李金林 劉小慧 周暢 劉朝奇 趙云

1三峽大學(xué)醫(yī)學(xué)院（湖北宜昌443002）；2 三峽大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院超聲科（湖北宜昌443002）

聲動力療法（sonodynamic therapy，SDT）是在光動力療法（photodynamic therapy，PDT）基礎(chǔ)上發(fā)展而來，由YUMITA 等[1]于1989年提出，單獨(dú)超聲波對腫瘤組織具有一定的殺傷力，口服或者靜脈注射聲敏劑后，聯(lián)合使用一定頻率的超聲輻照，殺傷效力明顯增強(qiáng)，能夠誘導(dǎo)顯著地細(xì)胞損傷。聲敏劑是SDT的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，分為卟啉類及其衍生物、氧雜蒽類、化療藥物類、吩噻嗪類化合物等[2]，由于大部分卟啉類聲敏劑的水溶性差，且容易被機(jī)體代謝，只有小部分到達(dá)腫瘤組織，無法產(chǎn)生有效的治療活性，這極大地制約了SDT的應(yīng)用。納米顆粒（nanoparticles，NPs）是利用納米技術(shù)制備的納米級微?；蛭⒛?，具有靶向性好、載藥量高及體內(nèi)留存時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)，是聲敏劑的良好載體[3]。且納米顆粒能改善聲敏劑的疏水性，優(yōu)化SDT的靶向治療、藥物轉(zhuǎn)運(yùn)、多模態(tài)成像及早期診斷，將納米顆粒用于聲動力療法能發(fā)揮協(xié)同作用顯著增強(qiáng)其抗腫瘤效應(yīng)，并有望用于臨床。

1 納米顆粒增強(qiáng)聲動力抗腫瘤效應(yīng)的可能機(jī)制

1.1 活性氧機(jī)制SDT 治療腫瘤的機(jī)制研究中，最廣泛的學(xué)說是活性氧（ROS）機(jī)制，ROS 產(chǎn)生后可通過氧化細(xì)胞內(nèi)特異性化學(xué)簇，導(dǎo)致激活炎癥因子或者DNA 突變，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[4]。納米顆?？梢源龠M(jìn)ROS的生成來增強(qiáng)SDT 治療效果。ZHANG 等[5]通過熱解和相轉(zhuǎn)移制備聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）修飾的負(fù)載二氫卟吩（Chlorin e6，Ce6）的順磁性氧化鐵納米顆粒（paramagnetic iron oxide nanoparticles@Ce6，PION@Ce6），ROS 敏感性熒光指示劑DCFH-DA 用于測定細(xì)胞內(nèi)ROS 產(chǎn)生，在小鼠肝癌模型中觀察SDT的治療效果，結(jié)果表明PION@Ce6在水溶液中很好地分散和溶解，而且長時(shí)間沒有明顯的沉淀，與游離Ce6+超聲（ultrasound，US）組相比PION@Ce6+US 組表現(xiàn)出更高水平的ROS 產(chǎn)生且腫瘤細(xì)胞凋亡率最高。因此，納米顆粒用于SDT 使聲敏劑具有良好的水溶性和穩(wěn)定性，通過增加ROS的產(chǎn)生增效SDT的抗腫瘤效應(yīng)。

1.2 降低空化閾值SDT的作用機(jī)制中，超聲的空化效應(yīng)也是研究的熱點(diǎn)[6]。在超聲波作用下液體振動而產(chǎn)生數(shù)以萬計(jì)的微小氣泡，即微氣泡空化核，這些微氣泡在超聲波傳播形成的正負(fù)壓強(qiáng)下壓縮和拉伸，在氣泡被壓縮直至崩潰的瞬間，產(chǎn)生巨大的瞬時(shí)壓力和高溫，釋放出大量的能量殺傷腫瘤細(xì)胞，即超聲空化效應(yīng)[7]。超聲波的高空化閾值，導(dǎo)致治療持續(xù)時(shí)間長和超聲強(qiáng)度高，是SDT 亟待解決的問題[8]。研究[9]發(fā)現(xiàn)，二氧化鈦納米顆粒（titanium dioxide nanoparticles，TiO2NPs）可以被作為空化促進(jìn)劑，豐富空化成核位點(diǎn)降低空化閾值來增強(qiáng)超聲空化效應(yīng)。MIYOSHI 等[10]制備了TiO2NPs，分為US 組和US＋TiO2NPs 組，使用光譜分析儀檢測空化信號，證實(shí)US＋TiO2NPs 組空化信號較US 組增加了28%，加速了靶組織的壞死，縮短了治療時(shí)間，避免損傷周圍正常組織，因此納米顆粒用于SDT 使空化效應(yīng)顯著增強(qiáng)，治療更具安全性和有效性。

