一种无创性肿瘤治疗新方法：基于纳米医学的光热治疗
光热治疗（photothermal therapy，PTT），将光能转变为热能杀伤肿瘤细胞的一种无创性肿瘤治疗新方法。
癌症作为全球主要的死亡原因之一，严重威胁着人类的生命安全。传统的治疗方式包括手术切除、放疗和化疗，但禁忌症多、不良反应严重等局限性不能显著改善患者的生存质量，因此迫切需要适用范围广、不良反应小的治疗方式。
近年来，凭借着科研人员的不断努力，光热治疗这种基于纳米医学的肿瘤治疗方式逐渐进入人们的视野。
一、光热治疗（PTT）
光热治疗（photothermal therapy，PTT）是利用光热转换剂（photothermal agent，PTA），在近红外光（near-infrared，NIR）等外部光源照射下，将光能转变为热能杀伤肿瘤细胞的一种无创性肿瘤治疗新方法。
PTA在NIR照射下会吸收光子的能量，并从基态单重态活化为激发单重态，随后电子激发的能量经历一种非辐射形式的衰变-振动弛豫，通过PTA与周围分子之间的碰撞返回基态，增加的动能则使周围微环境升温，从而产生热效应[2]。当组织温度升至41°时，机体会启动热休克反应产生热休克蛋白（heat shock proteins，HSPs），以抵抗初始的热损伤效应[3]。温度升至42°时，组织会发生不可逆性的损伤；温度维持42°～46° 10 min则可引起细胞坏死；温度继续升高至46°～52°时，细胞会因为微血管血栓形成缺血而迅速死亡；若组织温度>60°，蛋白质变性和包膜破坏会瞬时引起细胞死亡[4]。
光热治疗（photothermal therapy，PTT）作为一种非侵入性的治疗方法，PTT具有不良反应小、特异性高、可重复治疗等优点[5]，与肿瘤传统的治疗方式相比展现出了显著的优越性。
PTT目前按温度可分为传统的光热治疗（≥45°）和近年来应用愈加广泛的温和光热治疗（mild photothermal therapy，MPTT）（<45°）。传统PTT温度相对较高，对肿瘤组织杀伤能力更强，但对正常组织的损伤也更强；相比之下，MPTT虽对正常组织的损伤较小，但相应的杀伤能力也更低，目前多将其作为一种调控机制使用，并非直接用于杀伤肿瘤组织。无论是实现PTT还是MPTT，均离不开重要的中间载体—光热转换剂，其生物安全性、光热转换效率等特性均直接影响PTT/MPTT的治疗效果。
二、光热转换剂（PTA）
光热治疗的核心是PTA，在近红外光等外部光源的照射下，其可将光能转变为热能，进而杀伤肿瘤细胞。目前，关于光热转换剂的研究众多，各种新型材料频出，但主要集中在纳米级材料上，大致可分为无机PTA与有机PTA。
影响PTA发挥作用的因素众多，包括光吸收波长、尺寸大小、材料形状及表面修饰等。虽无机PTA和有机PTA光吸收最大波长受到材料及其表面修饰的影响，但主要集中在近红外光区（500～900 nm）。PTA的大小同样受到材料形状及表面修饰的影响，PTA尺寸越大产生光热转换效率越高，但所带来的穿透性降低及更高的异物毒性限制其使用。目前所使用的纳米粒的最大直径为50～300 nm。不同的材料形状和表面修饰虽会给纳米粒带来不同的特性，但平衡其与纳米粒尺寸之间的利弊至关重要。
无机PTA有稳定性高和光热转换效率强等优势，主要包括贵金属、碳基和过渡金属三类；
有机PTA具有生物安全性良好与可降解性等优点，主要包括菁类、卟啉和聚合物纳米颗粒等。
（一）无机PTA
1. 贵金属PTA
贵金属PTA主要包括金（Au）、钯（Pd）等。金纳米结构由于其理想的生物相容性和强烈的局部表面等离子体共振（localized surface plasmon resonance，LSPR）效应而受到广泛关注[6]。
