第五章　分子影像與診療一體化

第一節　概 述

癌癥一直是影響人類健康和壽命的最主要疾病之一，傳統的診療模式是采取先診斷后治療的方式，可能耽誤最佳治療時間，在治療過程中也不能實時監測治療效果、需要多次給藥，對患者可能產生較大的毒副作用、體內清除障礙等。因而實現同時診斷與治療是臨床腫瘤學發展的必然趨勢。2002年Funkhouser提出了治療診斷一體化（theranostics）的概念，定義為結合治療和診斷于一體，為人類疾病特別是癌癥等重癥疾病的診療提供了一種全新的思路和方法，推動現代醫學由傳統診斷和治療向個體化醫療轉變，以分子水平的診斷為基礎，獲得疾病的精確信息，根據每個患者的具體情況施行個體化用藥，將減少不必要的副作用，產生更好的治療效果。

由于納米顆粒獨特的物理、化學及生物學性質，其表面易于修飾和連接各種功能基團，使其成為診療一體化制劑的主要載體，一般由納米顆粒、診斷成像域、治療劑和靶向配體共同構成具有靶向性、診斷、治療作用的多功能納米復合物（圖5-1），實現對腫瘤組織和細胞的靶向成像與治療，可在治療開始前確定疾病性質、表型并進行分期，指導治療方法的選擇和劑量的確定、預測治療反應和評估治療效果。理想的納米載體要求可以保護藥物防止降解、通過靜脈注射給藥、防止調理作用（延長循環半衰期）、可控制生物分布、藥代動力學和藥效學、易于清除；在納米顆粒設計上要將藥物包裝在載體內、大小＜ 200nm、表面被覆親水聚合物（如PEG、右旋糖酐、聚左旋谷氨酸等）、引入靶向部件（如抗體、多肽、糖類等）、使用具有生物相容性和可生物降解的材料。下面從納米顆粒的選擇、靶向機制、治療劑（方法）和顯像模式的選擇幾個方面進行介紹。

從示意圖可見基于多功能納米顆粒建立的診斷治療一體化設計方案主要包含3個方面的要素：①針對某種疾病特異性表達的標志物選擇相應的抗體、多肽、小分子、核酸適配體等，修飾在納米顆粒表面使該納米復合物具有特異靶向性；該部分是腫瘤診斷和治療的關鍵分子識別單元，其靶向性和親和性決定了診斷和治療效果；②在納米復合物核內包裝化療藥物，或在其表面連接各種治療劑，可使該納米復合物用作投遞藥物的載體，達到治療目的；③在納米復合物表面連接各種顯像模式的特異性分子探針，可將該納米復合物用于相應的顯像診斷，起到診斷、監測藥物投遞、評估治療反應和監測治療效果的作用。

某些納米顆粒平臺本身具有多功能性，如金納米顆?？捎糜诠鉄嶂委?、光聲顯像、CT顯像、拉曼顯像等；某些放射性核素如¹³¹I、¹⁷⁷Lu等同時具有顯像和治療作用。

第二節　納米顆粒的理化性質

納米顆粒的理化性質如大小、形狀、組成、電荷、疏水/親水性和表面化學特性在決定腫瘤細胞成功攝取和相互作用中起著非常重要的作用。

一、納米顆粒的大小

納米顆粒的大小在細胞攝取過程中起主要作用。一般要求顆粒直徑小于150nm，在體內高度穩定、分布均勻、納米顆粒易于修飾以便連接顯像劑、治療劑和靶向元件。研究發現，40～50nm大小的顆粒在體外具有最大攝取，用于治療癌癥的顆粒大小為10～100nm，小于10nm的顆?？赏ㄟ^腎臟腎小球濾過清除，較大的顆粒則通過肝臟庫普弗細胞和脾臟單核-吞噬細胞系統清除。70～200nm的顆粒被動聚集至實體腫瘤，超過400nm的顆粒則認為太大。雖然已建立了納米顆粒大小的一般范圍，但也有相互矛盾的例子報道，每種納米顆粒和不同細胞之間的相互作用仍需要單獨研究。

二、納米顆粒形狀

納米顆粒的形狀在粒子與細胞相互作用中也起重要作用。粒子的對稱性決定體內運行的軌跡；能適應細胞膜包裹的形狀在細胞攝取時是最有效的，在棒形和球形之間，球形更容易被攝取。球體形狀對稱，力的分布是均衡的，在血液循環中位于血管中心。棒狀形狀不對稱，在血液循環中易受到阻力和變力矩的作用導致顆粒運動和方向改變而聚集在血管壁上。顆粒形狀對循環時間和生物分布也起重要作用，與非球形顆粒相比，球形顆粒的循環時間較短。金納米材料被用于光熱治療，不同形狀的金納米顆粒的治療效果也存在差異，Bhatia等課題組報道了PEG修飾的金納米棒具有高于金納米殼6倍的光熱轉換效率和較長的血液循環時間，并能在活體水平有效治療腫瘤。