1.3 抑制腫瘤血管生成新生血管的形成是腫瘤生長和侵襲的重要因素，血管內(nèi)皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）可在體內(nèi)誘導(dǎo)血管新生，有效的促進(jìn)血管及淋巴管的再生。SDT能夠通過多種機(jī)制破壞血管屏障，增加藥物轉(zhuǎn)運(yùn)并明顯減少腫瘤組織血液供應(yīng)，并抑制血管內(nèi)皮生長因子表達(dá)，從而抑制血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖、遷移，進(jìn)而抑制血管管腔的形成[11]。聯(lián)合納米顆?？梢栽鲂б种谱饔?。CHEN 等[12]構(gòu)建了載有紫杉醇PTX/吲哚青綠ICG的PLGA NPs，在卵巢癌細(xì)胞SKOV3 模型中觀察SDT 療效，通過積分光密度（IOD）定量分析VEGF的表達(dá)，結(jié)果顯示，納米顆粒組VEGF的IOD為各組中最低的，VEGF表達(dá)明顯受到抑制。VEGF的低表達(dá)表明納米顆粒聯(lián)合SDT 處理可有效抑制腫瘤血管生成，阻止腫瘤的繼續(xù)生長介導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡。

1.4 協(xié)同效應(yīng)利用磁性材料制備的超順磁納米顆粒在納米醫(yī)學(xué)中得到了廣泛關(guān)注[13]。磁性納米顆?？梢詫ν饧哟艌鲎龀鲰憫?yīng)，產(chǎn)生熱量，提高靶區(qū)溫度而產(chǎn)生熱效應(yīng)[14]。ZHOU 等[15]設(shè)計(jì)了超順磁氧化鐵納米顆粒（superparamagnetic iron oxide nanoparticles，SPIONs），用全氟羥基己烷（PFH）填充后，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)顯示，暴露于外部磁場后，腫瘤生長部位的溫度快速上升，產(chǎn)生熱效應(yīng)加速了靶組織的凋亡和壞死，表現(xiàn)出高效的磁熱療作用。說明納米顆粒促進(jìn)SDT 與熱療協(xié)同，對治療腫瘤提供了新的方法與思路。