常见的金纳米结构包括：纳米粒、纳米棒、纳米壳、纳米笼、纳米星等，且不同的外形结构有着不同的光热转换效率。Pakravan等[7]研究表明金纳米粒子的升温效能取决于多种因素，包括几何形状和光吸收效率等，其中具有非均质几何结构的纳米粒，如纳米星和空心纳米粒，相较于其他几种结构具有更强的光热转换效率。
近年来，纳米医学快速发展，基于金纳米结构衍生的多功能复合物层出不穷。另有研究者通过在金纳米粒表面引入单链DNA和细胞色素c的混合层，合成了具有pH响应特性的金纳米粒复合物，通过pH值诱导的粒子间静电相互作用使此复合物可逆性的聚集或分解，提供了肿瘤治疗靶向性的另一种策略[8]。Qin等[9]成功合成了一种尺寸相对较小（35 nm）、吸光度锁定在532 nm的微空心金-银纳米笼，有效地增强了肿瘤周围血管光声成像的性能。
综上所述，金纳米及其衍生物具有良好的光热转换效率及多功能性，可作为一种非常有前景的光热转换剂，但高额的成本同时也限制了其在临床诊疗上的进一步应用。
2. 碳基PTA
碳基PTA是第二类基于无机纳米材料的光热剂，主要包括碳纳米管（CNT）、石墨烯（GE）、氧化石墨烯（GO）、碳量子点（CQDs）等。
CNT重量轻、热传导率高，能够吸收近红外光并有效地将光能转化为热能，可用于肿瘤的消融治疗[10-11]。GE为一种纳米尺寸的二维结构，具有良好的生物相容性，因其表面可调节的化学性质可合成多种复合物，已被广泛应用于肿瘤的光热治疗与靶向给药[12]。Zhang等[13]以GO纳米片为载体，制备了氧化石墨烯-己二酸二酰肼-透明质酸-甲氨蝶呤（GO-ADH-HA-MTX）复合物，此复合物具有极强的靶向性（增强渗透与滞留效应的被动靶向和CD44介导的双重靶向机制）和基于石墨烯高NIR吸收率良好的光热效应，在肿瘤治疗中取得了显著的疗效。另有研究通过化学共沉淀法在GO上沉淀Fe3O4磁性纳米粒制备了磁性氧化石墨烯（MGO），并用聚乙二醇（PEG）和西妥昔单抗（CET）修饰MGO获得MGO-PEG-CET复合体，配合光热治疗可有效杀伤恶性CT-26小鼠结肠癌细胞[14]。由此可见碳基材料及其衍生物在肿瘤光热治疗方面具有非常可观的应用前景。
近年来，碳基材料复合贵金属材料不断地研发。常采用原位法或非原位法将GO涂覆在AuNRs的表面，获得的GO-AuNRs复合物具有更强的生物相容性与光热特性，但GO与AuNRs之间的微弱作用导致AuNRs表面GO不均匀分布的问题有待进一步解决[15]。
3. 过渡金属PTA
除了贵金属与碳基PTA外，无机PTA还包括过渡金属PTA。过渡金属PTA具有稳定的光热性能、制备简单、易于功能化和价格低廉等优点[16]，主要包括金属硫化物和金属氧化物。Ariyasu等[17]将二硫化钼（MoS2）与肽基抑制分子整合在一起，通过阻断热休克蛋白的功能，将光热治疗的效果提高了5倍。另有研究表明具有较小直径和表面聚乙二醇化的纳米片会展现出更强的光热转换效率，Wang等[18]通过使用聚乙二醇介导溶剂热法合成的聚乙二醇化MoS2纳米片验证了此观点。Zhang等[19]开发了一种简便的水溶性路线，成功制备了具有水溶性、生物相容性和高NIR吸收率特点的超小型全能Cu2-xSe纳米粒，且此Cu2-xSe纳米粒还可用于光声成像（PA）、计算机断层成像（CT）、单光子发射计算机断层扫描（SPECT）成像，从而构建了基于光热治疗的多模式成像引导下癌症诊疗一体化平台。
（二）有机PTA
尽管无机PTA通常表现出良好的吸收特性、优异的光热转换效率和较高的稳定性，但缺乏的生物降解性和潜在的长期毒性也阻碍了其在临床中有效的应用[20]。相比之下，具有高光热转换效率的同时具有更高的安全性使得有机PTA的应用具有巨大潜力。
