癌藥物來殺死癌細胞或者抑制癌細胞生長繁殖的癌癥治療手段，多用于中晚期癌癥的治療，目前大約有10%左右的癌癥病例將化學(xué)治療作為主要治

2、療手段。但是大多數(shù)的化學(xué)治療藥物都缺乏特異性，因此藥物在殺死癌細胞的同時也可能會殺死正常細胞，產(chǎn)生副作用。1.3放射治療放射治療使用電離輻射通過產(chǎn)生自由基來破壞癌細胞DNA的生產(chǎn)，從而消滅癌細胞。通過提供高劑量的射線，足以有效的消除癌癥組織，并抑制癌細胞的生長和復(fù)發(fā)。放射治療作為一種先進的治療手段，可以用于治療幾乎一半的癌癥。然而，放射線對健康組織的毒性是一個關(guān)鍵問題，電離輻射無法很好的區(qū)分惡性細胞和正常細胞，這導(dǎo)致放射治療可能會對正常組織造成損傷，導(dǎo)致一些治療相關(guān)的副作用，這些副作用顯著損害患者的生活質(zhì)量，并妨礙對癌癥復(fù)發(fā)患者的放射治療。1.4 免疫治療免疫治療是一種很有前途的癌癥治療手段，

3、它通過刺激宿主的免疫系統(tǒng)來識別和殺死癌細胞。通常來說，癌細胞發(fā)展出了許多逃避免疫系統(tǒng)識別的機制，例如，癌細胞有能力下調(diào)表面抗原和共刺激分子的表達,導(dǎo)致T細胞的識別和刺激受到抑制，癌細胞也具有抑制樹突狀細胞釋放免疫抑制細胞因子的能力,此外，癌細胞還可以通過釋放促.凋亡因子誘導(dǎo)T細胞的凋亡。而免疫治療通過增強免疫系統(tǒng)中免疫成分的活性以及限制或消除癌細胞對免疫系統(tǒng)的抑制作用來達到治療癌癥的目的。1.5 基因治療基因治療是通過轉(zhuǎn)染，將遺傳物質(zhì)（DNA、RNA或寡核苷酸）引入真核細胞中，以促進細胞內(nèi)特異性蛋白的抑制或者產(chǎn)生，具有廣泛控制人類疾病的潛力。與傳統(tǒng)治療手段相比，基于NDA藥物的基因治療由于其高

4、選擇性和特異性，被認為是具有較低毒性和較少副作用的治療手段。1.6光熱治療光熱治療是一種使用外部光源誘導(dǎo)在癌癥組織產(chǎn)生過熱效果，從而殺死異常細胞的治療手段。光熱治療由于其簡單、無創(chuàng)、安全和遠程可控性而在最近受到了廣泛關(guān)注。光熱治療是一種有效導(dǎo)致癌癥組織消融而不損傷周圍正常細胞的治療策略，目前處于臨床前試驗階段。許多報告說明，在不久的將來，光熱治療將在臨床應(yīng)用上展現(xiàn)出巨大的潛力。1.7光動力治療光動力療法是一種非侵入性的選擇性破壞的癌癥治療方法，涉及到光、氧與光敏劑的共存來實現(xiàn)光毒性，通過使用光敏劑和與光敏劑吸收波長相適配的光，產(chǎn)生具有細胞毒性的活性氧自由基實現(xiàn)對癌細胞的破壞。雖然這種治療方法大

5、大提高了癌癥患者的壽命和生活質(zhì)量,但是光動力治療在選擇性和治療效果方面還需要進一步的發(fā)展來克服傳統(tǒng)光動力治療的副作用。2基于納米材料的腫瘤治療2.1 化學(xué)藥物治療化學(xué)藥物治療是利用化學(xué)藥物阻止癌細胞的增殖、浸潤、轉(zhuǎn)移和最終殺滅癌細胞的一種癌癥治療方式，它與手術(shù)、放療并稱為癌癥的3大治療手段。由于化療藥物的選擇性不強，在殺滅癌細胞的同時也會不可避免地損傷人體正常的細胞，從而出現(xiàn)藥物的不良反應(yīng)。因此，在接受化療藥物治療時，一方面希望能夠達到最佳的抗腫瘤作用，另一方面也要預(yù)防和識別化療藥物的不良反應(yīng)。近年來，納米技術(shù)的發(fā)展有望改善腫瘤化療的治療效果和毒副作用。納米化療藥物比傳統(tǒng)藥物具有一些優(yōu)點:提高

