第五章　分子影像与诊疗一体化

第一节　概 述

癌症一直是影响人类健康和寿命的最主要疾病之一，传统的诊疗模式是采取先诊断后治疗的方式，可能耽误最佳治疗时间，在治疗过程中也不能实时监测治疗效果、需要多次给药，对患者可能产生较大的毒副作用、体内清除障碍等。因而实现同时诊断与治疗是临床肿瘤学发展的必然趋势。2002年Funkhouser提出了治疗诊断一体化（theranostics）的概念，定义为结合治疗和诊断于一体，为人类疾病特别是癌症等重症疾病的诊疗提供了一种全新的思路和方法，推动现代医学由传统诊断和治疗向个体化医疗转变，以分子水平的诊断为基础，获得疾病的精确信息，根据每个患者的具体情况施行个体化用药，将减少不必要的副作用，产生更好的治疗效果。

由于纳米颗粒独特的物理、化学及生物学性质，其表面易于修饰和连接各种功能基团，使其成为诊疗一体化制剂的主要载体，一般由纳米颗粒、诊断成像域、治疗剂和靶向配体共同构成具有靶向性、诊断、治疗作用的多功能纳米复合物（图5-1），实现对肿瘤组织和细胞的靶向成像与治疗，可在治疗开始前确定疾病性质、表型并进行分期，指导治疗方法的选择和剂量的确定、预测治疗反应和评估治疗效果。理想的纳米载体要求可以保护药物防止降解、通过静脉注射给药、防止调理作用（延长循环半衰期）、可控制生物分布、药代动力学和药效学、易于清除；在纳米颗粒设计上要将药物包装在载体内、大小＜ 200nm、表面被覆亲水聚合物（如PEG、右旋糖酐、聚左旋谷氨酸等）、引入靶向部件（如抗体、多肽、糖类等）、使用具有生物相容性和可生物降解的材料。下面从纳米颗粒的选择、靶向机制、治疗剂（方法）和显像模式的选择几个方面进行介绍。

从示意图可见基于多功能纳米颗粒建立的诊断治疗一体化设计方案主要包含3个方面的要素：①针对某种疾病特异性表达的标志物选择相应的抗体、多肽、小分子、核酸适配体等，修饰在纳米颗粒表面使该纳米复合物具有特异靶向性；该部分是肿瘤诊断和治疗的关键分子识别单元，其靶向性和亲和性决定了诊断和治疗效果；②在纳米复合物核内包装化疗药物，或在其表面连接各种治疗剂，可使该纳米复合物用作投递药物的载体，达到治疗目的；③在纳米复合物表面连接各种显像模式的特异性分子探针，可将该纳米复合物用于相应的显像诊断，起到诊断、监测药物投递、评估治疗反应和监测治疗效果的作用。

某些纳米颗粒平台本身具有多功能性，如金纳米颗粒可用于光热治疗、光声显像、CT显像、拉曼显像等；某些放射性核素如¹³¹I、¹⁷⁷Lu等同时具有显像和治疗作用。

第二节　纳米颗粒的理化性质

纳米颗粒的理化性质如大小、形状、组成、电荷、疏水/亲水性和表面化学特性在决定肿瘤细胞成功摄取和相互作用中起着非常重要的作用。

一、纳米颗粒的大小

纳米颗粒的大小在细胞摄取过程中起主要作用。一般要求颗粒直径小于150nm，在体内高度稳定、分布均匀、纳米颗粒易于修饰以便连接显像剂、治疗剂和靶向元件。研究发现，40～50nm大小的颗粒在体外具有最大摄取，用于治疗癌症的颗粒大小为10～100nm，小于10nm的颗粒可通过肾脏肾小球滤过清除，较大的颗粒则通过肝脏库普弗细胞和脾脏单核-吞噬细胞系统清除。70～200nm的颗粒被动聚集至实体肿瘤，超过400nm的颗粒则认为太大。虽然已建立了纳米颗粒大小的一般范围，但也有相互矛盾的例子报道，每种纳米颗粒和不同细胞之间的相互作用仍需要单独研究。

二、纳米颗粒形状

纳米颗粒的形状在粒子与细胞相互作用中也起重要作用。粒子的对称性决定体内运行的轨迹；能适应细胞膜包裹的形状在细胞摄取时是最有效的，在棒形和球形之间，球形更容易被摄取。球体形状对称，力的分布是均衡的，在血液循环中位于血管中心。棒状形状不对称，在血液循环中易受到阻力和变力矩的作用导致颗粒运动和方向改变而聚集在血管壁上。颗粒形状对循环时间和生物分布也起重要作用，与非球形颗粒相比，球形颗粒的循环时间较短。金纳米材料被用于光热治疗，不同形状的金纳米颗粒的治疗效果也存在差异，Bhatia等课题组报道了PEG修饰的金纳米棒具有高于金纳米壳6倍的光热转换效率和较长的血液循环时间，并能在活体水平有效治疗肿瘤。