三、納米顆粒電荷極性與親水性

納米顆粒表面的電荷對粒子在循環中是否與感興趣的靶點結合或遭受非特異性結合起作用。陽離子納米顆粒會與細胞表面帶負電荷的蛋白質、聚糖、磷脂頭部結合，由于細胞結合增加使納米顆粒攝取增加。陽離子納米顆粒也具有較高的非特異性結合和較短的血液循環半衰期。陰離子顆粒與中性粒子相比攝取也較高。電荷也在攝取機制中起作用，帶正電荷顆粒被內化時以發動蛋白和F-激動蛋白依賴的方式，而帶負電荷的顆粒以發動蛋白依賴的方式起作用。

如果納米顆粒比結合的細胞表面具有更好的疏水性，則吸收增強，細胞表面吸附蛋白質的作用也增強。相反，親水性納米顆粒吸附蛋白質較少。因此，納米顆粒通常包被高度親水聚合物聚乙二醇（PEG），可減少細胞的非特異性攝取，減少血清中蛋白和其他生物分子的吸收，減少巨噬細胞的吞噬，使循環時間延長；另外，PEG的密度對癌癥治療起重要作用，高密度PEG和可卸載的PEG鏈是腫瘤靶向的關鍵。但PEG包裹的最佳條件，如包裹厚度、結構、鏈的長度尚未建立，是每種納米顆粒與細胞作用時需要研究的重要因素。

此外，細胞表面的修飾也是診斷治療一體化研究的重要內容之一，一般的靶向策略利用某種細胞表面受體的過度表達，在納米顆粒表面修飾能與這些受體特異性結合的分子以提高親和力，屬于主動靶向，其具體分類在后面的章節詳述。

第三節　納米顆粒的種類

可用于診斷治療一體化系統的納米顆粒主要包括有機納米顆粒、無機納米顆粒和混合性納米顆粒三類，其中有機系統包括脂質體、聚合物、樹枝狀大分子、聚合物膠束等；無機系統包括金、氧化鐵、上轉換納米顆粒、二氧化硅、基于銅和碳的納米顆粒等。

一、有機納米顆粒

從20世紀70年代至今，有機納米系統的發展經歷了從單純脂質體、表面修飾的功能化的脂質體、可生物降解的納米顆粒、功能化的聚合膠束、功能化的樹枝狀大分子到功能化的聚合物。

1.脂質體

是同心封閉的不溶于水的極性脂質雙層膜，自然中脂質體（liposome）是兩性分子，由疏水性尾部和親水性頭部自組裝形成雙層脂分子球形結構，直徑25～1 000nm不等。利用脂質體可以和細胞膜融合的特點，脂質體可用于轉基因和藥物投遞，具有許多優點：一是易于根據需要增加靶向配體修改表面性質、其大小可以精確地控制、可以穩定封裝和保護核內可溶性或不溶性的治療劑。FDA批準上市的常用脂質體藥物如柔紅霉素脂質體（DaunoXome^?）、阿霉素脂質體（Doxil^?、Caelyx^?）與傳統化療藥物相比療效高、毒副作用低。

2.聚合物

是由單體聚合成的納米球或膠囊聚合物（polymer），最常見的是聚乳酸/聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLA/PGLA）、嵌段共聚物和殼聚糖。PLA/PLGA具有良好的生物相容性，可降解，具有支架和緩釋雙重作用，應用范圍廣泛，已被美國FDA批準使用，可通過改變乳酸和羥基乙酸的比例合成不同的PLGA。PLA/PLGA可封裝疏水性和親水性藥物制成緩釋控制劑，使藥物靶向至感興趣區釋放。嵌段共聚物是將兩種或兩種以上性質不同的聚合物鏈段連在一起的一種特殊聚合物，具有兩親性，為新型控制藥物釋放的載體材料，尤其是對蛋白、多肽和難溶性藥物等。殼聚糖是半合成多糖，具有良好的生物相容性、生物降解性、便宜、安全等優點，由于其多價強陽離子特性，被廣泛用作多功能納米系統，特別是用于基因治療中投遞治療質粒和siRNA。

3.樹枝狀大分子

樹枝狀大分子（dendrimer）是由核心分子分支擴展成樹枝狀的球形結構，半徑2.5～8nm，是最小的納米顆粒系統，末端可進行功能化修飾，可精確控制其分支、分子量、電荷和功能化基團；治療劑可連接至分支末端，填充分支之間的空隙，或者疏水性治療劑可包裹在核心中；靶向元件或顯像域可連接至末端。

