譚慧龍，朱洪輝，熊巨良

(邵陽學(xué)院附屬第二醫(yī)院，湖南 邵陽，422000)

隨著社會的發(fā)展進(jìn)步，人民群眾對高水平醫(yī)療服務(wù)的需求也日益高漲。在這樣的背景下，單一的診斷或治療手段已不能滿足社會需要[1-12]，因此，具備多模式診斷和治療功能的診療一體化方向成為研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，而合適的多功能集成平臺的研發(fā)是診療一體化方向的核心，見圖1。稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料最初因?yàn)槠洫?dú)特的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)而備受關(guān)注。隨著研究的深入，研究者們發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整成分配比，可使稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料同時(shí)發(fā)出多種影像學(xué)信號，從而實(shí)現(xiàn)多模態(tài)同步成像。同時(shí)由于稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料具有特殊的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)，使得深部組織的光動力治療和光熱治療成為可能。隨著納米材料表面修飾技術(shù)的發(fā)展，更多功能性組件可與稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料相連接，展現(xiàn)了其作為多功能集成平臺實(shí)現(xiàn)診療一體化的巨大潛力[13-20]。本文主要對稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料在輔助診斷和輔助治療領(lǐng)域內(nèi)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并對其在診療一體化的未來趨勢進(jìn)行展望。

圖1 診療一體化關(guān)鍵技術(shù)示意圖

1 輔助診斷

在臨床實(shí)踐中，各種成像技術(shù)可有效地輔助臨床診斷，提高疾病治愈率。但由于單模態(tài)成像的自身缺陷，臨床對于多模態(tài)成像的需求也日益高漲。通過人為調(diào)控，稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料可同時(shí)適應(yīng)不同成像模式，為臨床提供更為全面的影像信息，從而進(jìn)一步提升臨床診斷的精度和速度[21-24]。

1.1 單模態(tài)成像

目前單模態(tài)成像技術(shù)主要有五大類，分別為光學(xué)成像(如熒光成像，F(xiàn)I)、放射性核素成像(如正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層成像，PET)、計(jì)算機(jī)斷層掃描成像(CT)、磁共振成像(MRI)及超聲成像(US)。各單模態(tài)成像技術(shù)優(yōu)勢不盡相同，其中光學(xué)成像具有無放射性損害，直觀等優(yōu)勢[25-29]。但由于常規(guī)光學(xué)成像一般處于可見光區(qū)(400～700 nm)，波長較短的可見光一方面穿透能力有限，另一方面易受自體熒光背景干擾，導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)深部組織的有效成像，極大限制了光學(xué)成像在臨床的應(yīng)用。稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料因其自身獨(dú)特的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)，在接受980 nm激發(fā)光照射后可發(fā)出近紅外光。長波長的近紅外光不僅穿透性較可見光明顯增強(qiáng)，而且不易受自體熒光背景干擾，可有效實(shí)現(xiàn)深部組織的光學(xué)成像[30-31]。

WANG等[32]通過納米材料表面修飾技術(shù)制備了可主動靶向卵巢癌細(xì)胞的稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料(DCNPs-L1/L2-FSHβ)。隨后，該課題組成員將稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料注入小鼠體內(nèi)，利用該材料在腫瘤部位富集并發(fā)出近紅外光的特點(diǎn)，在光學(xué)成像指引下，可將肉眼不能明確分辨的腫瘤部位(≤1 mm)完全切除，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)成像在手術(shù)導(dǎo)航操作中的應(yīng)用。

除了用于明確區(qū)分腫瘤部位外，ZHAO等[33]通過調(diào)換稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料表面的功能化組件后實(shí)現(xiàn)了對生物體炎癥部位的成像。由于與正常部位相比，炎癥部位具有較高的活性氧濃度，而谷胱甘肽中的巰基可被活性氧氧化交聯(lián)形成二硫鍵從而造成谷胱甘肽的富集。研究者利用表面修飾技術(shù)將谷胱甘肽與稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料連接，獲得可在炎癥部位富集的稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料DCNP@GSH，實(shí)現(xiàn)了對生物體內(nèi)炎癥部位的準(zhǔn)確定位。