三、纳米颗粒电荷极性与亲水性

纳米颗粒表面的电荷对粒子在循环中是否与感兴趣的靶点结合或遭受非特异性结合起作用。阳离子纳米颗粒会与细胞表面带负电荷的蛋白质、聚糖、磷脂头部结合，由于细胞结合增加使纳米颗粒摄取增加。阳离子纳米颗粒也具有较高的非特异性结合和较短的血液循环半衰期。阴离子颗粒与中性粒子相比摄取也较高。电荷也在摄取机制中起作用，带正电荷颗粒被内化时以发动蛋白和F-激动蛋白依赖的方式，而带负电荷的颗粒以发动蛋白依赖的方式起作用。

如果纳米颗粒比结合的细胞表面具有更好的疏水性，则吸收增强，细胞表面吸附蛋白质的作用也增强。相反，亲水性纳米颗粒吸附蛋白质较少。因此，纳米颗粒通常包被高度亲水聚合物聚乙二醇（PEG），可减少细胞的非特异性摄取，减少血清中蛋白和其他生物分子的吸收，减少巨噬细胞的吞噬，使循环时间延长；另外，PEG的密度对癌症治疗起重要作用，高密度PEG和可卸载的PEG链是肿瘤靶向的关键。但PEG包裹的最佳条件，如包裹厚度、结构、链的长度尚未建立，是每种纳米颗粒与细胞作用时需要研究的重要因素。

此外，细胞表面的修饰也是诊断治疗一体化研究的重要内容之一，一般的靶向策略利用某种细胞表面受体的过度表达，在纳米颗粒表面修饰能与这些受体特异性结合的分子以提高亲和力，属于主动靶向，其具体分类在后面的章节详述。

第三节　纳米颗粒的种类

可用于诊断治疗一体化系统的纳米颗粒主要包括有机纳米颗粒、无机纳米颗粒和混合性纳米颗粒三类，其中有机系统包括脂质体、聚合物、树枝状大分子、聚合物胶束等；无机系统包括金、氧化铁、上转换纳米颗粒、二氧化硅、基于铜和碳的纳米颗粒等。

一、有机纳米颗粒

从20世纪70年代至今，有机纳米系统的发展经历了从单纯脂质体、表面修饰的功能化的脂质体、可生物降解的纳米颗粒、功能化的聚合胶束、功能化的树枝状大分子到功能化的聚合物。

1.脂质体

是同心封闭的不溶于水的极性脂质双层膜，自然中脂质体（liposome）是两性分子，由疏水性尾部和亲水性头部自组装形成双层脂分子球形结构，直径25～1 000nm不等。利用脂质体可以和细胞膜融合的特点，脂质体可用于转基因和药物投递，具有许多优点：一是易于根据需要增加靶向配体修改表面性质、其大小可以精确地控制、可以稳定封装和保护核内可溶性或不溶性的治疗剂。FDA批准上市的常用脂质体药物如柔红霉素脂质体（DaunoXome^®）、阿霉素脂质体（Doxil^®、Caelyx^®）与传统化疗药物相比疗效高、毒副作用低。

2.聚合物

是由单体聚合成的纳米球或胶囊聚合物（polymer），最常见的是聚乳酸/聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLA/PGLA）、嵌段共聚物和壳聚糖。PLA/PLGA具有良好的生物相容性，可降解，具有支架和缓释双重作用，应用范围广泛，已被美国FDA批准使用，可通过改变乳酸和羟基乙酸的比例合成不同的PLGA。PLA/PLGA可封装疏水性和亲水性药物制成缓释控制剂，使药物靶向至感兴趣区释放。嵌段共聚物是将两种或两种以上性质不同的聚合物链段连在一起的一种特殊聚合物，具有两亲性，为新型控制药物释放的载体材料，尤其是对蛋白、多肽和难溶性药物等。壳聚糖是半合成多糖，具有良好的生物相容性、生物降解性、便宜、安全等优点，由于其多价强阳离子特性，被广泛用作多功能纳米系统，特别是用于基因治疗中投递治疗质粒和siRNA。

3.树枝状大分子

树枝状大分子（dendrimer）是由核心分子分支扩展成树枝状的球形结构，半径2.5～8nm，是最小的纳米颗粒系统，末端可进行功能化修饰，可精确控制其分支、分子量、电荷和功能化基团；治疗剂可连接至分支末端，填充分支之间的空隙，或者疏水性治疗剂可包裹在核心中；靶向元件或显像域可连接至末端。