6、疏水性化療藥物的生物相容性、延長化療藥物的半衰期、降低藥物的毒副作用和提高化療藥物的靶向效率。納米載體還可以負載多種化療藥物和成像造影劑，為癌癥治療開辟的新視野。納米技術(shù)在提高化療藥物選擇性方面取得重大突破。納米粒子通過各種修飾改變它們的尺寸、形狀、化學(xué)和物理性質(zhì)等性質(zhì)，從而提高納米化療藥物的腫瘤靶向性。目前，納米粒子改善化療藥物腫瘤靶向性的研究主要集中在被動靶向和主動靶向兩個方向。因為實體瘤組織中血管豐富、血管壁間隙較寬、結(jié)構(gòu)完整性差和淋巴回流缺失，所以造成大分子類物質(zhì)和納米顆粒具有選擇性高通透性和滯留性。因此，被動靶向性主要是改變納米顆粒的尺寸和形狀等性質(zhì)提高納米藥物的腫瘤選擇性。主動靶向

7、性是修飾負載化療藥物的納米顆粒直接與腫瘤細胞相互作用。納米粒子通過配體受體相互作用或抗體-抗原識別腫瘤細胞，一旦納米粒子的配體與癌細胞表面上的受體結(jié)合后迅速發(fā)生受體介導(dǎo)的細胞內(nèi)吞作用,從而提高腫瘤細胞攝取化療藥物的效率。例如，葉酸受體在許多腫瘤細胞表面上高表達，它可以作為癌癥靶向治療的識別受體。Russell-Jones等人使用葉酸作為靶向分子偶聯(lián)pHPMA負載柔毛霉素納米顆粒。其結(jié)果表明與無偶聯(lián)葉酸的納米藥物相比，葉酸偶聯(lián)柔毛霉素納米藥物明顯增加荷瘤小鼠的存活時間。Kukowskalatallo等人開發(fā)葉酸連接負載甲氨蝶吟的樹突狀大分子納米顆粒表面上。在一周內(nèi)小鼠給藥兩次，結(jié)果表明與游離甲氨

8、蝶呤相比，樹突狀大分子共軛甲氨蝶呤明顯的降低毒副作用和延長小鼠存活時間。目前，常用化療藥物投遞的納米載體材料包括陶瓷、聚合物、脂類和金屬。納米技術(shù)迅速發(fā)展克服傳統(tǒng)化療藥物的幾個局限性如嚴重毒副作用、腫瘤非選擇性和半衰期短。如今納米化療藥物已經(jīng)成為癌癥治療的獨特療法。2.2 免疫治療法近年來，癌癥疫苗和腫瘤免疫療法是一種很潛力的腫瘤治療策略，它通過刺激或激活患者自身的免疫系統(tǒng)識別腫瘤細胞并摧毀癌細胞。腫瘤免疫過程包括幾個關(guān)鍵步驟：先是從腫瘤細胞處釋放抗原，然后被抗原呈遞細胞呈遞腫瘤抗原激活T細胞，最后效應(yīng)T細胞遷移腫瘤處識別和殺死癌細胞（如圖3.5）。癌癥疫苗是在患者體內(nèi)預(yù)先形成抗腫瘤特異性效應(yīng)

9、T細胞的方法，這可能是作為一種癌癥預(yù)防方法或促進免疫系統(tǒng)消除腫瘤的治療手段。TraFlcklnfi：of1celsCatuimmCand>ndintKklvrg;ofcannsEl*-linmurii?ojiiw圖3.5癌癥免疫治療周期與腫瘤傳統(tǒng)治療法相比，腫瘤免疫治療法有著明顯優(yōu)勢:（1）特異靶向腫瘤細胞并殺死癌細胞，對健康細胞的損傷非常??；（2）系統(tǒng)性免疫治療可以殺死轉(zhuǎn)移性腫瘤細胞；（3）形成免疫記憶可以時刻提醒免疫系統(tǒng)并提供長期保護和防止腫瘤復(fù)發(fā)。在過去的幾十年中，癌癥免疫療法取得了重大進展，然而由于傳統(tǒng)投遞系統(tǒng)的安全性限制和腫瘤微環(huán)境的復(fù)雜性，腫瘤免疫治療在臨床試驗中尚未取得成功

