陈小元&戴志飞 Chem. Soc. Rev.: 通过光热治疗和光声成像的纳米治疗法治疗癌症

【引言】

癌症是全世界发病率和死亡率最高的疾病。大约每年有1400万新癌症患者和800万人死于癌症相关疾病。鉴于癌症的高风险和高死亡率，世界各地的研究人员一直在努力开发出更准确、更快速的诊断策略和有效的治疗方法来治疗癌症。传统的癌症疗法包括化疗、放疗和外科手术，有着严重的副作用和差的治疗效果。目前，癌症治疗中的新兴疗法包括免疫疗法、基因疗法、光动力疗法 (PDT)和光热疗法 (PTT)等，其已经改善或有可能改善治疗效果。 PTT利用光热转换剂 (PTAs)的光热效应，光能转换剂可以从光中获取能量并将能量转化为热量以增加周围环境的温度并引发癌细胞的死亡。将光能以非热辐射形式转化为热能 (光热疗法，PTT)或声能 (光声成像，PAI)分别用于治疗和诊断癌症。通过利用纳米载体，已经彻底研究了成像和治疗功能以及增强肿瘤处的累积，以提高PAI和PTT临床前的效率。

【成果简介】

近日，Chem. Soc. Rev. 在线刊登了北京大学的戴志飞教授和美国国立卫生研究院的陈小元教授（共同通讯作者）等人总结“Photothermal therapy and photoacoustic imaging via nanotheranostics in fighting cancer” 综述。在文章中，首先总结了无机和有机纳米光热转换剂 (PTAs)的发展和改善PTT效果的策略，即包括应用适当的激光剂量、成像技术指导治疗、NIR-II区中开发吸收PTAs 、提高光热转换效率 (PCE)和增加肿瘤中PTAs的积累。其次，介绍了PTT与癌症治疗中其他疗法相结合的优势。第三，举例PAI在癌症相关研究中的新兴应用。最后，讨论了PTT和PAI对抗癌症的观点和挑战，特别是关于它们的临床转化。相信具有值得注意的特征的PTT和PAI将成为下一代非侵入性的癌症治疗技术，并提高治疗癌症的效果。

【图文导读】

1、光热转换剂 (PTAs)的分类和特征

PTAs可以将吸收的光能转化为热能，从而提高周围环境的温度。理想情况下，预计PTAs只会局部升高温度，以减少对不存在PTAs或超出激光照射范围的健康组织的损害。PTAs的吸收通常调整到750-1350 nm之间，包括750-1000 nm (NIR-I)和1000-1350 nm (NIR-II)。 其实PTAs可分为无机材料和有机材料两类。无机材料包括贵金属材料、金属硫属化物材料、碳基纳米材料和其他二维 (2D)材料。有机PTAs包括NIR响应型的小分子和半导体聚合物NPs (SPNPs)。
Figure 1. 纳米光热转换剂(PTAs)的分类。

1.1、贵金属材料

具有强抗氧化性的贵金属材料是研究最多的无机PTAs中的一种。 贵金属PTAs，包括Au、Ag、Pt和Pd，可吸收激光以将电子从基态激发到激发态，然后通过非辐射衰变以热的形式释放能量。
Figure 2.（a-i）使用CTAB和油酸钠作为配体合成的Au纳米棒的TEM。（a）200 nm，（b）50 nm，（c-f）100 nm，（g，h）200 nm，和（i）100 nm。（j）从左到右分别是对应于样品a、c、d、e、f、g、h和i的Au纳米棒的归一化消光光谱。（k） Au纳米双环酰胺的TEM。（l）用热敏聚合物改性的Au纳米笼的TEM。（m）Pd纳米片的TEM。（n）具有不同边长的Pd纳米片的消光光谱。