2 不同納米顆粒在SDT 中的應(yīng)用展望

2.1 脂質(zhì)體納米顆粒在SDT 中的應(yīng)用脂質(zhì)體通常被用作主要的納米顆粒制備材料[16]。研究[17]表明，脂質(zhì)體納米顆粒具有優(yōu)異的生物相容性、可降解性和穩(wěn)定性，而被廣泛使用。脂質(zhì)體是由脂質(zhì)雙分子層形成的球形囊泡，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，利用脂質(zhì)雙層將疏水性藥物捕獲在內(nèi)層，保護(hù)藥物免于降解。脂質(zhì)體的高穩(wěn)定性及在脂膜保護(hù)下藥物可以被高效運(yùn)輸?shù)浇M織或靶器官。YUE 等[18]使用脂質(zhì)體作為納米載體，通過逆相蒸發(fā)法共同包封兩種疏水性分子，血卟啉單甲醚（HMME，良好的光/聲敏劑）和免疫激動劑咪喹莫特（R837），獲得的HMME-R837@Lip NPs 復(fù)合納米顆粒在水溶液中均勻分散，為粒徑均一的球體，動態(tài)光散射（DLS）測得納米顆粒動力學(xué)直徑為約157.3 nm，納米級尺寸有利于通過滲透增強(qiáng)效應(yīng)（EPR）進(jìn)入到腫瘤中，體外研究發(fā)現(xiàn)將100 μg/mL HMME-R837@Lip NPs 與小鼠乳腺癌細(xì)胞株（4T1）37℃共同孵育4 h，使用超聲輻照1 min（頻率1.0 MHz，強(qiáng)度1.5 W/cm2），細(xì)胞損傷率高達(dá)90%，但相同條件下單獨(dú)超聲輻照或HMME-R837@Lip NPs 給藥并未發(fā)現(xiàn)明顯的細(xì)胞損傷，說明HMME-R837 NPs 聯(lián)合SDT 具有協(xié)同治療效果。共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）下發(fā)現(xiàn)大多數(shù)HMME-R837@Lip NPs在4 h內(nèi)被4T1細(xì)胞迅速內(nèi)化，且沒有明顯的外排（＜3%），這種有效的細(xì)胞內(nèi)攝取和低排出顯示出納米顆粒在癌細(xì)胞內(nèi)的高聚集性，為增效SDT的治療效果提供了前提。隨后，YUE 等[18]進(jìn)一步研究了HMME-R837@Lip NPs和SDT 聯(lián)合治療后對免疫系統(tǒng)的改變，二者聯(lián)合可以增強(qiáng)腫瘤免疫治療，激活機(jī)體抗腫瘤免疫應(yīng)答，從而殺傷腫瘤細(xì)胞。在腫瘤微環(huán)境中，免疫細(xì)胞對腫瘤的起始、發(fā)展和生長起關(guān)鍵作用，樹突狀細(xì)胞（DC）是已知體內(nèi)功能最強(qiáng)、唯一能活化靜息T細(xì)胞的專職抗原提呈細(xì)胞，是啟動、調(diào)控和維持免疫應(yīng)答的中心環(huán)節(jié)。通過檢測共刺激分子CD80/CD86（樹突狀細(xì)胞成熟的代表性標(biāo)志物）的上調(diào)來評價(jià)HMMER837@Lip NPs的免疫效應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)給小鼠右胸皮下接種4T1細(xì)胞6 d后，采用尾靜脈給藥方式注射HMME-R837@Lip NPs，12 h后超聲輻照5 min（頻率1.0 MHz，強(qiáng)度1.5 W/cm2），治療3 d后發(fā)現(xiàn)單獨(dú)HMME-R837@Lip NPs 或超聲只有微量的DC細(xì)胞成熟，而在HMME-R837@Lip NPs 聯(lián)合超聲組DC成熟度達(dá)到28%，提示HMME-R837@Lip NPs 聯(lián)合SDT 能顯著促進(jìn)DC 成熟，通過激活自身免疫反應(yīng)，增強(qiáng)對腫瘤組織的殺傷力。

