荧光上转换纳米材料在光动力学治疗癌症中的应用

荧光上转换纳米材料在光动力学治疗癌症中的应用郑晓鹏;田甘;谷战军【摘要】作为微创的光疗方法，光动力学治疗有着重要的临床价值。

近年来，荧光上转换纳米粒子（UCNPs）在光动力治疗领域脱颖而出。

在组织穿透能力强的近红外（NIR）光激发下，UCNPs可以发射高能量的可见光，通过能量共振转移激活周围的光敏剂（PS）分子产生单线态氧杀死癌细胞,达到治疗的效果。

基于UCNPs的光动力学疗法可以克服传统光动力疗法中光敏剂难输运，难靶向和难以治疗深层组织的缺点。

此外，UCNPs可以和其它诊疗分子相结合，达到协同治疗和诊疗一体化的目的。

本文综述了上转换纳米材料在癌症光动力学中的应用以及研究进展。

%The advent of nanoscience and nanotechnology offers unprecedented opportunities in nanomedicine, such as increas-ing therapeutic efficiency and decreasing undesired side effects in cancer treatment. Photodynamic therapy (PDT) is a non-invasive pho-totherapy-based method that is applied in the treatment of cancer and other diseases and has important clinical value. PDT can be com-bined with other therapies to realize the synergistic treatment. The emergence of up-conversion nanomaterials provides a fundamental method to solve the problem of photodynamic therapy of deep tumors. Moreover, the versatile preparation and surface modification methods facilitate the fine-tuning of the emission spectrum of up-conversion nanomaterials and the improvement of the photosensitiz-er's loading capacity. This study reviews the development in design and application of up-conversion nanomaterials for PDT of cancer.【期刊名称】《中国肿瘤临床》【年(卷),期】2014(000)001【总页数】5页(P27-31)【关键词】癌症;上转换纳米材料;光动力学治疗【作者】郑晓鹏;田甘;谷战军【作者单位】中国科学院高能物理研究所中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室北京市100049; 中国科学院大学材料科学与光电技术学院;中国科学院高能物理研究所中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室北京市100049; 四川大学化学学院;中国科学院高能物理研究所中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室北京市100049【正文语种】中文1 引言光动力治疗癌症是现代癌症治疗的一种重要手段，具有微创性、不良反应小、靶向性高等优点［1-4］。

光动力学治疗中将光敏剂，一类本身稳定无毒性，但可以在特定波长光束照射下生成强氧化性物质单线态氧的有机分子，预先注入机体，由于肿瘤组织高吸收、低代谢，经一段时间特异性沉积在肿瘤组织。

再以特定波长的光辐射激活药物，产生单线态氧和自由基等杀死肿瘤细胞，达到治疗目的。

光动力学疗法机理示意图如图1所示［5-6］。

然而，目前光动力治疗癌症仍然存在一些不足，主要包括以下几个方面：1）目前常用的光敏剂主要是卟啉衍生物，这些分子对肿瘤组织缺乏靶向性，在病灶难以富集达到有效浓度，影响治疗效果。

2）光敏剂分子多为疏水性分子，易团聚，在体内不易传输到病灶。

3）理论上光动力疗法适用于所有肿瘤的治疗，但目前主要用于体表恶性肿瘤、食管癌、胃肠道肿瘤、口腔肿瘤、膀胱癌等的治疗。

这主要因为是光敏剂需要吸收可见光，而可见光在人体组织的穿透能力较差，治疗不能深入到组织内部，多局限于表皮或浅组织区域的肿瘤部位。

以上这些缺点极大地限制了癌症光动力治疗的临床应用，而纳米技术的飞速发展为解决上述难题提供了新思路。

近年来，越来越多的研究表明利用荧光上转换纳米材料最有可能解决上述难题。

采用荧光上转换纳米粒子作为光敏剂载体进行癌症光动力治疗具有以下优势：1）由于实体瘤的高通透性和滞留效应（enhanced permeability and retention effect，EPR），上转换纳米粒子可以在肿瘤部位富集，并且可以在上转换纳米粒子表面修饰靶向分子，从而从被动靶向效应和主动靶向效应两个方面克服传统光动力学治疗靶向性不强的问题。

2）经过表面修饰，可以得到亲水性的上转换纳米粒子。

因而上转换纳米粒子可以作为载体负载疏水性的光敏剂分子，解决光敏剂易团聚及难以输运的问题。

3）近红外光（波长通常在700～1 000 nm的范围）穿透深度比可见光的穿透深度大一个数量级，而且对正常组织和细胞具有较低的光毒性，因此是理想的光动力学治疗的光源。

荧光上转换纳米粒子可以被近红外光激光激发（980 nm），然后转换为可见光，再由可见光激发其负载的光敏剂，近红外光在体内的穿透能力强，可以克服光动力治疗难以深入组织内部的难题。

4）通过改变掺杂稀土离子，荧光上转换纳米粒子的发光从紫光到近红外都可调控（如Yb，Er：650 nm，550 nm；Yb，Tm：365，480，800 nm），这样可以匹配不同吸收波长的光敏剂，充分利用现有光敏剂资源。