1.2、石墨烯和基于石墨烯类似物的PTAs

基于贵金属的PTAs在PTT中的局限性促使科学家们寻求其他无机材料或者碳基材料作为PTAs，例如碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、碳点，具有广泛的光学吸收和合理的光热性质引起了极大关注。
Figure 3. （a）还原氧化石墨烯的AFM图。（b）氧化石墨烯（黑色）和还原氧化石墨烯（红色）的吸收光谱。（c）溶剂热法合成MoS₂纳米片的示意图。（i）TEM图像。（j）暗视场TEM图像。（k）超薄Nb₂C纳米片的傅立叶变换图案，插图是原始的SAED模式。

1.3、其他无机PTAs

基于过渡金属的PTAs的许多其他实例，例如量子点和金属氧化物NPs。除了荧光发射之外，通过量子点收获的光可以通过非辐射衰变部分地转换成热量，其过程与NPs结构有关。

1.4、基于小分子的PTAs
Figure 4. （a）分别用Rhod 123和ER-Tracker Green染色后PEG-PLD（IR825）基于纳米胶束的PTT的合成和纳米胶束处理的HeLa细胞的共聚焦图像的示意图。（b）具有相互协同分子靶向治疗/PTT的胶束用于高效癌症治疗图示。（c）用于多模式成像和抗药性肿瘤的组合疗法的酸可转换胶束（PDPC）的自组装和结构组成的图示。（d）在655 nm激光照射或pH值下，PDPC胶束的ROS产生和光热曲线与Ce6浓度的关系。

1.5、NIR吸收的SPNPs用于PTT

在几种有机纳米平台中，具有优异光学性质的SPNPs最近获得了极大的普及。SPNPs的大的π-共轭主链和高电子离域结构在NIR区域中具有优异的光放大和光收获特性，因此提供了新的机会，特别是在成像和光疗领域。
Figure 5. （a）增强的D-A-D结构的DPP-TPA NPs作为PAI引导的PDT/PTT的治疗剂的示意图。（b）溶解在甲苯中的样品的吸收光谱。 （c）吸收光谱，（d）光热加热和自然冷却循环，和（e）在808 nm激光照射下功率密度为0.3 W.cm^-2的4T1荷瘤小鼠的IR热图像。 （f）在MPO和H₂O₂存在下SPNV降解的示意图。（g）纳米沉淀法和代表性TEM图像制备TPA-T-TQ ONPs的示意图。（h）TPA-T-TQ在THF溶液（黑色）和封装的ONPs在水（红色）中的光致发光光谱。（i）抗白光漂白（五个加热-冷却循环）和（j）ONPs的抗ROS特性，ICG，和ICG NPs。

2、提高光热治疗效果的方法

2.1、控制适当激光剂量

通常，具有更长波长和更强强度的激光具有更深的穿透性。然而，应用适当的激光剂量可以实现更好的PTT效果并避免对正常组织的损害。研究表明，光热辐射可以通过坏死或细胞凋亡引发细胞死亡，具体取决于辐射强度。
Figure 6. （a-c）（a）核和（b）核-壳上转换NPs和（c）具有碳层的核-壳上转换NPs（csUCNP @ C）的TEM。（d）特殊装置的示意图，用于同时表征csUCNP @ C NPs的宏观温升和微观温升。（e）标准曲线，表示温度与两个波长的荧光强度比之间的关系。（f）通过特殊设置确定的宏观（空心三角形）与微观（实心三角形）温度升高的曲线。（g）在激光照射或外部加热下用钙黄绿素AM和PI共染色的癌细胞的热图像和荧光成像。（h）具有或不具有内化的csUCNP的一组相邻癌细胞的PTT的示意图。（i）在激光照射之前和之后内化的具有或不具有csUCNP @ C的相邻癌细胞组的明视场和发光成像。（j）激光照射后癌细胞的放大发光成像。