10、。近年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，為腫瘤免疫治療應(yīng)用于臨床提供的機會。多功能納米載體用于腫瘤免疫治療具有許多優(yōu)點，如將免疫激活劑靶向遞送至免疫細胞、共同遞送多種免疫治療劑和減少患者不良反應(yīng)。Rosalia等人開發(fā)用PLGA包封OVA、Pam3Csk4和多聚胞嘧啶后再連接抗CD40形成納米顆粒（NPs-CD40）。NPs-CD40在皮下注射后被選擇性地遞送至體內(nèi)DCs細胞中，從而激活效應(yīng)T細胞去殺死腫瘤細胞實現(xiàn)腫瘤免疫治療。Parkken等人模擬APC和T細胞之間的膜相互作用，他們開發(fā)模擬APC細胞的脂質(zhì)體（aAPC）,其中MHCII肽允許在脂質(zhì)體中自由移動。實驗結(jié)果顯示aAPCs誘導(dǎo)5.4%CD4

11、+T細胞激活，而對照組的小鼠僅有0.7%CD4+T細胞激活。因此，通過aAPCs可以激活免疫系統(tǒng)實現(xiàn)腫瘤免疫治療。外源性抗原通過MHCII呈遞途徑會優(yōu)先被內(nèi)體/溶酶體降解，而內(nèi)源性抗原通過MHCI誘導(dǎo)強烈CD8+T細胞應(yīng)答而發(fā)生毒副作用性。pH依賴性納米顆粒提供了一種通用方法來呈遞抗原增強系統(tǒng)免疫應(yīng)答?；诰?二甲基氨基乙基pH敏感（甲基丙烯酸酯-共-吡啶基二硫化物乙基甲基丙烯酸酯）-嵌段-（甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯-甲基丙烯酸丁酯-共-丙烯酸）膠束被用于共同投遞OVA和聚CpG，該聚合物膠束大小為23nm。實驗結(jié)果顯示在皮下注射該膠束后引發(fā)CD8+T細胞增殖，還可以改善TH1的免疫反應(yīng)。這項

12、工作表明了pH響應(yīng)性膠束可以提供一個有效的抗原遞送平臺。盡管腫瘤免疫治療法是一種很有前景的腫瘤治療手段，但是腫瘤免疫療法面臨很多挑戰(zhàn)。像許多新興技術(shù)一樣，早期的免疫治療費用很高昂，如T-VEC平均每次治療費用為65,000美元，這不僅會給患者帶來巨大的經(jīng)濟壓力，而且還會給醫(yī)療保健機構(gòu)帶來巨大的經(jīng)濟壓力。設(shè)計一個低毒性、高特異性、長期有效載荷和高生物利用度的遞送系統(tǒng)在臨床上仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。想要這項工程取得成功需要材料科學(xué)家、生物工程師、制藥科學(xué)家、化學(xué)家、免疫學(xué)家、疫苗學(xué)家和臨床醫(yī)生緊密合作。2.3 基因治療法基因治療已被廣泛認為是治療獲得性和遺傳性疾病的有效方法,如免疫缺陷綜合癥、慢性肉芽腫

13、病和血友病。它被認為替代傳統(tǒng)化療的治療手段。雖然基因治療具有很大的潛力，但是仍然存在許多困難需要克服。例如，未經(jīng)修改的基因藥物會快速被機體清除和被核酸酶降解，導(dǎo)致基因藥物在血液中半衰期短，如干擾RNA的半衰期只有5-60分鐘，裸露DNA的半衰期不到10分鐘。此外，基因藥物還缺乏靶器官特異性分布和低細胞攝取效率。基因藥物經(jīng)過一定修飾如摻入靶向配體和使用物理遞送系統(tǒng)（如流體動力注射）可以克服一些局限性，雖然一定程度提高遞送效率和靶標(biāo)特異性，但是其基因藥物的治療效果仍然不佳。近年來，納米技術(shù)發(fā)展為解決基因藥物的缺點帶來希望。由于納米粒子的尺寸效應(yīng)（一般是1-100nm），納米顆粒能夠延長循環(huán)時間并穿