2.2 二氧化硅納米顆粒在SDT 中的應(yīng)用隨著納米技術(shù)的發(fā)展和對納米材料的不斷研究，發(fā)現(xiàn)有些納米材料具有獨(dú)特的光/聲特性，如Silicon NPs、TiO2NPs[19]、Fe3O4NPs[20]等，能在超聲波輻照下釋放大量活性氧類物質(zhì)，產(chǎn)生聲動力治療，開創(chuàng)了無聲敏劑型聲動力療法。WANG 等[21]利用介孔二氧化硅納米顆粒（mesoporous silica nanoparticles，MSN）包裹化療藥物紫杉醇（PTX），將葉酸（FA）及β-環(huán)糊精（β-CD）封裝在納米顆粒的表面，制得PTX@FA-β-CD/H-MSN 雙效納米顆粒（double effect silica nanoparticles，DESN），使用非熒光的對苯二甲酸檢測羥自由基（OH-）的產(chǎn)生量，發(fā)現(xiàn)暴露于超聲2 min 時(shí)，含有DESN的PBS 溶液的熒光強(qiáng)度比不含有二氧化硅納米顆粒的PBS 溶液的熒光強(qiáng)度高約4倍，提示DESN 經(jīng)超聲輻照后產(chǎn)生大量活性氧羥自由基（OH-），從而發(fā)揮聲動力治療，在體外研究中將小鼠乳腺癌細(xì)胞（4T1）與DESN 共同孵育，發(fā)現(xiàn)在不同DESN 濃度（0、5、10、20、40 μg/mL）下沒有明顯的癌細(xì)胞損傷，同樣的在單獨(dú)的不同超聲強(qiáng)度輻照處理下（0、0.4、0.6、0.8、1.0 W/cm2）細(xì)胞存活率也沒有差異。但是當(dāng)DESN（40 μg/mL）聯(lián)合超聲（0.8 W/cm2）處理時(shí)4T1細(xì)胞存活率降低至16%。說明在沒有聲敏劑的條件下，具有光/聲特性的納米顆粒聯(lián)合SDT可以產(chǎn)生明顯的細(xì)胞損傷，這無疑推動了聲動力治療的發(fā)展且對今后的聲動力治療模式提供了新的方向。

2.3 聚合物納米顆粒在SDT 中的應(yīng)用聚合物納米顆粒（polymer nanoparticles，PNP）由于其超小尺寸，多功能性和靶向性，已經(jīng)越來越多地用于各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。WANG 等[22]以聚乳酸-羥基乙酸共聚物[Poly（lactic-co-glycolic），PLGA]為材料，制備攜載青蒿素（ART）和5-氨基乙酰丙酸（ALA）的多功能納米顆粒HA-PLGA@ART/ALA NPs，將其與肝癌細(xì)胞（HepG2）共同孵育4 h，然后進(jìn)行超聲（強(qiáng)度2 W/cm2）處理60 s后，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)HA-PLGA@ART/ALA NPS 組和HA-PLGA@ART/ALA NPS+US 組的凋亡率分別為（23.1 ± 0.8）%、（39.5 ± 0.7）%，聯(lián)合治療可以顯著增強(qiáng)療效。聚合物納米顆粒的主要缺點(diǎn)是藥物突釋，在體內(nèi)藥物突然大量釋放易引起副反應(yīng)[23]。為提供安全的傳遞系統(tǒng)，殼聚糖（CS）修飾的納米顆粒成為研究熱點(diǎn)。CS（一種天然陽離子多糖）具有高相容性，低免疫原性和低毒性，其多價(jià)正電荷使CS 有粘附性，能實(shí)現(xiàn)基因、藥物的靶向遞送[24]。LU 等[25]制備了經(jīng)CS 修飾的PLGA NPs（CS-PLGA NPs），觀察紫杉醇PTX的釋放，結(jié)果顯示：PLGA NPs的藥物包封率（EE）值為65.8%，經(jīng)修飾后的CS-PLGA NPs的EE值提高至87.1%，2 h后PLGA NPs的PTX 釋放率為66.9%，呈爆發(fā)性釋放，而CS-PLGA NPs的PTX 釋放率僅為41.9%，且隨著CS 含量增加，藥物初始釋放速度更加緩慢溫和。CS對于提高給藥安全性、降低不良反應(yīng)、增加藥物包封率都有積極作用。

除了脂質(zhì)體和聚合物納米顆粒之外，金屬納米顆粒、磁性納米顆粒也是攜帶聲敏劑的有效載體。CHOI 等[26]利用具有磁性的四氧化三鐵（Fe3O4）制備磁性納米顆粒，在電鏡下看到顆粒呈圓形、大小均一、分布均勻，與葉酸FA和二氫卟吩Ce6 共價(jià)連接后，表現(xiàn)出強(qiáng)磁化性、靶向性和優(yōu)異的相容性。隨著顆粒尺寸變小，表面積與體積比變大，包封的藥物更接近顆粒表面，從而促進(jìn)更快的藥物釋放。