4.聚合物胶束

聚合物胶束（polymeric micelle）是由亲水和疏水两性大分子片段组成的胶体，包括由聚合物尾组成的疏水核和一个亲水头部。胶束一般通过浓度依赖的方式自组装形成，在胶团临界浓度以下，聚合物在溶液中保持单体的形式；高于此浓度时形成胶束。胶束纳米颗粒直径范围一般为5～100nm，可在胶束自组装时完成疏水性和亲水性化疗药物的封装。因为疏水核可溶解药物，亲水壳在体内循环时保护颗粒，这种核壳结构有利于药物投递。加入靶向元件和造影剂可以实现增强靶向性能，同时使用影像技术监测药物投递和治疗效果。胶束可由生物相容性材料组成，不产生免疫反应，有助于最后从体内清除。

二、无机纳米颗粒

由于无机纳米材料独特的物理特性、成本相对较低而更多的用于诊疗一体化。

1.金纳米颗粒

指粒径在1～250nm之间的纳米级大小的金材料，由于表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）和表面增强拉曼散射（surface enhanced Raman scattering，SERS）性质，金纳米材料显示出独特的尺寸和形状依赖的光学和光热性质。通过近红外激光激发，光子-电子和电子-电子之间相互作用产热，可以促进药物释放、用于光热治疗；利用金纳米材料对近红外光的散射，可进行暗场成像、光学相干断层显像、光声显像和表面增强拉曼成像；此外，基于纳米金颗粒开发出来的增强剂可用于CT和磁共振成像。金纳米材料具有易于合成、毒性小、生物相容性好、其光学性能亦可被精确调控、易于修饰用于结合生物靶向分子。已有报道多种尺寸和形状的金纳米材料，如金纳米壳（gold nanoshells，AuNSs）、金纳米棒（gold nanorods，AuNRs）、中空金纳米球（hollow gold nanospheres，HAuNSs）、金纳米笼（gold nanocages，AuNCs）和金纳米星（gold nanostars），它们的SPR吸收峰从可见光区到近红外区可以任意调控。SiO2@Au核壳结构是应用于光热治疗最早也是最成熟的金纳米材料，其安全性和生物相容性都进行了大量研究，并已商品化，已进入了临床试验阶段，尤其是对脑部肿瘤和颈部肿瘤研究较为深入。

2.氧化铁纳米颗粒

是由磁铁矿或赤铁矿制成的纳米晶体，其合成技术已很成熟，室温条件下氧化铁纳米颗粒（iron oxide nanoparticles，IONPs）通常具有大量饱和磁化值。在没有外部磁场的情况下，小于20nm的超顺磁性IONPs为零磁状态，加入外部磁场时可以磁化。由于IONPs具有超顺磁性、生物相容性，且价格便宜，使其成为磁共振造影剂的选择，可缩短T₂弛豫时间，在T₂或T₂^*加权图像上信号减低。当在纳米颗粒表面加上靶向配体和治疗性药物后可用于靶向诊疗一体化。

3.荧光上转换纳米粒子

指稀土上转换发光材料，是一种在近红外光激发下能发出可见光的发光材料。1996年，Auzel在研究钨酸镱钠玻璃时，发现当基质材料中掺入Yb³⁺时，Ho³⁺、Er³⁺和Tm³⁺在红外光激发下可见光发射强度可以提高2～3个数量级，由此正式提出了“上转换发光”的观点。在组织穿透能力强的近红外（NIR）光激发下，荧光上转换纳米粒子（upconversion luminescence nanoparticles，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分子产生单态氧和自由基杀死癌细胞，达到治疗的效果。近几年来，上转换发光纳米材料在生物医学方面的应用越来越多，在光动力治疗领域脱颖而出。此外，UCNPs可以和其他诊疗分子相结合，达到协同治疗和诊疗一体化的目的。

4.介孔二氧化硅纳米颗粒

凭借其独特的理化特性应用于生物医学领域，越来越多用作为一种新型的药物运载系统。与传统的纳米药物载体如脂质体、聚合物纳米颗粒等相比，介孔二氧化硅纳米颗粒（mesoporous silica nanoparticles，MSNs）具有更高的载药容量和共载能力，使得克服肿瘤多重耐药成为可能；更重要的是介孔材料表面有大量的硅烷醇基，可以此为基础合成纳米复合材料，有利于实现肿瘤诊疗一体化。

5.碳纳米材料

由于碳纳米材料优良的理化性质、热和光学性质以及具有较好的生物相容性，使其成为诊疗一体化领域的一颗新星。碳纳米材料主要包含碳纳米管、碳量子点和石墨烯。大部分碳纳米材料在红外或及近红外区域具有很强的吸收，可用于癌症的光热治疗；碳纳米材料如碳纳米管或碳量子在可见光和红外光区域可产生荧光用于荧光显像；在激光照射下能将能量转变成声信号，可用于光声显像；此外，碳质材料的固有拉曼振动信号可以使用拉曼成像监控其体内生物分布和代谢。碳纳米材料具有独特的sp2碳结构和固有的疏水特性，药物或DNA/RNA分子可以通过疏水作用或π-π叠加吸附到碳纳米颗粒表面，从而用作药物投递载体。