14、透許多生理障礙。還有納米粒子的表體積比例大有利于修飾新功能官能團從而控制基因藥物的代謝動力學(xué)、生物分布和釋放。因此，納米粒子是一個有效的基因傳遞載體.牛物相容性的納米晶體和聚合物納米載體，特別是涂有親水聚合物如聚乙二醇納米載體，由干長血循環(huán)時間和高靶器官特異性分布而受到關(guān)注。Gao等人設(shè)計DNA模板化的CdS納米晶體用于投遞基因藥物。因為納米晶體對DNA分子的電荷有協(xié)同作用，所以其基因負載率高達32%。Chowdhury等人發(fā)現(xiàn)磷灰石納米晶體表面可吸附DNA分子，因而它可用于靶向投遞基因藥物。通過唾液酸胎球蛋白與唾液酸蛋白受體（ASGPr）特異相互作用成功地將DNA/納米晶體復(fù)合物輸送到肝組織

15、中。含有帶正電荷氨基酸的堿性肽與DNA帶負電荷的磷酸主鏈相互作用形成肽/DNA納米粒子。有研究結(jié)果表明帶正電荷的肽/DNA納米粒子促進細胞內(nèi)吞作用進而克服細胞膜障礙。此外，多肽的兩親性有利于它們在酸性環(huán)境中的構(gòu)象變化以逃避溶酶體清除，特別是核基因藥物的投遞。目前在臨床基因藥物進展還有遇到誘導(dǎo)免疫反應(yīng)障礙，納米粒子的高表體面積吸附一些功能性分子如PEG可以減少免疫反應(yīng)，同時還可以增加血液循環(huán)時間。盡管納米技術(shù)發(fā)展大大促進基因治療的臨床應(yīng)用步伐，但是由于納米顆粒的本身變化、身體的復(fù)雜性和納米載體的毒副作用仍然是我們面臨嚴重的挑戰(zhàn)。2.4 光熱治療光熱療法（PTT）指光敏劑在光照射下產(chǎn)生熱量以進行熱

16、消融治療。與傳統(tǒng)治療方法相比，PTT在癌癥治療中表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢如高特異性、非侵入性和精確時空選擇性。PTT不僅直接根除原發(fā)腫瘤或局部轉(zhuǎn)移到淋巴結(jié)中的癌細胞，而且可以與其它腫瘤治療手段聯(lián)合使用。PTT的治療效果取決于具有光轉(zhuǎn)換熱的光敏劑。研究人員利用腫瘤的特性如高表達某些蛋白受體（如葉酸受體）或腫瘤的EPR效應(yīng)提高光敏劑在腫瘤內(nèi)的積累從而提高PTT的治療效果。其中制備納米光敏劑是提高PTT的治療效果一個非常好的方法。目前，納米光敏劑主要包括貴金屬納米材料、納米碳、過渡金屬硫化物/氧化物納米材料和有機物納米材料。影像引導(dǎo)腫瘤治療可以確保光熱治療過程中的安全性和有效性。目前，X射線計算機斷層掃描成

17、像、光聲成像和磁共振成像等成像模式已被應(yīng)用于影像指導(dǎo)腫瘤光熱治療。例如，總所周知淋巴轉(zhuǎn)移是癌細胞擴散的一個重要途徑，并且原發(fā)性腫瘤附近淋巴結(jié)通常是早期轉(zhuǎn)移癌細胞的宿主。磁共振成像、PET成像和熒光成像等影像模態(tài)可以識別淋巴結(jié)的位置以及引導(dǎo)PTT治療。因為單壁碳納米管（SWNTs）具有強烈的近紅外光吸收和高效的光熱轉(zhuǎn)換率，所以它常被用于腫瘤的光熱治療。Zhou等人系統(tǒng)性研究SWNTs的光熱特性并成功開發(fā)葉酸共軛的SWNTs有效地靶向到腫瘤細胞。實驗結(jié)果表明葉酸與SWNTs結(jié)合提高腫瘤的光熱消融效果。因此，結(jié)合腫瘤標(biāo)志物的SWNTs是個有效的納米光敏劑。二維石墨烯作為一種新型材料并已廣泛應(yīng)用于生物