4.聚合物膠束

聚合物膠束（polymeric micelle）是由親水和疏水兩性大分子片段組成的膠體，包括由聚合物尾組成的疏水核和一個親水頭部。膠束一般通過濃度依賴的方式自組裝形成，在膠團臨界濃度以下，聚合物在溶液中保持單體的形式；高于此濃度時形成膠束。膠束納米顆粒直徑范圍一般為5～100nm，可在膠束自組裝時完成疏水性和親水性化療藥物的封裝。因為疏水核可溶解藥物，親水殼在體內循環時保護顆粒，這種核殼結構有利于藥物投遞。加入靶向元件和造影劑可以實現增強靶向性能，同時使用影像技術監測藥物投遞和治療效果。膠束可由生物相容性材料組成，不產生免疫反應，有助于最后從體內清除。

二、無機納米顆粒

由于無機納米材料獨特的物理特性、成本相對較低而更多的用于診療一體化。

1.金納米顆粒

指粒徑在1～250nm之間的納米級大小的金材料，由于表面等離子體共振（surface plasmon resonance，SPR）和表面增強拉曼散射（surface enhanced Raman scattering，SERS）性質，金納米材料顯示出獨特的尺寸和形狀依賴的光學和光熱性質。通過近紅外激光激發，光子-電子和電子-電子之間相互作用產熱，可以促進藥物釋放、用于光熱治療；利用金納米材料對近紅外光的散射，可進行暗場成像、光學相干斷層顯像、光聲顯像和表面增強拉曼成像；此外，基于納米金顆粒開發出來的增強劑可用于CT和磁共振成像。金納米材料具有易于合成、毒性小、生物相容性好、其光學性能亦可被精確調控、易于修飾用于結合生物靶向分子。已有報道多種尺寸和形狀的金納米材料，如金納米殼（gold nanoshells，AuNSs）、金納米棒（gold nanorods，AuNRs）、中空金納米球（hollow gold nanospheres，HAuNSs）、金納米籠（gold nanocages，AuNCs）和金納米星（gold nanostars），它們的SPR吸收峰從可見光區到近紅外區可以任意調控。SiO2@Au核殼結構是應用于光熱治療最早也是最成熟的金納米材料，其安全性和生物相容性都進行了大量研究，并已商品化，已進入了臨床試驗階段，尤其是對腦部腫瘤和頸部腫瘤研究較為深入。

2.氧化鐵納米顆粒

是由磁鐵礦或赤鐵礦制成的納米晶體，其合成技術已很成熟，室溫條件下氧化鐵納米顆粒（iron oxide nanoparticles，IONPs）通常具有大量飽和磁化值。在沒有外部磁場的情況下，小于20nm的超順磁性IONPs為零磁狀態，加入外部磁場時可以磁化。由于IONPs具有超順磁性、生物相容性，且價格便宜，使其成為磁共振造影劑的選擇，可縮短T₂弛豫時間，在T₂或T₂^*加權圖像上信號減低。當在納米顆粒表面加上靶向配體和治療性藥物后可用于靶向診療一體化。

3.熒光上轉換納米粒子

指稀土上轉換發光材料，是一種在近紅外光激發下能發出可見光的發光材料。1996年，Auzel在研究鎢酸鐿鈉玻璃時，發現當基質材料中摻入Yb³⁺時，Ho³⁺、Er³⁺和Tm³⁺在紅外光激發下可見光發射強度可以提高2～3個數量級，由此正式提出了“上轉換發光”的觀點。在組織穿透能力強的近紅外（NIR）光激發下，熒光上轉換納米粒子（upconversion luminescence nanoparticles，UCNPs）可以發射高能量的可見光，通過能量共振轉移激活周圍的光敏劑分子產生單態氧和自由基殺死癌細胞，達到治療的效果。近幾年來，上轉換發光納米材料在生物醫學方面的應用越來越多，在光動力治療領域脫穎而出。此外，UCNPs可以和其他診療分子相結合，達到協同治療和診療一體化的目的。

4.介孔二氧化硅納米顆粒

憑借其獨特的理化特性應用于生物醫學領域，越來越多用作為一種新型的藥物運載系統。與傳統的納米藥物載體如脂質體、聚合物納米顆粒等相比，介孔二氧化硅納米顆粒（mesoporous silica nanoparticles，MSNs）具有更高的載藥容量和共載能力，使得克服腫瘤多重耐藥成為可能；更重要的是介孔材料表面有大量的硅烷醇基，可以此為基礎合成納米復合材料，有利于實現腫瘤診療一體化。

5.碳納米材料

由于碳納米材料優良的理化性質、熱和光學性質以及具有較好的生物相容性，使其成為診療一體化領域的一顆新星。碳納米材料主要包含碳納米管、碳量子點和石墨烯。大部分碳納米材料在紅外或及近紅外區域具有很強的吸收，可用于癌癥的光熱治療；碳納米材料如碳納米管或碳量子在可見光和紅外光區域可產生熒光用于熒光顯像；在激光照射下能將能量轉變成聲信號，可用于光聲顯像；此外，碳質材料的固有拉曼振動信號可以使用拉曼成像監控其體內生物分布和代謝。碳納米材料具有獨特的sp2碳結構和固有的疏水特性，藥物或DNA/RNA分子可以通過疏水作用或π-π疊加吸附到碳納米顆粒表面，從而用作藥物投遞載體。