6.量子点

量子点（quantum dot）是用半导体材料制成的发光纳米晶体，具有有机染料或荧光蛋白不具备的独特光学性质，如吸收光谱宽（从紫外到近红外光区）、发射光谱窄、尺寸依赖的荧光性质、摩尔吸光系数高、量子产率高、光和化学稳定性好等性质，广泛应用于生物体荧光成像研究中。通过调节量子点的大小和构成准确地调整其光学特性是量子点的独特特征。但是其生物毒性是目前一直没有解决、影响临床应用的问题。

7.其他纳米材料

除了上述纳米材料以外，其他的纳米材料还有多巴胺-黑色素纳米球、聚吡咯纳米颗粒、聚乙烯二氧噻吩、聚苯乙烯磺酸酯纳米复合物等有机材料和钯纳米片、铜硫族纳米材料等无机纳米材料，在诊疗一体化的应用方面也备受关注。

第四节　纳米颗粒的靶向机制

纳米颗粒靶向至肿瘤细胞或组织的机制主要包括被动靶向和主动靶向。

一、被动靶向

迄今为止，所有的临床应用和批准的纳米药物都通过EPR效应（enhanced permeability and retention effect，EPR）被动靶向至感兴趣区。其机制如下：正常组织中的微血管内皮间隙致密、结构完整，大分子和脂质颗粒不易透过血管壁，而肿瘤组织血管丰富、血管壁间隙较宽、结构完整性差，使颗粒容易从血液进入肿瘤组织；另一方面肿瘤淋巴回流缺失，颗粒清除减少，造成大分子类物质和脂质颗粒具有选择性高通透性和滞留性，这种现象被称作实体瘤组织的高通透性和滞留效应，简称EPR效应，被Maeda等人描述。EPR效应促进纳米颗粒在肿瘤组织的选择性分布、增加药效并减少毒副作用。动物模型的研究表明，与正常组织相比，EPR效应会导致颗粒在肿瘤内50倍聚集，颗粒循环时间延长。然而，仅依靠EPR效应被动靶向也有缺点，如许多体积大的肿瘤不均质，颗粒在整个肿瘤内不能均匀聚集；在肿瘤中心区域EPR效应无效；肿瘤间质存在负压梯度，可能限制颗粒从血管内运动到血管外，从而减少肿瘤血管高渗透性的优点；另外，并不是所有肿瘤都能通过EPR效应聚集，例如胃癌和胰腺癌。

二、主动靶向

主动靶向策略是指纳米颗粒表面的亲和配体与肿瘤细胞表面过度表达的受体直接结合，可弥补上述被动靶向的缺点。已研究的靶向配体有多种，包括抗体、多肽片段和核酸配体等。到目前为止，FDA已批准的这类复合物超过30种。以下介绍几种常用的靶向配体。

1.单克隆抗体

是目前唯一临床可获得的一类靶向配体，可识别靶细胞表面的抗原，调控肿瘤免疫或肿瘤相关信号。纳米材料通过表面连接的抗体与肿瘤细胞表面的抗原特异性结合会增加与肿瘤细胞的黏附，从而可显著提高细胞对纳米颗粒的摄取。临床可得的靶向抗体包括利妥昔单抗（美罗华）用于淋巴瘤，曲妥珠单抗（赫赛汀，Herceptin）用于乳腺癌，贝伐珠单抗用于抑制血管生成，西妥昔单抗治疗中晚期结肠癌等。然而这些单克隆抗体具有一些缺点，如多数来源于鼠或兔，应用于人体时会引起免疫反应；其分子量大，使纳米颗粒体积增大；在溶液中不稳定使自组装困难；每批次之间存在变异。为了克服这些缺陷，利用酶或噬菌体展示技术获得小片段抗体、亲和体（affibody），不仅减小了分子量，也减弱了抗体的免疫原性，使单克隆抗体的靶向功能得以充分发挥。

2.蛋白

有多种蛋白与细胞膜受体结合可用于主动靶向，包括转铁蛋白、生长因子如表皮生长因子、前列腺特异性膜抗原等。转铁蛋白是一种细胞膜糖蛋白，由于癌细胞高度增殖，在其生长过程中需要大量铁，导致转铁蛋白受体过度表达，为正常细胞的2～10倍，转铁蛋白或转铁蛋白受体抗体被用作特异性靶向分子，与其受体结合后介导细胞对铁的摄取。因此，转铁蛋白修饰的纳米材料能够特异性地到达肿瘤细胞，实现靶向肿瘤诊断和治疗。Labhasetwar等使用纳米颗粒装载紫杉醇，以转铁蛋白作为主动靶向元件，在前列腺癌细胞模型体外和体内均证明具有增高的抗增殖活性。