2.2、确定最佳治疗窗口
Figure 7. （a）使用人血清蛋白作为模板合成Ag₂S量子点的示意图。 （b）平均直径为9.8 nm的Ag₂S量子点的TEM。（c）荧光光谱和（d）直径为4.1, 7.9和9.8 nm的Ag₂S量子点的光热温度上升曲线。（e）注射Ag₂S量子点后不同时间的体内NIR-II荧光成像和（f）计算的荧光强度。（g）在不同条件下在PTT下携带肿瘤的小鼠的肿瘤的热图像。（h）用于化学还原Au NPs上的64 Cu的无螯合剂后标记方法的示意图。（i）静脉注射具有RGD靶向基团的64 Cu Au纳米棒后4, 16, 24和45 h的代表性U87MG荷瘤小鼠的全身冠状PET图像。（j）在没有和没有注射具有RGH靶向基团的Au纳米棒的情况下，在PTT期间携带U87MG肿瘤的小鼠中的肿瘤的热图像和（k）相应的温度上升曲线。
Figure 8.（a）用于多模态成像和PTT的NP模板外合成金属离子/单宁酸壳的示意图。（b）注射聚合物NP @ Fe^III /鞣酸壳之前和之后肿瘤的T1加权MRI成像。（c）分别注射PBS和聚合物NP @ Fe^III /鞣酸壳的荷瘤小鼠肿瘤的热成像。（d）STEM，（e）Cu₇S₄-Au NPs的HAADF-STEM图像和（f）Cu₇S₄-Au NPs的相应元素映射。（g）注射Cu₇S₄-Au NPs之前和之后体内肿瘤的¹H-和¹⁹F-MRI成像。（h）PTT期间肿瘤区域的温度上升曲线。

2.3、通过NIR-II PTAs增强PTT疗效
Figure 9. （a）混合多巴胺和Au前体合成等离子体黑体的示意图。（b）等离子体黑体的TEM图像。（c）PTT上具有808 nm和1064 nm激光的PTT在覆盖有5 mm组织的4T1肿瘤上的示意图和PTT后的小鼠图片。（d）在808 nm和1064 nm激光器以其MPE剂量照射的PTT期间肿瘤区域的温度曲线和（e）相应的肿瘤生长曲线。

2.4、通过NP工程增强PTAs的PCE
Figure 10. （a）照射NPs分散体时透射和散射光的示意图。（b）吸收和散射光谱对消光光谱的贡献的示意图。（c）代表不同能量转移机制的示意图Jablonski图。

Figure 11. （a）光诱导电子转移诱导的扩增治疗诊断SPNP的图示。 （b）荧光的体外定量。（c）体内PTT：作为激光照射时间（在注射后6 h）的函数的平均肿瘤温度和（d）全身施用盐水，SPNP-F0或不同组小鼠的肿瘤生长曲线，或 SPNP-F20。（e）通过单线态氧传感器绿色（SOSG）荧光定量的激光照射1 min后由卟啉体合成Mn-卟啉体纳米囊泡和单线态氧的示意图。

Figure 12. （a）肽-卟啉缀合物（TPP-G-FF）分子结构和自组装成光热肽-卟啉纳米点（PPP-ND）。（b）PPP-ND在水（黑色）和TPPG-FF在乙醇（红色）中的紫外-可见吸收光谱。（c）在体内连续照射下静脉注射PPP-ND注射小鼠的IR热图像。

2.5、增加PTAs肿瘤处积累

2.5.1、改变PTA的表面化学以增强肿瘤积累
Figure 13. （a）具有PEG涂层的SPPVN的合成的示意图，所述PEG涂层通过被动靶向在肿瘤中累积。（b）通过主动靶向在肿瘤中积累PFOB@IR825-HA-CY5.5 NP的示意图。（c）具有癌细胞膜包衣的Dox NPs @ ICG @ CCC NPs的合成的示意图。