6.量子點

量子點（quantum dot）是用半導體材料制成的發光納米晶體，具有有機染料或熒光蛋白不具備的獨特光學性質，如吸收光譜寬（從紫外到近紅外光區）、發射光譜窄、尺寸依賴的熒光性質、摩爾吸光系數高、量子產率高、光和化學穩定性好等性質，廣泛應用于生物體熒光成像研究中。通過調節量子點的大小和構成準確地調整其光學特性是量子點的獨特特征。但是其生物毒性是目前一直沒有解決、影響臨床應用的問題。

7.其他納米材料

除了上述納米材料以外，其他的納米材料還有多巴胺-黑色素納米球、聚吡咯納米顆粒、聚乙烯二氧噻吩、聚苯乙烯磺酸酯納米復合物等有機材料和鈀納米片、銅硫族納米材料等無機納米材料，在診療一體化的應用方面也備受關注。

第四節　納米顆粒的靶向機制

納米顆粒靶向至腫瘤細胞或組織的機制主要包括被動靶向和主動靶向。

一、被動靶向

迄今為止，所有的臨床應用和批準的納米藥物都通過EPR效應（enhanced permeability and retention effect，EPR）被動靶向至感興趣區。其機制如下：正常組織中的微血管內皮間隙致密、結構完整，大分子和脂質顆粒不易透過血管壁，而腫瘤組織血管豐富、血管壁間隙較寬、結構完整性差，使顆粒容易從血液進入腫瘤組織；另一方面腫瘤淋巴回流缺失，顆粒清除減少，造成大分子類物質和脂質顆粒具有選擇性高通透性和滯留性，這種現象被稱作實體瘤組織的高通透性和滯留效應，簡稱EPR效應，被Maeda等人描述。EPR效應促進納米顆粒在腫瘤組織的選擇性分布、增加藥效并減少毒副作用。動物模型的研究表明，與正常組織相比，EPR效應會導致顆粒在腫瘤內50倍聚集，顆粒循環時間延長。然而，僅依靠EPR效應被動靶向也有缺點，如許多體積大的腫瘤不均質，顆粒在整個腫瘤內不能均勻聚集；在腫瘤中心區域EPR效應無效；腫瘤間質存在負壓梯度，可能限制顆粒從血管內運動到血管外，從而減少腫瘤血管高滲透性的優點；另外，并不是所有腫瘤都能通過EPR效應聚集，例如胃癌和胰腺癌。

二、主動靶向

主動靶向策略是指納米顆粒表面的親和配體與腫瘤細胞表面過度表達的受體直接結合，可彌補上述被動靶向的缺點。已研究的靶向配體有多種，包括抗體、多肽片段和核酸配體等。到目前為止，FDA已批準的這類復合物超過30種。以下介紹幾種常用的靶向配體。

1.單克隆抗體

是目前唯一臨床可獲得的一類靶向配體，可識別靶細胞表面的抗原，調控腫瘤免疫或腫瘤相關信號。納米材料通過表面連接的抗體與腫瘤細胞表面的抗原特異性結合會增加與腫瘤細胞的黏附，從而可顯著提高細胞對納米顆粒的攝取。臨床可得的靶向抗體包括利妥昔單抗（美羅華）用于淋巴瘤，曲妥珠單抗（赫賽汀，Herceptin）用于乳腺癌，貝伐珠單抗用于抑制血管生成，西妥昔單抗治療中晚期結腸癌等。然而這些單克隆抗體具有一些缺點，如多數來源于鼠或兔，應用于人體時會引起免疫反應；其分子量大，使納米顆粒體積增大；在溶液中不穩定使自組裝困難；每批次之間存在變異。為了克服這些缺陷，利用酶或噬菌體展示技術獲得小片段抗體、親和體（affibody），不僅減小了分子量，也減弱了抗體的免疫原性，使單克隆抗體的靶向功能得以充分發揮。

2.蛋白

有多種蛋白與細胞膜受體結合可用于主動靶向，包括轉鐵蛋白、生長因子如表皮生長因子、前列腺特異性膜抗原等。轉鐵蛋白是一種細胞膜糖蛋白，由于癌細胞高度增殖，在其生長過程中需要大量鐵，導致轉鐵蛋白受體過度表達，為正常細胞的2～10倍，轉鐵蛋白或轉鐵蛋白受體抗體被用作特異性靶向分子，與其受體結合后介導細胞對鐵的攝取。因此，轉鐵蛋白修飾的納米材料能夠特異性地到達腫瘤細胞，實現靶向腫瘤診斷和治療。Labhasetwar等使用納米顆粒裝載紫杉醇，以轉鐵蛋白作為主動靶向元件，在前列腺癌細胞模型體外和體內均證明具有增高的抗增殖活性。