3.小分子

小分子是另一类常用的靶向配体，分子量小、成本低、不会降解、免疫源性低、通过各种技术易于连接至纳米颗粒上。小分子量使其在纳米颗粒表面可以达到很高的配体密度，使用噬菌体技术可以鉴定一大类靶点。研究最多的是叶酸，叶酸是细胞功能必需的一种维生素，提供DNA合成需要的元素，叶酸受体在多种肿瘤（如卵巢肿瘤、绒毛膜癌、子宫肉瘤、骨肉瘤及脑脊髓膜瘤等）细胞表面均有大量表达，可与叶酸和细胞膜叶酸结合蛋白高亲和力地结合；叶酸受体也存在于健康正常细胞，但其对携带叶酸的纳米颗粒亲和力低。纳米材料与叶酸或叶酸盐结合形成的靶向纳米材料可携带化疗药物特异性地进入叶酸受体表达高的细胞内，并将药物释放到细胞质发挥细胞毒作用。

4.多肽

靶向肽片段是由2～50个氨基酸组成的多肽，能特异性地结合靶细胞和组织，具有易合成、分子量小、高度稳定、高亲和力、低免疫原性、易于排泄等优点，近年来噬菌体肽库、细菌肽展示库和质粒肽库等的建立使肽的应用更为广泛。有许多肽受体在肿瘤组织或细胞过度表达，包括整合素、铃蟾肽受体、血管肽、促黄体激素释放激素（LHRH）、生长激素抑制素等。整合素在肿瘤细胞表面和肿瘤周围的新生血管中过度表达，研究最多的是α_Vβ₃，通过在不同的纳米材料表面连接多肽RGD可选择性的靶向至肿瘤组织。Zhan等使用PEG-PLA胶团连接cRGD，载药紫杉醇，与非靶向胶团相比，具有2.5倍的抗瘤效应。胃泌素释放肽受体（GRPR）是一个糖化7次跨膜G蛋白偶联受体，属于铃蟾肽受体家族，具有广泛的生物学功能，包括刺激胃肠道的外分泌和平滑肌收缩，GRPR在前列腺癌、乳腺癌和胰腺癌等多种肿瘤过度表达，可通过胃泌素释放肽（铃蟾肽类似物）靶向。此外，血管肽-2能与低密度脂蛋白受体相关蛋白（LRP）特异性结合，而LRP在血脑屏障和胶质瘤中高表达，故连接有血管肽-2的纳米材料可携带药物通过血脑屏障到达肿瘤内，也是一种非常有效的靶向多肽。

5.适配体

适配体（aptamer）是能够折叠成不同构象的RNA或DNA寡核苷酸片段，可与小分子、肽段、蛋白质和寡聚核苷酸高亲和性结合，其与药物结合不需要化学修饰。适配体作为靶向分子与单克隆抗体相比具有分子量小、无免疫源性、易通过肿瘤的EPR效应进入肿瘤细胞内的优点。

尽管各种主动靶向策略有以上优点，进入临床试验的靶向纳米颗粒只有6种，其中3种是聚合物，3种是脂质体。随着研究的深入，将会有更多新型的靶向纳米材料出现并应用于肿瘤的诊断与治疗中。

第五节　治疗剂（方法）的选择

治疗剂（方法）的选择在多功能纳米颗粒系统的发展中起着重要作用，目前应用于诊疗一体化纳米系统的治疗剂（方法）包括化疗、热疗、光动力学治疗、放射性核素治疗等。

1.纳米载化疗药物

癌症传统化疗具有很多缺陷，如严重的副作用、非选择性细胞毒性导致不耐受、治疗时间长、耐药、不能完全治愈、生活质量低等。在诊疗一体化纳米系统中装载化疗药物可克服上述缺陷。纳米颗粒内最常装载的化疗药物有多柔比星（阿霉素）、柔红霉素、紫杉醇等。FDA批准的脂质体药物如阿霉素脂质体（Doxil^®、Caelyx^®）、柔红霉素脂质体（DaunoXome^®）、紫杉醇脂质体已商业化，阿霉素脂质体已成为市场上最常用的抗癌药物之一。在诊疗一体化系统中使用阿霉素可增强细胞摄取、延长循环时间和增强抗癌效果。