2.5.2、设计PTA的大小和形状以增强肿瘤积累
Figure 14.（a）Au纳米环、Au纳米球和Au纳米片对巨噬细胞摄取和肿瘤累积的形状效应的研究的示意图。（b、c）Au纳米环、Au纳米片和Au纳米球的巨噬细胞摄取。（d）在注射后不同时间的小鼠的代表性全身冠状PET图像，指示Au纳米环、Au纳米球和Au纳米片（从上到下）的生物分布和肿瘤累积以及相应的平均摄取的时间-活性曲线。（e）心脏，（f）肝脏，（g）脾脏和（h）肿瘤中的这些纳米结构。

2.5.3、响应时间增加PTA的肿瘤积累
Figure 15. （a）POM团簇在酸性环境中自组装成大聚集体的示意图。 （b）表示在酸性pH和还原环境中POM簇溶液在808 nm处的吸收增强的图和（c）在808 nm激光照射下它们的相应温度。（d）注射后不同时间点POM簇的生物分布和肿瘤积累。（e）注射POM和其他对照组的PTT的肿瘤生长曲线。（f）MMP-2诱导肽稳定的Au NP自组装成大聚集体的示意图。（g）在注射后的不同时间点定量Au NPs @ Pep1/Pep2，Ctrl1和Ctrl2的肿瘤积累。 （h）注射Au NPs @Pep1/Pep2和其他对照组的PTT的肿瘤生长曲线。

2.5.4、通过光热效应增强PTA的肿瘤递送
Figure 16. （a）PLT-Au纳米棒的制备和光热诱导的PLT-Au纳米棒的肿瘤摄取增强以改善PTT的示意图。 （b）注入Au纳米棒（黑色），PLT膜覆盖的Au纳米棒（PLT-M-Au纳米棒）（红色）和PLT-Au纳米棒（蓝色）后的Au的血液浓度。（c）在有或没有激光照射的后续剂量注射后PLT-Au纳米棒的肿瘤累积。（d）在每次光热处理之前和之后携带HNSCC的Tgfbr1/Pten 2cKO小鼠的代表性热图像。从上到下分别注射Au纳米棒，PLT-M-Au纳米棒和PLT-Au纳米棒。（e）光热触发的PCB-Bro对胶原的增强的消化活性的示意图，以增加肿瘤中的NP积累。（f）在注射PCB和PCB-Bro后不同时间肿瘤区域的荧光强度，使用或不使用NIR激光照射肿瘤区域。（g）注射PCB-Bro（第一排）、PCB（第二排）和盐水（第三排）后6小时荷瘤小鼠的热图像，肿瘤暴露于NIR激光5 min。

3、PTT与其他疗法相结合

单一疗法通常不足以引发足够的治疗反应，PTT也不例外。虽然具有很好的治疗效果，但是也有它们的限制，例如光穿透深度不足可能导致癌细胞的不完全消除，特别是对于治疗边缘的残留肿瘤细胞，导致肿瘤复发和远处器官的转移。PTT和其他疗法的组合可以改善整体治疗结果。在许多情况下，不同疗法的组合不是简单的添加。相反，一种疗法可能会受益于其他疗法的结果或效果，从而实现协同治疗效果。因此，PTT与其他疗法的结合具有实现协同效应和改善治疗性能的巨大潜力。

3.1、PTT联合化疗
Figure 17. （a）含有Pt（IV）前药和Cypate（P/C-胶束）的胶束用于克服MDR以及PTT和化学疗法的组合的示意图。（b）A549R和A549细胞以游离药物或P/C-胶束的有效载荷的形式摄取Pt（IV）前药。（c）与含有胶束的游离Pt（IV）前药或Pt（IV）前药一起温育后，来自A549R和A549细胞的Pt（IV）前药的流出。（d）光热效应和GSH引发的从超分子胶束释放药物的示意图。（e）用PTT和化疗和其他对照疗法的组合治疗的原位4T1肿瘤模型中的肿瘤生长曲线。（f）每组肺表面存在的肿瘤结节数。