有机PTA主要包括菁类、卟啉和聚合物纳米颗粒等。
吲哚菁绿（ICG）作为菁类的典型代表已被广泛研究。Hirohashi等[21]使用输出功率为500 mW、波长为808 nm的激光照射接种肺癌细胞的新西兰白兔15 min，结果显示注射ICG的白兔组肿瘤局部最高温度比单用激光照射的白兔组高18℃，表明ICG可有效将光能转化为热能。ICG的修饰方式同样是个值得探讨的问题，静脉注射游离的ICG有着生物环境稳定性差和快速被人体清除等缺点，而物理包装的ICG也存在着载药量低、药物释放突然与药物在血液循环中流失等缺陷[22]，相比之下，化学修饰的ICG展现出了一定的优势。Hu等[23]通过疏水连接剂6-氨基己酸（ACA）和氨基末端聚乙二醇（mPEG-NH2）对合成的七甲川菁衍生物ICG-COOH进行修饰，构建了一种新型的两亲性mPEG-ACA-ICG复合物。由于分子内引入了疏水性ACA片段，mPEG-ACA-ICG纳米胶束与游离的ICG和mPEG-ICG相比在NIR下表现出了更好的稳定性与更高的光热转换效率，最大的肿瘤抑制率达72.6％，同时在异种移植瘤小鼠模型上也证实了mPEG-ACA-ICG的荧光图像引导手术实时测定能力。
卟啉因其较大的消光系数主要被用于光动力治疗（photodynamic therapy，PDT），直至2011年Lovell等[24]首次报道了卟啉可用于肿瘤的光热治疗。随后卟啉及其衍生物用于光热治疗得到了快速的发展。为了克服大部分卟啉及其衍生物水溶性差和光稳定性不足等缺点，Wu等[25]将二酮吡咯（DPP）作为电子受体与卟啉共轭形成了受体-配体分子（Por-DPP），通过再沉淀法，Por-DPP可在不添加辅助试剂的情况下自发组装成纳米粒。Por-DPP纳米颗粒在水溶液中分散良好，表现出较高的光热转换效率，有效解决了卟啉单体及大部分卟啉衍生物上述提到的问题。
半导体聚合纳米颗粒（SPN）是由半导体聚合物（SPs）转化而来的一类新型有机光学纳米材料。与半导体无机纳米颗粒相比，SPN具有良好的生物相容性和与尺寸无关的光学性质，但其在活体中存在的长期生物安全性问题有待进一步研究[26]。
综上所述，不同类型的PTA均有着独特的优势，尽管对肿瘤的治疗都有一定的效果，但单一的PTT疗法仍具有许多缺陷，与其他策略相结合可发挥出更大的疗效。
三、PTT的联合治疗
PTT作为一种新型的肿瘤治疗方式具有非侵入性、不良反应小和靶向性高等优点，在肿瘤治疗的发展中具有极大的潜力。但PTT的单一使用同样面临着不能完全杀死整个肿瘤组织、对周围正常组织的损伤及光热材料生物安全性等问题。为了解决PTT单一疗法的局限性，一系列基于PTT的联合治疗得到了广泛的研究，其中主要包括化疗、光动力治疗、基因治疗与免疫治疗。
（一）PTT联合化疗
化疗作为肿瘤治疗的传统方式之一在临床上被广泛应用，但由于肿瘤局部药物浓度不足、不良反应严重和耐药等问题受到限制。载化疗药的纳米材料可通过增强渗透和保留效应（enhanced permeability and retention effect，EPR）的被动靶向或通过表面结合分子的主动靶向有效解决上述问题，且光热治疗时局部升温也可提高细胞膜的通透性和药物的细胞毒性，实现“1＋1>2”的疗效[27]。Pan等[28]以牛血清白蛋白（BSA）为稳定剂，采用乳液法制备了同时负载IR780和紫杉醇（PTX）且被促黄体生成素释放激素（LHRH）肽修饰的聚己酸内酯（PCL）纳米粒。