2.热疗法

是一种新兴的肿瘤治疗手段，泛指用加热来治疗肿瘤。由于正常细胞和肿瘤细胞对温度耐受能力不同，使肿瘤组织局部或全身在一段时间内维持一定的治疗温度，可达到既能使肿瘤细胞死亡、又不损伤正常组织的治疗目的，与传统的手术治疗、放化疗相比，大大降低了毒副作用，是一种具有广阔前景的治疗手段。热疗法一般以纳米颗粒为载体，肿瘤组织对纳米颗粒特异性摄取，而正常组织摄取低。目前，基于纳米颗粒的肿瘤热疗可分为磁热疗法和光热疗法两大类。磁热疗法的原理是静脉注射或直接瘤内注射的磁性纳米颗粒在达到肿瘤病灶后，施加外部交变磁场，使纳米颗粒的磁极发生反转，将电磁能转换为热能，导致肿瘤区域温度上升，达到治疗效果。磁热疗法目前已取得了一定的进展，超顺磁性的氧化铁纳米颗粒就是一类很好的热疗材料。光热疗法（photothermal therapy，PTT）的原理是在入射光的激发下，利用光热转换效应产生的热来杀死肿瘤细胞，光和光热转换试剂是两个关键的因素。由于生物体组织和体液对近红外光（NIR，650～900nm）基本上不吸收，因而近红外光具有较好的组织穿透能力（可深达10cm），被广泛应用于光热治疗中，在近红外区具有光吸收的一系列纳米材料如金纳米颗粒在光热治疗发挥着巨大作用。

3.光动力学治疗

光动力学治疗（photodynamic therapy，PDT）是预先将本身稳定无毒性的光敏剂注入机体，由于肿瘤组织高吸收、低代谢，经一段时间光敏剂特异性沉积在肿瘤组织，在特定波长的光照射下可产生单态氧和自由基等，杀死肿瘤细胞达到治疗目的，具有微创性、靶向性高、不良反应小等优点。由于光敏剂还可以产生荧光，故将PDT和光学影像技术联用，在确定肿瘤部位的同时还能精确地进行治疗。

目前常用的光敏剂有以下一些局限性：

（1）主要是卟啉衍生物，这些分子对肿瘤组织缺乏靶向性。

（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）由于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，目前主要用于表皮或浅组织区域的肿瘤。

近年来，越来越多的纳米材料应用于PDT，荧光上转换纳米材料（UCNPs）是其中有最前途的一种，可克服目前制约光动力治疗的诸多难题，如：经过表面修饰，可得到亲水性的上转换纳米粒子，解决传统光敏剂易团聚及难以输运的问题；近红外光（波长700～1 000nm）穿透深度比可见光大一个数量级，可以克服光动力治疗难以深入组织内部的难题，且对正常组织和细胞光毒性较低，UCNPs可被近红外光激光激发转换为可见光，再由可见光激发其负载的光敏剂；通过改变掺杂的稀土离子，荧光上转换纳米粒子的发光从紫光到近红外都可调控，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；近红外连续激光器小巧、能量高、价格便宜，为UCNPs在光动力治疗实际应用提供了良好条件。

4.放射性核素治疗

利用某些放射性核素本身的物理特性即可实施诊疗一体化，也是目前比较成熟的技术，例如应用¹³¹I治疗甲状腺癌转移灶，¹⁷⁷Lu-PSMA（前列腺特异性膜抗原）治疗前列腺癌及转移灶，¹⁷⁷Lu-DOTATATE治疗神经内分泌肿瘤等，在实施治疗的同时还可以进行显像诊断和疗效监测。临床上常用的某些放射性核素如¹³¹I、¹⁷⁷Lu、¹⁸Re等可发射β和γ射线，利用这类核素在衰变过程中发射出的β射线在病变组织产生一系列的电离辐射生物效应，使细胞繁殖能力丧失、代谢紊乱、细胞衰老或死亡从而达到治疗目的，而发射的γ射线可以进行病变的SPECT显像诊断和疗效监测。由于正常细胞和病变细胞对核素射线的敏感性不同，一般细胞分裂活性越大对射线越敏感，浓聚放射性核素的能力也越强，此外通过靶向作用可增强放射性药物在病变组织的聚集，使射线破坏或抑制病变组织的同时对正常组织可不发生损伤或仅发生轻微损伤。在诊疗一体化系统中，可应用这类核素标记纳米复合物，一方面可用于治疗，另一方面利用核素发射的γ射线可进行核素显像。

5.核酸为基础的治疗

如小干扰RNA（siRNA）和microRNA（miRNA）被用于治疗多种肿瘤。siRNA是一类双链RNA，这些RNA长度通常为2 025核苷酸，干扰基因表达，与双链DNA共享互补序列，也被用于治疗癌症。miRNA是一类具有调控功能的非编码RNA，19～25核苷酸，由RNA聚合酶Ⅱ转录，其异常表达与多种肿瘤如白血病、肺癌等有关，由于miRNA对增加某些癌细胞的化学抗性起作用，因此可用作治疗靶点。在诊疗一体化系统中应用，miRNA可通过靶向纳米系统投递至靶细胞，如使用靶向脂质体投递miR-34a至转移性黑色素瘤，使用金纳米颗粒投递miR-29b至人宫颈癌HeLa细胞。