3.小分子

小分子是另一類常用的靶向配體，分子量小、成本低、不會降解、免疫源性低、通過各種技術易于連接至納米顆粒上。小分子量使其在納米顆粒表面可以達到很高的配體密度，使用噬菌體技術可以鑒定一大類靶點。研究最多的是葉酸，葉酸是細胞功能必需的一種維生素，提供DNA合成需要的元素，葉酸受體在多種腫瘤（如卵巢腫瘤、絨毛膜癌、子宮肉瘤、骨肉瘤及腦脊髓膜瘤等）細胞表面均有大量表達，可與葉酸和細胞膜葉酸結合蛋白高親和力地結合；葉酸受體也存在于健康正常細胞，但其對攜帶葉酸的納米顆粒親和力低。納米材料與葉酸或葉酸鹽結合形成的靶向納米材料可攜帶化療藥物特異性地進入葉酸受體表達高的細胞內，并將藥物釋放到細胞質發揮細胞毒作用。

4.多肽

靶向肽片段是由2～50個氨基酸組成的多肽，能特異性地結合靶細胞和組織，具有易合成、分子量小、高度穩定、高親和力、低免疫原性、易于排泄等優點，近年來噬菌體肽庫、細菌肽展示庫和質粒肽庫等的建立使肽的應用更為廣泛。有許多肽受體在腫瘤組織或細胞過度表達，包括整合素、鈴蟾肽受體、血管肽、促黃體激素釋放激素（LHRH）、生長激素抑制素等。整合素在腫瘤細胞表面和腫瘤周圍的新生血管中過度表達，研究最多的是α_Vβ₃，通過在不同的納米材料表面連接多肽RGD可選擇性的靶向至腫瘤組織。Zhan等使用PEG-PLA膠團連接cRGD，載藥紫杉醇，與非靶向膠團相比，具有2.5倍的抗瘤效應。胃泌素釋放肽受體（GRPR）是一個糖化7次跨膜G蛋白偶聯受體，屬于鈴蟾肽受體家族，具有廣泛的生物學功能，包括刺激胃腸道的外分泌和平滑肌收縮，GRPR在前列腺癌、乳腺癌和胰腺癌等多種腫瘤過度表達，可通過胃泌素釋放肽（鈴蟾肽類似物）靶向。此外，血管肽-2能與低密度脂蛋白受體相關蛋白（LRP）特異性結合，而LRP在血腦屏障和膠質瘤中高表達，故連接有血管肽-2的納米材料可攜帶藥物通過血腦屏障到達腫瘤內，也是一種非常有效的靶向多肽。

5.適配體

適配體（aptamer）是能夠折疊成不同構象的RNA或DNA寡核苷酸片段，可與小分子、肽段、蛋白質和寡聚核苷酸高親和性結合，其與藥物結合不需要化學修飾。適配體作為靶向分子與單克隆抗體相比具有分子量小、無免疫源性、易通過腫瘤的EPR效應進入腫瘤細胞內的優點。

盡管各種主動靶向策略有以上優點，進入臨床試驗的靶向納米顆粒只有6種，其中3種是聚合物，3種是脂質體。隨著研究的深入，將會有更多新型的靶向納米材料出現并應用于腫瘤的診斷與治療中。

第五節　治療劑（方法）的選擇

治療劑（方法）的選擇在多功能納米顆粒系統的發展中起著重要作用，目前應用于診療一體化納米系統的治療劑（方法）包括化療、熱療、光動力學治療、放射性核素治療等。

1.納米載化療藥物

癌癥傳統化療具有很多缺陷，如嚴重的副作用、非選擇性細胞毒性導致不耐受、治療時間長、耐藥、不能完全治愈、生活質量低等。在診療一體化納米系統中裝載化療藥物可克服上述缺陷。納米顆粒內最常裝載的化療藥物有多柔比星（阿霉素）、柔紅霉素、紫杉醇等。FDA批準的脂質體藥物如阿霉素脂質體（Doxil^?、Caelyx^?）、柔紅霉素脂質體（DaunoXome^?）、紫杉醇脂質體已商業化，阿霉素脂質體已成為市場上最常用的抗癌藥物之一。在診療一體化系統中使用阿霉素可增強細胞攝取、延長循環時間和增強抗癌效果。