3.2、PTT联合免疫治疗
Figure 18．（a）尖刺Au NP @多巴胺核-壳NP（SGNP @ PDA）的合成示意图。（b）PTT和亚治疗剂量的Dox的组合如何触发抗肿瘤免疫治疗原发性肿瘤和肿瘤转移以及预防肿瘤复发的示意图。

3.3、结合PTT与PDT或光热诱导的产生ROS疗法
Figure 19. （a）用于光疗的Au纳米笼-Ce6纳米结构的示意图，接着是Au纳米杯的代表性SEM。 （b）IRDye800CW标记的光敏剂ZnF₁₆Pc负载的PDI纳米滴（PS-PDI-PAnD），用于体内多模成像引导的组合光热和氧自富集PDT和代表性TEM。（c）AIBI @ Au纳米笼共聚物合成及其NIR响应性自由基释放能力。（d）Au纳米笼的TEM。（e）在常氧和缺氧条件下，Au纳米笼、AIBI和AIBI @ Au纳米笼对4T1细胞的光毒性（f）热响应性HCP @ HPE单分子胶束的合成和2P-FRET与NIR对PDT的光热效应的组合的说明。（g）在650 nm或800 nm照射后，携带HeLa肿瘤的裸鼠体内肿瘤生长。（h）构件的化学结构，Pc-4TEG和Pc-4TEG-B。（i）使用TEM测定，在加入抗生物素蛋白之前和之后以及在静置24 h之后，在水中NanoPcTB形态发生变化。

3.4、PTT联合外科手术
Figure 20. （a）常规PTT（cPTT）和肿瘤区域中激光能量的模拟分布的示意图。（b）aPTT的示意图和手术床中激光能量的模拟分布。 （c）cPTT和aPTT期间荷瘤小鼠的热图像。（d）不同治疗组的不同肿瘤小鼠的生物发光图像，包括对照组、仅用手术治疗的组、仅用cPTT治疗的组以及用手术和aPTT组合治疗的组。

4、通过PAI改善癌症诊断和治疗

4.1、用于肿瘤成像的PAI纳米探针
Figure 21. （a）TPA的基本化学结构和通过自组装说明治疗诊断的TNM。（b）在710 nm激光照射下通过尾静脉注射TNM后不同时间点的肿瘤组织（箭头）的体内光声（MSOT）图像。（c）靶向SPNP（SPNP10-RGD）的合成。（d）分别在全身施用SPNP10-RGD或SPNP10后0, 4和24 h的肿瘤体内PAI。

4.2、用于淋巴结成像和细胞追踪的PA纳米探针
Figure 22. （a）PDI NP合成的示意图。（b）代表性覆盖冠状PAI和超声图像，其显示在注射后不同时间点pop窝淋巴结（LN）和坐骨神经LN中的尺寸依赖性摄取。（c）通过体内渗漏的脉管系统将Au缀合物全身递送和积聚到肿瘤中。（d）PNB的声学信号甚至报告实体组织中的单个癌细胞。

4.3、用于TME成像的PAI纳米探针
Figure 23. （a）动态光散射，TEM图像和（b）SON₅₀在不同pH值下的紫外-可见吸收光谱。（c）静脉内施用SON50之前和之后6 h裸鼠中皮下HeLa肿瘤的光声和比率图像（∆PAI₆₈₀/∆PAI₇₅₀）。（d）定量680 nm处的光声强度增量和作为SON₅₀注入后时间的函数的比率光声信号。（e）SOA纳米探针的传感机制的示意图。（f）在不存在和存在ClO-的情况下体外PAI。（g）对PBS缓冲液中不同ROS的比率光声响应（PAI₇₈₀/PAI₆₈₀）。（h）静脉内施用纳米探针之前和之后2, 4, 6, 8和24 h的裸鼠皮下4T1肿瘤的体内PAI和作为注射后时间的函数的比率光声信号。（i）作为注射后时间的函数的光声信号的比率定量。
Figure 24. （a）体内PAI和（b）使用rSPNP2或SPNP2定量蛋白质次磺酸。（c）用反苯硫酸抗体进行免疫荧光染色的机制和组织学分析的说明。（d）注射后48 h用rSPNP2或SPNP2处理的小鼠的肿瘤切片的荧光显微镜检查（来自rSPNP2或SPNP2的红色信号，来自用抗硫酸抗体染色的绿色信号和来自细胞核染色的蓝色）。（e）在注射HyP-1之前和之后5 h，携带肿瘤和对照侧翼的体内光声图像（770 nm）。（f）缺血肢体和对照的时间依赖性光声信号。