相較于光學(xué)成像，磁共振成像作為目前最先進(jìn)的非損傷性成像技術(shù)，在臨床一線有著更為廣泛的應(yīng)用[34]。臨床常見磁共振造影劑為含釓造影劑，而通過制備過程中釓元素的摻雜，稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料同樣可作為造影劑參與磁共振成像。DE等[35-36]以含釓稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料為基礎(chǔ)(NaGdF4-TAT NPs)，利用細(xì)胞穿膜肽(TAT peptides)對T細(xì)胞高效追蹤，試圖通過磁共振成像來探尋針對神經(jīng)膠質(zhì)瘤的T細(xì)胞過繼免疫療法的病理生理機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料NaGdF4-TAT NPs可有效追蹤T細(xì)胞并獲得清晰成像，為未來實(shí)現(xiàn)磁共振成像引導(dǎo)下的神經(jīng)膠質(zhì)瘤患者個(gè)體化免疫治療奠定了基礎(chǔ)。

1.2 多模態(tài)成像

由于單模態(tài)成像技術(shù)自身天然的局限性，患者有時(shí)需做多個(gè)大型成像檢查來確定病因，而在多個(gè)大型檢查的轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)也隨之升高，多模態(tài)成像由此應(yīng)運(yùn)而生。而作為多模態(tài)成像技術(shù)的核心，尋找可發(fā)出多種影像學(xué)信號的材料又是其中的關(guān)鍵[37-38]。

JIN等[39]將鏑元素?fù)诫s入經(jīng)典稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料NaGdF4中，使稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料(PEG-NaGdF4:Dy)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)磁共振成像和計(jì)算機(jī)斷層掃描成像。成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過磁共振成像和計(jì)算機(jī)斷層掃描成像的優(yōu)勢互補(bǔ)，該稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料(PEG-NaGdF4:Dy)可顯著提高肝臟、脾臟等部位的成像效果。

ZHAI等[40]利用稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料(LiLuF4@LiGdF4:Yb，Tm@LiGdF4)實(shí)現(xiàn)了光學(xué)、磁共振和計(jì)算機(jī)斷層掃描多模態(tài)成像。在計(jì)算機(jī)斷層掃描成像方面，同濃度下稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料的X射線吸收能力甚至優(yōu)于臨床常用的CT造影劑碘比醇的吸收能力，展現(xiàn)了其作為CT造影劑的巨大潛力。

目前關(guān)于稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料的多模態(tài)成像應(yīng)用報(bào)道中，集成度最高的為美國紐約州立大學(xué)和威斯康辛大學(xué)的研究者們實(shí)現(xiàn)的近紅外熒光成像、上轉(zhuǎn)換熒光成像、光聲成像、切倫科夫光學(xué)成像、計(jì)算機(jī)斷層掃描成像及正電子發(fā)射斷層掃描成像的六模態(tài)成像。以稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料(PoP-coated NaYbF4:Tm-NaYF4)為基礎(chǔ)的六模態(tài)成像實(shí)驗(yàn)的成功充分證明了更多模態(tài)成像的可行性，有力證明了稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料在成像領(lǐng)域的高集成性能[41]。

2 輔助治療

除了輔助診斷外，稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料的高集成性能輔以自身獨(dú)特的上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)制，使其在搭配具有特定用途的功能化組件后即可實(shí)現(xiàn)輔助治療(光動力治療、光熱治療等)[42-43]。