2.熱療法

是一種新興的腫瘤治療手段，泛指用加熱來治療腫瘤。由于正常細胞和腫瘤細胞對溫度耐受能力不同，使腫瘤組織局部或全身在一段時間內維持一定的治療溫度，可達到既能使腫瘤細胞死亡、又不損傷正常組織的治療目的，與傳統的手術治療、放化療相比，大大降低了毒副作用，是一種具有廣闊前景的治療手段。熱療法一般以納米顆粒為載體，腫瘤組織對納米顆粒特異性攝取，而正常組織攝取低。目前，基于納米顆粒的腫瘤熱療可分為磁熱療法和光熱療法兩大類。磁熱療法的原理是靜脈注射或直接瘤內注射的磁性納米顆粒在達到腫瘤病灶后，施加外部交變磁場，使納米顆粒的磁極發生反轉，將電磁能轉換為熱能，導致腫瘤區域溫度上升，達到治療效果。磁熱療法目前已取得了一定的進展，超順磁性的氧化鐵納米顆粒就是一類很好的熱療材料。光熱療法（photothermal therapy，PTT）的原理是在入射光的激發下，利用光熱轉換效應產生的熱來殺死腫瘤細胞，光和光熱轉換試劑是兩個關鍵的因素。由于生物體組織和體液對近紅外光（NIR，650～900nm）基本上不吸收，因而近紅外光具有較好的組織穿透能力（可深達10cm），被廣泛應用于光熱治療中，在近紅外區具有光吸收的一系列納米材料如金納米顆粒在光熱治療發揮著巨大作用。

3.光動力學治療

光動力學治療（photodynamic therapy，PDT）是預先將本身穩定無毒性的光敏劑注入機體，由于腫瘤組織高吸收、低代謝，經一段時間光敏劑特異性沉積在腫瘤組織，在特定波長的光照射下可產生單態氧和自由基等，殺死腫瘤細胞達到治療目的，具有微創性、靶向性高、不良反應小等優點。由于光敏劑還可以產生熒光，故將PDT和光學影像技術聯用，在確定腫瘤部位的同時還能精確地進行治療。

目前常用的光敏劑有以下一些局限性：

（1）主要是卟啉衍生物，這些分子對腫瘤組織缺乏靶向性。

（2）光敏劑分子多為疏水性分子，易團聚，在體內不易傳輸到病灶。

（3）由于光敏劑需要吸收可見光，而可見光在人體組織的穿透能力較差，治療不能深入到組織內部，目前主要用于表皮或淺組織區域的腫瘤。

近年來，越來越多的納米材料應用于PDT，熒光上轉換納米材料（UCNPs）是其中有最前途的一種，可克服目前制約光動力治療的諸多難題，如：經過表面修飾，可得到親水性的上轉換納米粒子，解決傳統光敏劑易團聚及難以輸運的問題；近紅外光（波長700～1 000nm）穿透深度比可見光大一個數量級，可以克服光動力治療難以深入組織內部的難題，且對正常組織和細胞光毒性較低，UCNPs可被近紅外光激光激發轉換為可見光，再由可見光激發其負載的光敏劑；通過改變摻雜的稀土離子，熒光上轉換納米粒子的發光從紫光到近紅外都可調控，可以匹配不同吸收波長的光敏劑，充分利用現有光敏劑資源；近紅外連續激光器小巧、能量高、價格便宜，為UCNPs在光動力治療實際應用提供了良好條件。

4.放射性核素治療

利用某些放射性核素本身的物理特性即可實施診療一體化，也是目前比較成熟的技術，例如應用¹³¹I治療甲狀腺癌轉移灶，¹⁷⁷Lu-PSMA（前列腺特異性膜抗原）治療前列腺癌及轉移灶，¹⁷⁷Lu-DOTATATE治療神經內分泌腫瘤等，在實施治療的同時還可以進行顯像診斷和療效監測。臨床上常用的某些放射性核素如¹³¹I、¹⁷⁷Lu、¹⁸Re等可發射β和γ射線，利用這類核素在衰變過程中發射出的β射線在病變組織產生一系列的電離輻射生物效應，使細胞繁殖能力喪失、代謝紊亂、細胞衰老或死亡從而達到治療目的，而發射的γ射線可以進行病變的SPECT顯像診斷和療效監測。由于正常細胞和病變細胞對核素射線的敏感性不同，一般細胞分裂活性越大對射線越敏感，濃聚放射性核素的能力也越強，此外通過靶向作用可增強放射性藥物在病變組織的聚集，使射線破壞或抑制病變組織的同時對正常組織可不發生損傷或僅發生輕微損傷。在診療一體化系統中，可應用這類核素標記納米復合物，一方面可用于治療，另一方面利用核素發射的γ射線可進行核素顯像。

5.核酸為基礎的治療

如小干擾RNA（siRNA）和microRNA（miRNA）被用于治療多種腫瘤。siRNA是一類雙鏈RNA，這些RNA長度通常為2 025核苷酸，干擾基因表達，與雙鏈DNA共享互補序列，也被用于治療癌癥。miRNA是一類具有調控功能的非編碼RNA，19～25核苷酸，由RNA聚合酶Ⅱ轉錄，其異常表達與多種腫瘤如白血病、肺癌等有關，由于miRNA對增加某些癌細胞的化學抗性起作用，因此可用作治療靶點。在診療一體化系統中應用，miRNA可通過靶向納米系統投遞至靶細胞，如使用靶向脂質體投遞miR-34a至轉移性黑色素瘤，使用金納米顆粒投遞miR-29b至人宮頸癌HeLa細胞。