3 納米顆粒增效聲動力的靶向治療

3.1 納米顆粒在SDT 主動靶向治療中的應(yīng)用近年來，運(yùn)用靶向納米顆粒實(shí)現(xiàn)主動靶向治療受到越來越多地關(guān)注，使用癌細(xì)胞中特定受體的配體（如抗體、蛋白質(zhì)、多肽、核酸等）功能化納米顆粒使其具有靶向性，減少化療毒性并增加腫瘤細(xì)胞中的藥物積累[27]。經(jīng)修飾后的納米顆粒對癌細(xì)胞表現(xiàn)出更好的靶向性、低毒性、更高的腫瘤生長抑制效力[28]。靶向納米顆粒的優(yōu)勢有：（1）改善藥物的藥代動力學(xué)和藥效學(xué)性質(zhì)而不改變其分子結(jié)構(gòu)；（2）增強(qiáng)組織靶向（細(xì)胞靶向和分子靶向）；（3）逃逸固有生物屏障避免吞噬與降解，達(dá)到腫瘤細(xì)胞且不損失其有效藥物負(fù)載；（4）遞送具有不同化學(xué)性質(zhì)的多種藥物協(xié)同治療[29]。iRGD是一種腫瘤歸巢肽，腫瘤識別和高效穿透腫瘤所必需的，特異性結(jié)合表達(dá)αvβ3和（或）αvβ5蛋白的腫瘤血管和腫瘤細(xì)胞。SUN 等[30]制備了經(jīng)IRGD 修飾且攜載聲卟啉鈉（DVDMS，一種良好聲敏劑）的納米顆粒（iRGD-Lipo-DVDMS NPs），建立小鼠C6 膠質(zhì)瘤模型，隨機(jī)分兩組分別注射游離DVDMS和iRGDLipo-DVDMS NPs后取腫瘤組織進(jìn)行熒光檢測，顯示iRGD-Lipo-DVDMS 組腫瘤的熒光強(qiáng)度是游離DVDMS 組的22.12倍且熒光分布更加均勻，可見iRGD-Lipo-DVDMS NPs 具有積極的腫瘤靶向性能特異地富集在腫瘤區(qū)域。在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，由于測量顱內(nèi)膠質(zhì)瘤體積大小存在困難，所以采用中位生存時(shí)間和體質(zhì)量變化來評價(jià)療效，注射藥物后5 d內(nèi)SDT 治療兩次，結(jié)果顯示小鼠的中位生存時(shí)間為iRGD-Lipo-DVDMS NPs（40 d）明顯長于生理鹽水組（15 d）、游離DVDMS組（19 d），記錄小鼠體質(zhì)量發(fā)現(xiàn)對照組和DVDMS-SDT 組的體質(zhì)量顯著下降，iRGD-Lipo-DVDMS NPs-SDT 組輕微下降。存活時(shí)間直接反映了iRGD-Lipo-DVDMS NPs 聯(lián)合SDT在膠質(zhì)瘤中的高效治療作用，能有效延長生存時(shí)間，改善小鼠的生存狀態(tài)。表明靶向納米顆顆粒聯(lián)合SDT可以顯著增強(qiáng)藥物腫瘤靶向性，優(yōu)化治療效率同時(shí)降低副反應(yīng)，對提高治療安全性具有重要作用。