在ST30异种移植卵巢癌小鼠的实验中，PCL-LHRH/IR780-PTX组相较于生理盐水对照组仅表现出了轻微的抑制肿瘤生长作用，抑制率仅17.8%，可能与ST30异种移植肿瘤的耐药性和PTX局部相对缓慢释放有关；而PCL-LHRH/IR780-PTX＋Light组则表现出了极强的抑制作用，抑制率达100%。类似的，Lee等[29]合成了一种聚[2-（N，N-二甲氨基）甲基丙烯酸乙酯]-聚己内酯（PDMA-PCL）胶束模板金纳米壳（GNS），并搭载了奥沙利铂活性代谢物二氯（1，2二氨基环己烷）铂（Ⅱ）（DACHPt）。在HT29荷瘤小鼠的实验中，GNS组肿瘤局部温度在10 min辐照后达至47.9℃，高于非GNS组的36.9℃；尽管PTT治疗组在NIR照射后立即显现出了对肿瘤的抑制作用，但约14天后肿瘤又再次开始生长。相比之下，化疗联合光热组展现出了最好的抗肿瘤疗效，治疗2天后肿瘤部位开始形成疤痕，约1周后疤痕脱落且皮肤开始愈合，在实验结束阶段也未发现肿瘤复发的迹象。由此可见化疗和光热治疗的单一使用均有一定的缺陷，二者联合即可使疗效最大化。
（二）PTT联合光动力治疗
PDT同PTT一样也是一种非侵入性治疗方式，起初大多用于皮肤疾病，主要依靠光敏剂在光源照射下产生的活性氧（ROS）所诱导的细胞毒性发挥作用[2]。有研究称PTT可通过增加细胞对氯e6（Ce6）的吸收从而增强PDT的疗效[30]。Chuang等[31-32]成功合成了同时搭载用于PPT的Au和用于PDT的Ce6纳米复合物，且在体内和体外实验证明了PPT联合PDT的疗效大于二者的单一使用。类似的，Ashkbar等[33]制备了热敏剂Fe3O4和光敏剂姜黄素（CUR）纳米复合物，先后使用450 nm、808 nm波长的激光照射以产生ROS和热疗作用于Balb/c小鼠三阴性乳腺癌模型，在治疗的最后1天肿瘤体积与初始体积相比减少了27%，显著优于PTT与PDT的单独使用。Huang等[34]利用PTT联合PDT治疗时肿瘤缺氧的微环境，搭载一种缺氧激活的化疗药替拉扎明（TPZ），构建了集热敏剂聚多巴胺（PDA）、光敏剂ICG和化疗剂TPZ为一体的纳米平台（PDA-ICG-TPZ NPs），实现了光热、光动力和化疗三者的协同治疗，在对皮下U87MG细胞系肿瘤和原位B16F10细胞系肿瘤治疗中获得了显著的抑制效果。
（三）PTT联合基因治疗
基因治疗旨在通过纠正或补偿缺陷和异常的基因从根本上治疗疾病，并非简单地缓解疾病的症状。早期由于没有理想的载体，基因治疗的发展一直受到限制，近年来快速发展的纳米材料带动了基因治疗的快速进步。光热效应在杀伤肿瘤细胞的同时，能够通过破坏连接基因与纳米材料之间的化学键促进基因释放[35]。Liu等[36]将小干扰RNG（small interfering RNA，siRNA）与金纳米棒（GNR）组装，并搭载半乳糖（GAL）制备了一种GAL-GNR-siBRAF纳米复合物，GAL用于靶向识别肝癌细胞，GNR在NIR下可产生光热效应，siBRAF用于沉默BRAF基因从而阻断RAF/MEK/ERK信号通路抑制肝癌细胞的增长与转移。实验结果显示，GAL-GNR纳米载体可保护siRNA不被血清降解，有效减少了肝癌细胞的侵袭和迁移，联合光热效应表现出了最强的肿瘤抑制作用。Jia等[37]首次将rGO/AuNS作为光热和基因治疗的骨架用于胰腺癌的协同治疗，并搭载了KrasⅠ（K-Ras基因抑制剂），同时在表面包覆脂质双层以提高稳定性、生物相容性和光热性能，实现了光声和光热双模式成像引导的基因/PPT协同治疗。结果表明，基因/PPT协同治疗不仅对胰腺癌有着显著的疗效，同时还展现出对胰腺癌肝转移的抑制作用。
（四）PTT联合免疫治疗