第六節　顯 像 技 術

為了將診療一體化納米顆粒用于診斷，需要使用分子成像技術在細胞和亞細胞水平顯示人或動物的病理生理學過程，實現活體無創實時成像和長期跟蹤，用于疾病的早期診斷、分期、顯像藥物投遞和療效評估等，有利于實現個體化醫療。目前，常用的顯像模式包括光學成像（optical imaging）、光聲成像（photoacoustic imaging，PAI）、超聲（ultrasound，US）、X射線計算機斷層掃描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、單光子發射斷層掃描（single photon emission computed tomography，SPECT）、正電子發射斷層掃描（positron emission tomography，PET）等。這些顯像模式在空間分辨率、穿透深度、敏感性和生物相容性等方面各有優劣。

1.光學成像技術

利用生物體內發出的能夠穿透組織的光進行顯像，是研究生物體內細胞活動和基因行為的重要方法之一，具有敏感性高、無電離輻射、顯像波譜寬、實時顯像、價格便宜等優點，被認為是有吸引力的顯像方法。缺點是組織滲透差、由于散射對噪聲敏感、潛在自發熒光等。光學成像包括生物發光成像（bioluminescence imaging，BLI）、熒光成像（fluorescence imaging，FI）、拉曼成像（Raman imaging）和新興發展起來的切連科夫發光成像（Cerenkov luminescence imaging，CLI）。BLI是將熒光素酶基因整合到細胞染色體DNA上并穩定表達，當給予其底物熒光素，即可在短時間內產生發光現象，并用來觀測生物體內部細胞和分子水平的生理變化過程。FI則是利用熒光探針標記活體小動物體內的特定分子或細胞，在外源光激發作用下成像。常見的熒光探針包括有機熒光染料（如FITC、ICG、Cy5.5等）、熒光蛋白（如GFP、RFP等）和納米材料（量子點、碳和貴金屬）等。拉曼成像是表征化學信息的有力手段，它對樣品的不同位置逐點掃描并獲取拉曼光譜，基于這些光譜生成偽彩圖像，從而顯示出材料的結構信息和分布，采用SWIFTTM超快速成像技術可以在秒或者分鐘內獲得一幅精細的拉曼圖像。CLI是通過放射性核素（如¹⁸F、³²P和¹²⁴I等）在衰變的過程中產生的帶電粒子滿足其在介質中的運動速度大于光在該介質中的運動速度時，產生切連科夫光來實現成像的。

2.超聲成像（US）技術

利用超聲的物理特性和人體器官組織對超聲阻抗和衰減的差異，得到斷面超聲圖像實現疾病診斷的目的。US由于安全性高、成本低、使用便攜等特點，成為臨床使用最多的成像方式之一。在分子影像領域，一些粒徑幾百納米至幾微米的超聲造影劑被引入腫瘤的臨床診斷中，這些造影劑也可被修飾和裝載藥物用于診療一體化。

3.光聲成像（PAI）技術

基本原理是當寬束短脈沖激光（ns級）輻照生物組織時，位于組織體內的吸收體（如黑色素、血紅蛋白和腫瘤等）吸收光能量并轉換為熱能使局部溫度升高，導致熱彈性膨脹，產生與組織吸收特性相關的超聲波，并透過組織向外傳播，被位于組織體表面的超聲探測器接收，并以此重建組織內光能量吸收分布的圖像。PA檢測信號為超聲波，反映的是光學信號，因而既具有光學成像對比度高、對組織功能特性敏感的優勢，又具有聲學成像深度大、深處組織成像分辨率高的特性。此外，光聲成像在低能量密度的電磁輻射下就可以獲得高信噪比的光聲信號，因而可以避免高強度電磁輻射對生物組織產生的損傷。總體來說，PA在臨床診斷以及活體組織結構和功能成像等領域有廣泛的應用前景。根據成像深度，我們可以選擇不同的成像模式（如具有光學分辨率的光聲顯微鏡，具有聲學分辨率的聲學顯微鏡和光聲斷層成像等），獲得不同的分辨率，因而光聲成像能實現從細胞器到細胞、組織乃至器官等不同層次的成像。生物組織的光學吸收既可能產生于內源性分子如水、DNA/RNA、黑色素和血紅蛋白等，也可能產生于各種外源性的造影劑。外源性的造影劑主要是金納米材料、碳納米管、硫化銅和高分子聚合物等具有光吸收的物質。