2.1 光動力治療

光動力治療是指在激發(fā)光的照射下，光敏劑吸收激發(fā)光能量后產(chǎn)生活性氧殺滅腫瘤細(xì)胞的治療方法。與傳統(tǒng)的放化療手段相比，光動力治療手段相對溫和，全身性不良反應(yīng)相對較少[44-46]。腫瘤的光動力治療起步于20世紀(jì)，我國2010年由中華醫(yī)學(xué)會發(fā)表了光動力治療的《臨床技術(shù)操作規(guī)范》，有力推動了光動力治療的發(fā)展。由治療原理可知，激發(fā)光、光敏劑和活性氧是影響光動力治療的重要因素。受限于短波長激發(fā)光的穿透能力，位于組織深處的光敏劑無法接受激發(fā)光照射，致使光動力治療不適用于深部組織的治療。因此，具備上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)的稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料進(jìn)入了研究者的視野。LUCKY等[47]設(shè)計(jì)并制備了內(nèi)含光敏劑TiO2的稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料(Mal-PEG-TiO2-UCN)。在980 nm近紅外光照射下，該稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料可發(fā)射紫外光激活外圍包裹的光敏劑，使之產(chǎn)生活性氧來殺滅腫瘤細(xì)胞。動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果有力驗(yàn)證了這一預(yù)測，應(yīng)用該稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料進(jìn)行光動力治療的實(shí)驗(yàn)組小鼠50 d內(nèi)存活率仍可達(dá)100%，而其他實(shí)驗(yàn)組小鼠存活率在40 d左右皆降至0。

腫瘤部位的活性氧濃度也是影響光動力治療的關(guān)鍵因素之一，但由于腫瘤部位特殊的生理結(jié)構(gòu)常導(dǎo)致微環(huán)境極度缺氧，因此，如何改善腫瘤部位的缺氧微環(huán)境也是亟待解決的問題。SUN等[48]設(shè)計(jì)制備了內(nèi)含光敏劑Ce6和催化劑hMnO2的稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料(hMnO2-UCNP-Ce6，簡稱hMUC)。該稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料一方面可克服短波長激發(fā)光的穿透性限制，另一方面可通過hMnO2催化內(nèi)源性過氧化氫分解產(chǎn)生氧氣來改善腫瘤部位的缺氧狀況。經(jīng)過14 d的分組實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用hMUC進(jìn)行光動力治療的實(shí)驗(yàn)組小鼠腫瘤體積明顯縮小，應(yīng)用不含hMnO2的稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料進(jìn)行光動力治療的實(shí)驗(yàn)組小鼠腫瘤體積輕微增大，而其他實(shí)驗(yàn)組小鼠腫瘤體積則顯著增大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料可有效支持針對腫瘤的光動力治療。

2.2 光熱治療

光熱治療是指光熱材料接受特定光源照射后產(chǎn)生熱能，產(chǎn)生局部高溫來殺滅腫瘤細(xì)胞的治療方法[49-50]。但同光動力治療一樣，光熱治療的原理決定了它同樣需要穿透性強(qiáng)的長波激發(fā)光來啟動光熱治療。因此，稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料在光熱治療領(lǐng)域同樣備受關(guān)注。QIAN等[51]設(shè)計(jì)制備了內(nèi)含光熱材料納米金的稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料(NaYF4:Yb，Er@NaYF4@SiO2@Au)。在980 nm激發(fā)光照射下，該稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料通過光熱治療手段可殺滅超過六成的神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞。

SHAN等[52]設(shè)計(jì)制備了內(nèi)含光熱材料PPy的稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料(PPy@BSA-Gd/Dy NPs)。在808 nm激發(fā)光照射下，稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料展現(xiàn)出對人宮頸癌細(xì)胞和小鼠乳腺癌細(xì)胞明顯的光熱毒性。動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果亦表明該稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料可明顯抑制腫瘤生長，提高存活率。經(jīng)過50 d的分組觀察，應(yīng)用稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料PPy@BSA-Gd/Dy NPs進(jìn)行光熱治療的實(shí)驗(yàn)組小鼠腫瘤體積明顯減小，總體生存率仍大于80%，而其余對照組小鼠腫瘤體積明顯增大，總體生存率皆降至0。