第六节　显 像 技 术

为了将诊疗一体化纳米颗粒用于诊断，需要使用分子成像技术在细胞和亚细胞水平显示人或动物的病理生理学过程，实现活体无创实时成像和长期跟踪，用于疾病的早期诊断、分期、显像药物投递和疗效评估等，有利于实现个体化医疗。目前，常用的显像模式包括光学成像（optical imaging）、光声成像（photoacoustic imaging，PAI）、超声（ultrasound，US）、X射线计算机断层扫描（computed tomography，CT）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、单光子发射断层扫描（single photon emission computed tomography，SPECT）、正电子发射断层扫描（positron emission tomography，PET）等。这些显像模式在空间分辨率、穿透深度、敏感性和生物相容性等方面各有优劣。

1.光学成像技术

利用生物体内发出的能够穿透组织的光进行显像，是研究生物体内细胞活动和基因行为的重要方法之一，具有敏感性高、无电离辐射、显像波谱宽、实时显像、价格便宜等优点，被认为是有吸引力的显像方法。缺点是组织渗透差、由于散射对噪声敏感、潜在自发荧光等。光学成像包括生物发光成像（bioluminescence imaging，BLI）、荧光成像（fluorescence imaging，FI）、拉曼成像（Raman imaging）和新兴发展起来的切连科夫发光成像（Cerenkov luminescence imaging，CLI）。BLI是将荧光素酶基因整合到细胞染色体DNA上并稳定表达，当给予其底物荧光素，即可在短时间内产生发光现象，并用来观测生物体内部细胞和分子水平的生理变化过程。FI则是利用荧光探针标记活体小动物体内的特定分子或细胞，在外源光激发作用下成像。常见的荧光探针包括有机荧光染料（如FITC、ICG、Cy5.5等）、荧光蛋白（如GFP、RFP等）和纳米材料（量子点、碳和贵金属）等。拉曼成像是表征化学信息的有力手段，它对样品的不同位置逐点扫描并获取拉曼光谱，基于这些光谱生成伪彩图像，从而显示出材料的结构信息和分布，采用SWIFTTM超快速成像技术可以在秒或者分钟内获得一幅精细的拉曼图像。CLI是通过放射性核素（如¹⁸F、³²P和¹²⁴I等）在衰变的过程中产生的带电粒子满足其在介质中的运动速度大于光在该介质中的运动速度时，产生切连科夫光来实现成像的。

2.超声成像（US）技术

利用超声的物理特性和人体器官组织对超声阻抗和衰减的差异，得到断面超声图像实现疾病诊断的目的。US由于安全性高、成本低、使用便携等特点，成为临床使用最多的成像方式之一。在分子影像领域，一些粒径几百纳米至几微米的超声造影剂被引入肿瘤的临床诊断中，这些造影剂也可被修饰和装载药物用于诊疗一体化。

3.光声成像（PAI）技术

基本原理是当宽束短脉冲激光（ns级）辐照生物组织时，位于组织体内的吸收体（如黑色素、血红蛋白和肿瘤等）吸收光能量并转换为热能使局部温度升高，导致热弹性膨胀，产生与组织吸收特性相关的超声波，并透过组织向外传播，被位于组织体表面的超声探测器接收，并以此重建组织内光能量吸收分布的图像。PA检测信号为超声波，反映的是光学信号，因而既具有光学成像对比度高、对组织功能特性敏感的优势，又具有声学成像深度大、深处组织成像分辨率高的特性。此外，光声成像在低能量密度的电磁辐射下就可以获得高信噪比的光声信号，因而可以避免高强度电磁辐射对生物组织产生的损伤。总体来说，PA在临床诊断以及活体组织结构和功能成像等领域有广泛的应用前景。根据成像深度，我们可以选择不同的成像模式（如具有光学分辨率的光声显微镜，具有声学分辨率的声学显微镜和光声断层成像等），获得不同的分辨率，因而光声成像能实现从细胞器到细胞、组织乃至器官等不同层次的成像。生物组织的光学吸收既可能产生于内源性分子如水、DNA/RNA、黑色素和血红蛋白等，也可能产生于各种外源性的造影剂。外源性的造影剂主要是金纳米材料、碳纳米管、硫化铜和高分子聚合物等具有光吸收的物质。