3.2 納米顆粒在SDT 被動靶向治療中的應(yīng)用被動靶向首先取決于粒徑的大小，被巨噬細(xì)胞攝取后自然積集于肝、脾等組織中，從而發(fā)揮療效。納米顆粒分子粒徑小，通過增強(qiáng)滲透和滯留（EPR）效應(yīng)在腫瘤中自發(fā)積累[31]，在被動靶向治療方面也具有很大潛能。SHEN 等[32]設(shè)計(jì)了二氧化鈦封裝Fe3O4的納米顆粒同時(shí)包覆化療藥物阿霉素（Fe3O4@TiO2-DOX NPs），將小鼠分為兩組分別注射DOX和Fe3O4@TiO2-DOX NPs后2、6、12、24和48 h后進(jìn)行體內(nèi)成像，發(fā)現(xiàn)Fe3O4@TiO2-DOX NPs組熒光強(qiáng)度比游離DOX 高2.3倍，隨著時(shí)間推移越來越多的納米顆粒沉積在腫瘤部位，且無論是否有外部磁場存在，都在腫瘤部位觀察到明亮的熒光，但在外部磁場作用下，腫瘤中的熒光更亮，表明Fe3O4@TiO2-DOX NPs 具有良好的磁靶向性和持久性。在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)Fe3O4@TiO2-DOX NPs +SDT 組腫瘤抑制率最高，提示二者聯(lián)合具有協(xié)同治療效應(yīng)。超聲波輻照產(chǎn)生的微射流在細(xì)胞膜上生成可逆或不可逆性小孔即超聲波的聲孔效應(yīng)，導(dǎo)致細(xì)胞膜通透性增加，促進(jìn)化療藥物的釋放和進(jìn)入細(xì)胞，增強(qiáng)抗腫瘤效應(yīng)。納米顆粒由于其復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)和大的表面積體積比，廣泛應(yīng)用于化學(xué)偶聯(lián)或物理包埋各種化療藥物，通過被動積累或主動靶向方法靶向進(jìn)入腫瘤[33]。納米顆粒促進(jìn)SDT與化療聯(lián)合，具有協(xié)同效應(yīng)，對于化療藥物的靶向輸送，增強(qiáng)靶區(qū)藥物濃度及療效，實(shí)現(xiàn)多功能化治療方面有重要作用。

SDT的治療效果通過超聲、MRI、CT進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與評估。納米顆?？梢杂米鞒晫Ρ葎╱ltrasound contrast agents，UCA）進(jìn)行對比增強(qiáng)成像，制備固體二氧化硅納米顆粒，可顯著提高成像對比度、精度及亮度，從而優(yōu)化治療效率[34]。MARTINEZ 等[35]將全氟碳?xì)怏w填充到中空二氧化硅納米顆粒中，可增強(qiáng)乳腺組織的超聲成像，納米顆粒表面偶聯(lián)曲妥珠單抗，可增強(qiáng)乳腺癌彩色多普勒超聲成像效果及對比度，便于早期診斷。超順磁性納米顆粒通過增強(qiáng)磁共振成像信號，表現(xiàn)出高度敏感的MRI對比功能，并提供實(shí)時(shí)成像，在靶向治療期間大大提高了診斷準(zhǔn)確性。MALVINDI 等[36]制備超順磁納米顆粒包封二氧化鈦，能夠特異性聚集于靶區(qū)，進(jìn)行磁共振T2 加權(quán)和超聲雙模成像，有助于定點(diǎn)治療和療效監(jiān)測。納米顆粒進(jìn)行雙模及多模態(tài)成像用于SDT的早期診斷和精準(zhǔn)顯影，將多種影像技術(shù)相結(jié)合，對實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療具有很高應(yīng)用價(jià)值。

4 問題與展望

納米醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展為臨床疾病的治療提供了更為有效的途徑，納米顆粒聯(lián)合聲動力療法，具有增強(qiáng)治療效改善患者預(yù)后的巨大潛力。然而，從實(shí)驗(yàn)研究轉(zhuǎn)化為臨床治療仍然是一條漫長且具有挑戰(zhàn)性的道路。研發(fā)對超聲敏感的光聲納米顆粒及增加納米顆粒載藥量，保持生物持久性和相容性仍是發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。納米顆粒能負(fù)載治療藥物（如核素、阿霉素、紫杉醇、siRNA、DNA 等），促進(jìn)SDT與放療、化療、光熱治療、基因治療相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)協(xié)同治療。納米顆粒的多模態(tài)成像適用于個(gè)性化監(jiān)測體內(nèi)腫瘤、靶向治療和檢測治療結(jié)果等方面，綜合不同成像方式的優(yōu)勢，可以更好地了解疾病的狀態(tài)及預(yù)后。相信，納米顆粒聯(lián)合聲動力治療將在臨床診斷及治療中，具有廣闊而深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。