4.4、下一代的PAI对比剂
Figure 25. （a）制备SPNP-II的示意图。（b）SPNP-II的UV-vis-NIR吸收光谱。（c）在750（NIR-1）和1064 nm（NIR-II）注射SPNP-II后70 min的大鼠脑皮质的体内PAI和（d）SNR。

5、总结与展望

总之，纳米技术的快速发展极大地促进了PTT和PAI在癌症治疗和诊断中的进步。PTT是一种有效的、无创的、高度针对性的癌症治疗方法。已经发明了具有改进的PCE的新的生物相容且可降解的PTA材料，并且证明其至少在临床前实验中是有效的。一直在研究PTA的形状、大小和表面涂层对通过EPR效应或主动靶向改善其肿瘤递送效率的影响。随着靶向治疗的进步发展，肿瘤积累已经受益于全球光热治疗的临床前成功增加所观察到的。此外，光热效应可以调节TME以提高肿瘤递送效率，这可以通过向PTA添加响应性质以使其“聪明”来进一步改善。最重要的是，已经彻底研究了新的颗粒内工程方法，以最大化非辐射能量转移，从而导致更高的PCE。这成功地导致了多模式成像引导PTT的发展，导致在体内动物模型中同时监测治疗功效和治疗反应。此外，与单独的PTT相比，将PTT与其他疗法相结合可以潜在地治疗激光照射范围之外的肿瘤并获得更好的治疗效果。

文献链接：Photothermal therapy and photoacoustic imaging via nanotheranostics in fighting cancer（Chem. Soc. Rev., 2018, DOI: 10.1039/c8cs00618k）

通讯作者及其团队简介

陈小元教授：1993年和1996年分别获得南京大学化学学士和硕士学位，随后1999年获得美国爱达荷大学博士学位。经过Syracuse大学和Washington大学圣路易分校博士后训练，于2002年进入南加州大学放射学系任助理教授，2004年转入斯坦福大学，2008年升为副教授。2009年陈博士加入美国国立卫生研究院(NIH)生物医学影像及医学工程所(NIBIB)任终身资深研究员，分子影像及纳米医学实验室主任。2010，2012年获NIBIB Mentor Award, 2014年获 NIH Director’s Award。陈博士的科研方向主要涉及体外诊断，体内成像，基因/药物的纳米载体，以及诊疗一体化。ACS Nano等多家杂志的编委，Theranostics杂志的创刊主编，中美核医学及分子影像学会(CASNMMI)前任主委，中美纳米医学及纳米生物技术学会（CASNN）现任主委。

戴志飞教授： 北京大学工学院生物医学工程系，教授，博导，国家杰出青年基金获得者、教育部新世纪优秀人才、国家重点研发计划首席科学家。1998年于中科院理化所获博士学位并留所工作，先后前往日本、德国和美国工作。2005年被哈工大生命科学院引进回国，2012年加盟北京大学工学院生物医学工程系。现担任中国医师协会介入医师分会介入医学工程专委会副主任委员、中国生物医学光子学会副主任委员、中国医药生物技术协会纳米生物技术分会副主任委员、中国医学超声装备协会常务委员，中国超声分子影像专业委员会常务委员、中国声学学会委员，Bioconjugate Chem副主编，以及Theranostics、J Interdiscip Nanomed、《中华核医学与分子影像杂志》等期刊编委。

本文由材料人生物材料组小胖纸编译。

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