肿瘤免疫疗法能够激活人体自身的防御系统来识别、攻击和消灭肿瘤细胞，是近年来研究的热点。有报道称肿瘤的热效应可以释放肿瘤相关抗原（tumor-associated antigens, TAAs），上述TAA可被树突状细胞（dendritic cells，DCs）识别，并在免疫佐剂的帮助下呈递给T细胞受体，激活免疫反应[38]。与常规的PTT高温直接杀死肿瘤细胞不同，Huang等[39]采用MPTT作为一种调控机制用于肿瘤的免疫治疗。MPTT可通过激活全身的免疫反应，增加肿瘤T细胞浸润改变肿瘤的微环境，将“冷”肿瘤转为“热”肿瘤，从而增强抗PD-L1抗体（aPD-L1）对免疫检查点阻断（immune checkpoint blockade，ICB）的疗效；且通过IR820在NIR诱导下产生的热效应调节包装aPD-L1脂质凝胶（LG）的可逆性相变，达到aPD-L1可控的剂量释放，实现了根据肿瘤患者的需求不同剂量不同的个体化治疗。结果显示，不仅原位肿瘤的体积明显缩小，且远处4T1肿瘤的生长也受到了显著抑制。Nicolas-Boluda等[40]同样从改变肿瘤微环境着手，以金修饰的氧化铁纳米花（GIONF）作为PTA进行研究。令人意外的是，仅GIONFs的单独作用即可改变骨髓源性巨噬细胞的表型及其细胞因子的分泌，检测发现肿瘤微环境内M1型巨噬细胞相较对照组显著增多，且使PD-L1+巨噬细胞减少15%。在GIONFs联合MPTT后的第1天内，所分析的免疫细胞群中均未发现显著差异；但在第13天观察长期反应时，可发现CD8+T细胞尤其是毒性CD8+/GrzmB+T细胞和诱导巨噬细胞向M1型分化的IFN-γ炎症细胞因子均显著增多，使微环境向着免疫治疗有益的方向发展。由此可看出，MPTT作为PTT的一个分支可在肿瘤免疫与微环境中发挥巨大作用，虽不能像PTT那样直接使肿瘤体积减小，但能通过改变肿瘤细胞生长与转移的“土壤”抑制其进展，为肿瘤的免疫治疗提供了一种新策略。
结语与展望
作为一种新兴的肿瘤治疗方法，PTT在癌症临床应用中展现出了巨大潜力，近年来快速发展的纳米医学也使得PTT的应用更加高效与广泛，多数基于不同PTA的PTT研究均取得了良好的成果。然而，尽管不同类型的PTA展现出了独特的优势，但一种集成本低廉、水溶性良好、生物安全性强、光热转换效率高等众多优势为一体的光热材料有待被挖掘。
此外，PTT与传统治疗方式相比虽具有不良作用小、靶向性强等优势，但同样有肿瘤消除不彻底、复发率高、对远处病灶无效等缺点，且对正常组织的热损伤一直是难以解决的问题，如何平衡杀伤效率和正常组织保护能力一直困扰着研究人员，虽MPTT相较之下对正常组织损伤更小、安全性更高，但目前对MPTT的报道有限，其进一步应用有待研究。其他疗法的联合应用可一定程度上解决单一PTT面临的上述问题，但也应首先充分探索这些治疗方法的协同效应，而不是不同治疗方法的简单组合，如将更多的药物等成分载入纳米系统，可能会影响PTA的治疗效果，且其中联合的内在机制也有待完善。
在本文提到的治疗方式中，PTT联合基因治疗与免疫治疗展现出了较大的潜力，其不仅能抑制肿瘤的原位生长，而且有利于降低肿瘤的复发和转移。相信随着纳米医学的蓬勃发展，PTT现有的问题会进一步得到解决，PTT的应用也会获得更加宽广的平台。
引用本文: 何祥, 荆慧. 基于纳米医学的光热治疗在肿瘤治疗中的研究进展[J]. 中国肿瘤临床, 2022, 49(8): 422-427. doi: 10.12354/j.issn.1000-8179.2022.20211687
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