2.3 聯(lián)合治療

在臨床實(shí)踐中，當(dāng)單一治療手段不能取得滿意效果時(shí)，多種手段的聯(lián)合治療是較為常見的解決方法。2012年相關(guān)學(xué)者在《自然-生物技術(shù)》雜志上發(fā)表的文章中明確表明，多種方式的聯(lián)合治療可明顯減緩腫瘤進(jìn)展[53]?；瘜W(xué)治療、手術(shù)治療及放射治療是目前臨床治療惡性腫瘤的三大常規(guī)手段，所以，聯(lián)合治療組合也主要圍繞這三種手段展開[54]。但隨著納米材料制備技術(shù)的突飛猛進(jìn)，更多的功能化組件的集成，使得新型聯(lián)合治療手段成為可能。

雖然大多數(shù)抗惡性腫瘤藥物存在對癌細(xì)胞的選擇性較低、易發(fā)生全身性藥物不良反應(yīng)等缺點(diǎn)，但目前仍是治療惡性腫瘤的重要手段，新型聯(lián)合治療也多在化學(xué)治療的基礎(chǔ)上展開。ZHU等[55]將化療藥物DOX和光熱材料PdPc集成于稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料中(YSUCNP-PdPc@DPPC-DOX)，在生物體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了面向腫瘤的聯(lián)合治療。動物試驗(yàn)結(jié)果表明聯(lián)合治療組小鼠腫瘤體積逐漸縮小，而多個(gè)對照組小鼠腫瘤體積則較前明顯增長，展現(xiàn)了良好的聯(lián)合治療效果。

WANG等[56]設(shè)計(jì)制備了一種包含靶向制劑FA、化療藥物HCPT、光敏劑RB及富氧制劑PFH的稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料(FA/UCNPs-RB/HCPT/PFH)，通過FA賦予的主動靶向性及PFH賦予的高氧含量，有效地提高了化療及光動力治療效率。經(jīng)過28 d分組觀察，應(yīng)用稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料FA/UCNPs-RB/HCPT/PFH進(jìn)行聯(lián)合治療的實(shí)驗(yàn)組小鼠腫瘤體積明顯減小，腫瘤抑制率最高可達(dá)92.35%，明顯比其他治療組的高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高集成性稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料可作為聯(lián)合治療的有效載體，實(shí)現(xiàn)不同治療手段的互補(bǔ)，從而獲得較好的治療效果。

3 總結(jié)與展望

隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，不同類型的納米材料正在各個(gè)領(lǐng)域嶄露頭角。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，納米材料與藥物傳遞、疫苗研發(fā)、診療一體化等方向密切相關(guān)。稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料因?yàn)樽陨沓錾募尚阅?，使其逐漸成為診療一體化研發(fā)領(lǐng)域的熱門。諸多細(xì)胞和動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有力證明了稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料在輔助診斷和治療方向的應(yīng)用潛力。盡管如此，稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料仍有許多亟待解決的問題，其中以穩(wěn)定性及安全性最為重要。安全性作為最基礎(chǔ)的屬性是不可回避的問題，而目前對于稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料的毒性研究仍存在很大局限，無法獲得可靠的結(jié)論。在穩(wěn)定性方面，納米材料特殊尺寸決定了其不能保持長期穩(wěn)定，而臨床一線無法像實(shí)驗(yàn)室一般獲得新鮮制備的納米材料，這就極大限制了納米材料的臨床應(yīng)用。目前研究領(lǐng)域仍側(cè)重于增加稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料在輔助診斷和治療領(lǐng)域的應(yīng)用范圍及效果，對于納米材料的穩(wěn)定性及安全性考慮依舊較少，因此，進(jìn)一步明確納米材料的穩(wěn)定性及安全性是稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料應(yīng)用于臨床的關(guān)鍵。