18、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。功能化石墨烯在生理環(huán)境中表現(xiàn)出高溶解性和穩(wěn)定性，因而它被廣泛應(yīng)用于藥物輸送系統(tǒng)和腫瘤治療。石墨烯具有強烈的近紅外光吸收，這使它成為腫瘤光熱治療的納米光敏劑一個成員。Yang等人將支化PEG吸附在石墨烯氧化物片上從而開發(fā)了PEG功能化納米石墨烯片（NGS）。研究結(jié)果表明NGS-PEG表現(xiàn)出強烈的近紅外光吸收和高效光熱轉(zhuǎn)換效率，并且通過組織學(xué)和血液細胞分析NGS-PEG沒有明顯的毒副作用。這些結(jié)果說明NGS-PEG是一個無毒的、優(yōu)良的納米光敏劑。近年來，已有許多有機染料用于近紅外熒光成像和腫瘤光熱治療，這歸因于這些近紅外熒光有機染料在近紅外區(qū)域有強烈的光吸收和高效的光熱轉(zhuǎn)換率。然而這些有

19、機近紅外熒光染料存在一些缺點如水溶性低、體內(nèi)快速清除和熱穩(wěn)定性差而限制近紅外有機染料直接用于腫瘤光熱治療。對此，科學(xué)家設(shè)計含近紅外有機染料的納米顆粒來改善這些缺點。在眾多近紅外有機染料中，ICG是最常用的光敏劑之一,它還被美國食品部批準(zhǔn)和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)臨床使用。目前很多研究人員成功開發(fā)出比游離ICG具有更穩(wěn)定性和更高效腫瘤消融效果的含ICG納米光敏劑。Jian等人將兩親性二嵌段共聚物（乳酸乙醇酸）-b-聚（乙二醇）（PLGA-b-PEG）通過疏水性靜電吸附ICG分子從而形成納米光敏劑。實驗結(jié)果顯示與游離ICG相比，納米光敏劑具有更高效的腫瘤光熱消融功效。2.5 光動力治療自1975年

20、來，光動力療法（PDT）已成為疾病局部特異性治療的一種手段，它是通過光敏劑在某一波長的光照射下，將光能轉(zhuǎn)移到分子氧從而產(chǎn)生活性氧（R0S）如單線態(tài)氧（102）對細胞產(chǎn)生殺傷毒性。因此，光敏劑被認為在光動力治療中的關(guān)鍵要素。光敏劑按化學(xué)結(jié)構(gòu)和來源分為三大類：（i）基于卟啉的光敏劑，如Photofrin、ALA、PpIX和BPD-MA；（ii）基于葉綠素的光敏劑，如二氫卟酚、紫嘌吟和菌綠素：（iii）有機染料，如酞菁、酞菁。目前大多數(shù)被批準(zhǔn)為臨床使用的光敏劑屬于卟啉家族。在20世紀(jì)70年代和80年代初期開發(fā)的卟啉光敏劑被稱為第一代光敏劑（如光敏素）；自20世紀(jì)80年代后期以來研發(fā)的卟啉衍生物或有機

21、合成物被稱為第二代光敏劑（如ALA）；第三代光敏劑通常指的是用化合物修飾過復(fù)合光敏劑如抗體偶聯(lián)物、脂質(zhì)體結(jié)合物。科學(xué)家利用腫瘤細胞固有特征如特異性表面抗原、高表達低密度脂蛋白（LDL）受體和氧化狀態(tài)增加光敏劑在腫瘤內(nèi)的選擇性積累從而提高PDT的治療效果。其中制備納米光敏劑是提高PDT的治療效果一個很有前景的方法，主要原因如下：（1）納米光敏劑的大表體面積可以用功能化基團修飾增強其生化功能:（2）由于納米尺寸效應(yīng)增加細胞對光敏劑攝取效率；（3）可以實現(xiàn)對光敏劑定時定點的控制釋放；（4）納米載體可以攜帶疏水性光敏劑從而提高光敏劑的生物相容性；（5）由于EPR效應(yīng)增加納米光敏劑在腫瘤處的選擇性積累。最近，Taratula等人將疏水性硅基酞菁（PcSi）封裝到PP