5）近红外连续激光器小巧紧凑，能量高，价格便宜，为这种荧光上转换纳米粒子的在光动力治疗实际应用提供了良好条件。

由此可见，将以荧光上转换纳米粒子为基础的复合多功能光敏纳米粒子引入光动力疗法，最有可能克服目前制约光动力治疗的诸多难题，推动光动力治疗癌症的发展。

2 上转换纳米材料在癌症光动力学治疗中的应用Zhang等［7］第一次阐述了利用荧光上转换纳米粒子在癌症光动力学治疗中应用的机理。

他们制备了掺有光敏剂Merocyanine-540（M-540）的二氧化硅薄层包覆的上转换纳米材料（NaYF4：Yb/Er@SiO2），然后用靶向癌细胞的抗体修饰，再与膀胱癌细胞共孵育来衡量其光动力学治疗的效果。

但是，因为致密的二氧化硅阻碍了周围氧分子的进入，从而减少了与光敏剂作用的氧分子的量，并且致密的二氧化硅也阻碍了生成的活性氧的扩散，所以致密二氧化硅层包覆的上转换纳米材料体系（NaYF4：Yb/Er@SiO2）的光动力学治疗的效率较低［8-9］。

为了克服以上缺点，有研究运用介孔二氧化硅包覆的上转换纳米材料负载光敏剂酞菁锌（zinc phthalocyanine，ZnPc）［10-11］。

他们发现装载在介孔硅中的光敏剂ZnPC 不仅不会从介孔二氧化硅中游离出来，并且能够不断的与上转换纳米材料发出光发生相互作用产生单线态氧，因此提高了对癌症细胞的杀伤效果；为了增加光敏剂在纳米载体上的稳定性，有学者利用共价接枝的方法把孟加拉红（Rose Bengal，RB）光敏剂分子修饰到上转换纳米材料上，并且在材料上修饰了叶酸靶向分子［12］。

细胞实验表明，叶酸受体阳性的细胞活性明显降低，而叶酸受体阴性的细胞没有明显的变化。

共价接枝的方法可以增加光敏剂的装载量，并且减小了光敏剂分子与上转换纳米材料之间的距离，有利于上转换纳米材料与光敏剂之间的能量转移，从而从“质与量”上增加了光敏剂与上转换纳米材料之间的相互作用，提高活性氧产生的量。

目前和光敏剂结合应用于光动力治疗领域的稀土掺杂氟化物（NaYF4：Yb/Er）上转换材料均为绿光发射峰占主导，而现在商用的第二代高效光敏剂的有效吸收峰大多分布在红光区（650～670 nm），光谱上的不吻合大大降低了体系的能量共振转移效率，进而影响单线态氧生成的能力。

因此，为达到高效的光动力治疗效果，制备红光发射占主导的上转换材料是目前这类材料面临应用的瓶颈，也是制备新材料面临的挑战。

本课题组采用一种巧妙的掺杂路线，将二价锰离子（Mn2+）引入至NaYF4：Yb/Er体系中，Mn2+的掺入大大提升了红光产生的几率，随着Mn2+掺杂量的增加，能够得到发射单色红光的上转换纳米材料。

此外，Mn2+的掺入能够同时影响NaYF4：Yb/Er上转换纳米晶的尺寸和相态，得到尺寸在20 nm左右的红光上转换纳米晶材料。

本课题组以红光上转换纳米颗粒为载体，通过物理吸附将三种常用的第二代光敏剂分子，酞菁锌（ZnPc）、二氢卟吩（Ce6）以及亚甲基蓝（MB）分别进行负载，得到多种负载有光敏剂的上转换纳米材料复合物。

在980 nm近红外光的照射下，这些复合物能有效地产生单线态氧并杀死癌细胞。

此外，在癌症的治疗中，药物协同治疗是很重要的一种提高疗效降低副作用的方法。

我们首次将化疗药物阿霉素（DOX）和光敏剂（Ce6）共同负载于荧光上转换纳米颗粒上用于对癌细胞的杀伤，结果表明药物共运输体系的癌细胞杀伤效果明显提高，协同效应显著，为光动力治疗癌症提供了新思路（图2）［13-15］。

此外，本课题也制备了发射蓝光的上转换纳米材料（Tween20-NaGdF4@NaYbF4），并与竹红菌素相结合，作为新型纳米复合光敏剂。

在此之前，蓝光激发的光敏剂受到蓝光穿透性不强的限制阻碍了其临床治疗肿瘤的应用也发展了蓝光上转换纳米材料用来拓展蓝光激发光敏剂在癌症光动力学治疗中的应用。

用Tween 20来修饰上转换纳米材料不仅可以使上转换纳米材料具有更好的水溶性，而且可以通过疏水相互作用来装载疏水的光敏剂以及其他药物。

装载有竹红菌素的Tween 20-NaGdF4@NaYbF4不仅具有良好的光动力学治疗的效果，而且具有良好的磁共振成像（MRI）及计算机层析成像（CT）的性能［16］。

Liu等［17］发展了第一个应用于小鼠活体实验的上转换纳米材料基的光动力学治疗体系，通过非共价修饰的方法把Ce6装载到聚乙二醇修饰的上转换纳米材料上，形成光动力学治疗纳米复合物。

动物实验中，UCNPs-Ce6复合物注射到接种有乳腺癌的小鼠体内，结果发现70%的肿瘤被完全消融，2个月内未重新生长。