4.X射线计算机断层扫描（CT）

是一种基于X射线的三维重建成像技术，由于不同的组织对X射线的吸收能力不同，透过组织的X射线剂量也不同，通过测定不同部位组织X射线的透过剂量并重建出组织断层面三维影像，CT扫描可提供很好的解剖分辨率，目前广泛使用的CT造影剂主要是一些含碘的分子，由于缺乏主动靶向性、呈现非特异性的生物分布、易于被肾脏清除的快速药物动力学的特性使其在临床应用中有一些局限性。纳米材料的出现为CT成像提供了新的造影剂，与含碘的小分子相比，金纳米材料不仅具有更高的X射线吸收系数，血液循环时间长、具有更好的生物相容性、表面更易于官能团化实现特异性靶向。用于CT的纳米颗粒材料包括核-壳结构、脂质体、金、铋和树枝状聚合物等。

5.磁共振成像（MRI）

是基于磁共振原理的医学影像技术，具有空间分辨率高、多参数、多方位成像和剖面成像不受组织影响等特点，是临床诊断中非常重要的成像手段之一。MRI的敏感性较低，因而使用造影剂增强信噪比是不可或缺的。按弛豫方式，造影剂可分为两大类。T₁造影剂可以缩短T₁弛豫时间，导致磁共振信号增强，实现T₁加权像的对比增强。典型的T₁造影剂是一类由顺磁性金属离子（Gd³⁺，Mn²⁺和Fe³⁺）和螯合配体组成的金属有机配合物。随着Gd配合物的不断改善和在临床上的应用，一些顺磁性的含Gd的无机纳米材料（如 Gd₂O₃，GdF₃，GdPO₄和NaGdF₄等）也作为新的T₁造影剂，表现出优良的性质。此外，水溶性的MnO纳米颗粒也作为造影剂应用于脑、肝和肾等人体器官的T₁成像。3～4nm的超小氧化铁有较高的r1值，较低的r2/r1值和良好的生物相容性，也被作为T₁造影剂应用于MRI中。T₂造影剂缩短质子T₂弛豫时间，导致磁共振信号减弱，实现T₂加权像的对比增强，以磁性氧化铁为主。发展新型的高性能的MRI造影剂势在必行。例如，已报道的CoFe₂O₄，MnFe₂O₄，NiFe₂O₄和FeC等纳米颗粒具有较高的磁饱和强度，有效地缩短了T2弛豫时间，实现了更好的MRI对比信号增强。

6.放射性核素显像

包括单光子发射断层扫描（SPECT）和正电子发射断层扫描（PET）。SPECT应用的是单光子核素 ^99mTc、¹³¹I、¹¹¹In、²⁰¹Tl、⁶⁷Ga等，这些核素标记携带靶向配体和药物的纳米复合物用作诊疗一体化制剂，示踪剂在靶组织或靶器官聚集，SPECT显像可以指示发射γ射线最高浓度的位置，可提供360°的图像，重建可产生三维图像。使用SPECT的优点是不需要信号放大、本底低、敏感性高。缺点是空间分辨率低、有辐射、探测仪器体积大。

PET应用正电子核素如¹¹C、¹⁵O、¹⁸F、¹¹¹In、⁶⁴Cu、⁶⁸Ga等标记纳米复合物，制备成本更昂贵，示踪剂在衰变过程中发射正电子，运行较短距离后与周围物质中的电子相互作用发生湮灭辐射，产生能量相等、方向相反的2个γ光子，同时被相反方向的2个探测器所探测，通过计算机处理采集的信息，显示出断层图像。其优点是直接产生三维图像，具有更高的敏感性，所需放射性核素的剂量较少。缺点是分辨率低、价格昂贵、有辐射。

第七节　诊疗一体化纳米颗粒的设计及应用

诊疗一体化纳米颗粒平台一般可设计为以下几种方式：①在显像纳米颗粒（如量子点、氧化铁和金纳米颗粒等）表面连接治疗剂（如抗癌药物、光敏剂等）；②在治疗性纳米颗粒上附加显像（对比）剂（如荧光染料、光学或磁性纳米颗粒和多种放射性核素）；③在一个生物相容性纳米颗粒（如聚合物纳米颗粒、铁蛋白纳米笼和多孔硅纳米颗粒）中同时封装显像剂和治疗剂；④也可设计为本身同时具有显像和治疗功能的独特纳米颗粒（如porphysomes、⁶⁴Cu-CuS、金纳米壳或笼）。为了延长血液循环半衰期和提高主动靶向能力，可使用PEG和不同的靶向配体进行表面修饰。多模式显像和多重治疗也是纳米诊疗一体化领域研究的热点。诊疗一体化纳米系统除了应用于肿瘤领域，也应用于其他疾病，如心血管疾病、感染性疾病等。目前FDA已批准了35种显像或治疗纳米颗粒用于临床试验，诊疗一体化纳米颗粒还处于早期转化阶段。

（覃春霞）

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