4.X射線計算機斷層掃描（CT）

是一種基于X射線的三維重建成像技術，由于不同的組織對X射線的吸收能力不同，透過組織的X射線劑量也不同，通過測定不同部位組織X射線的透過劑量并重建出組織斷層面三維影像，CT掃描可提供很好的解剖分辨率，目前廣泛使用的CT造影劑主要是一些含碘的分子，由于缺乏主動靶向性、呈現非特異性的生物分布、易于被腎臟清除的快速藥物動力學的特性使其在臨床應用中有一些局限性。納米材料的出現為CT成像提供了新的造影劑，與含碘的小分子相比，金納米材料不僅具有更高的X射線吸收系數，血液循環時間長、具有更好的生物相容性、表面更易于官能團化實現特異性靶向。用于CT的納米顆粒材料包括核-殼結構、脂質體、金、鉍和樹枝狀聚合物等。

5.磁共振成像（MRI）

是基于磁共振原理的醫學影像技術，具有空間分辨率高、多參數、多方位成像和剖面成像不受組織影響等特點，是臨床診斷中非常重要的成像手段之一。MRI的敏感性較低，因而使用造影劑增強信噪比是不可或缺的。按弛豫方式，造影劑可分為兩大類。T₁造影劑可以縮短T₁弛豫時間，導致磁共振信號增強，實現T₁加權像的對比增強。典型的T₁造影劑是一類由順磁性金屬離子（Gd³⁺，Mn²⁺和Fe³⁺）和螯合配體組成的金屬有機配合物。隨著Gd配合物的不斷改善和在臨床上的應用，一些順磁性的含Gd的無機納米材料（如 Gd₂O₃，GdF₃，GdPO₄和NaGdF₄等）也作為新的T₁造影劑，表現出優良的性質。此外，水溶性的MnO納米顆粒也作為造影劑應用于腦、肝和腎等人體器官的T₁成像。3～4nm的超小氧化鐵有較高的r1值，較低的r2/r1值和良好的生物相容性，也被作為T₁造影劑應用于MRI中。T₂造影劑縮短質子T₂弛豫時間，導致磁共振信號減弱，實現T₂加權像的對比增強，以磁性氧化鐵為主。發展新型的高性能的MRI造影劑勢在必行。例如，已報道的CoFe₂O₄，MnFe₂O₄，NiFe₂O₄和FeC等納米顆粒具有較高的磁飽和強度，有效地縮短了T2弛豫時間，實現了更好的MRI對比信號增強。

6.放射性核素顯像

包括單光子發射斷層掃描（SPECT）和正電子發射斷層掃描（PET）。SPECT應用的是單光子核素 ^99mTc、¹³¹I、¹¹¹In、²⁰¹Tl、⁶⁷Ga等，這些核素標記攜帶靶向配體和藥物的納米復合物用作診療一體化制劑，示蹤劑在靶組織或靶器官聚集，SPECT顯像可以指示發射γ射線最高濃度的位置，可提供360°的圖像，重建可產生三維圖像。使用SPECT的優點是不需要信號放大、本底低、敏感性高。缺點是空間分辨率低、有輻射、探測儀器體積大。

PET應用正電子核素如¹¹C、¹⁵O、¹⁸F、¹¹¹In、⁶⁴Cu、⁶⁸Ga等標記納米復合物，制備成本更昂貴，示蹤劑在衰變過程中發射正電子，運行較短距離后與周圍物質中的電子相互作用發生湮滅輻射，產生能量相等、方向相反的2個γ光子，同時被相反方向的2個探測器所探測，通過計算機處理采集的信息，顯示出斷層圖像。其優點是直接產生三維圖像，具有更高的敏感性，所需放射性核素的劑量較少。缺點是分辨率低、價格昂貴、有輻射。

第七節　診療一體化納米顆粒的設計及應用

診療一體化納米顆粒平臺一般可設計為以下幾種方式：①在顯像納米顆粒（如量子點、氧化鐵和金納米顆粒等）表面連接治療劑（如抗癌藥物、光敏劑等）；②在治療性納米顆粒上附加顯像（對比）劑（如熒光染料、光學或磁性納米顆粒和多種放射性核素）；③在一個生物相容性納米顆粒（如聚合物納米顆粒、鐵蛋白納米籠和多孔硅納米顆粒）中同時封裝顯像劑和治療劑；④也可設計為本身同時具有顯像和治療功能的獨特納米顆粒（如porphysomes、⁶⁴Cu-CuS、金納米殼或籠）。為了延長血液循環半衰期和提高主動靶向能力，可使用PEG和不同的靶向配體進行表面修飾。多模式顯像和多重治療也是納米診療一體化領域研究的熱點。診療一體化納米系統除了應用于腫瘤領域，也應用于其他疾病，如心血管疾病、感染性疾病等。目前FDA已批準了35種顯像或治療納米顆粒用于臨床試驗，診療一體化納米顆粒還處于早期轉化階段。

（覃春霞）

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