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癌症诊断纳米材料治疗应用

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摘要:癌症的发病率日益增高,已经成为危害人类健康的重大疾病,由于其本身的复杂性和特殊性,传统的诊断和治疗方式在临床上已经显现出不足,因此人们致力于开发新型的诊疗方式。近些年,纳米技术的兴起为癌症的诊疗提供了新思路,利用纳米材料不仅可制备癌症诊断的探针,还可作为载体装载抗癌药物进行治疗。文章介绍几种代表性纳米材料在癌症诊断和治疗上的应用情况,并为其未来的发展前景进行了展望。

关键词:癌症;纳米材料;诊断探针;治疗

近年来,癌症成为了威胁人类健康的第一杀手,在我国胃癌、肝癌和肺癌是3种发病率最高的癌症。早期的癌症难以发现,而癌细胞又易通过淋巴血管等途径转移扩散,导致癌症的治愈居高不下。目前临床癌症的治疗方法是手术治疗、放射治疗和化学治疗[1]。然而,手术治疗存在高风险、创伤面积大和易复发的缺点;放疗和化疗在杀死癌细胞的同时会损伤机体的正常细胞,导致正常生理功能受损。因此,人类急需开发新型的癌症诊疗策略攻克这一医学难题。纳米技术的飞速发展为癌症的诊断和治疗带来了新的策略,纳米材料具有良好的光学性质、磁学性质和电学性质,利用这些性质,人们可以开发出检测肿瘤标志物的传感器进行癌症诊断,也可以制备药物载体进行靶向释放药物。通过不断优化纳米材料,人们构建起来稳定、高效的纳米诊断系统和治疗系统,这将为癌症的诊疗提供强大的技术支持,纳米材料在癌症的诊疗中的应用具有诸多优势,如检测信号强特异性高、对癌细胞具有选择性和特异性、能降低药物的剂量减轻药物的副作用等[2]。然而,目前大多数纳米材料的应用研究都停留在基础阶段,特别是在癌症的诊疗过程中面临安全性和代谢等问题,因此开发性能优良的纳米材料依然是今后科研工作的重点。

1超顺磁铁氧化物纳米颗粒

超顺磁铁氧化物纳米颗粒通常是人工合成的磁性纳米颗粒,包括纳米级的γ-氧化铁、α-氧化铁和四氧化三铁。这些纳米颗粒具有超顺磁性,在磁场作用下能够迅速磁化,并达到磁饱和状态,当磁场消失后,又能立刻去除磁化作用,因此能够对其进行导向标靶,引导其到达生物组织的特定部位,提供诊断和治疗的靶向性。超顺磁铁氧化物纳米颗粒在生物医学中应用要满足以下条件:1)颗粒尺寸在1nm~100nm之间;2)表面电荷稳定;3)易于包覆修饰及链接配体和药物。由于超顺磁铁氧化物纳米颗粒具有超顺磁性,在核磁共振成像中,人们常将其作为增强磁信号的造影剂,以提高核磁共振成像的效果[3]。超顺磁铁氧化物纳米颗粒在核磁成像过程能够在外界磁场的作用下被迅速磁化,磁化的纳米颗粒能够在生物组织的特点部位能显著提高核磁共振成像的对比度,弥补了普通核磁共振成像在特定位置成像效果不足的缺点。此外,超顺磁铁氧化物纳米颗粒具有较高的生物安全性,其中Fe3O4已经被批准应用于临床作为核磁共振检测的造影剂。除了诊断功能,超顺磁铁氧化物纳米颗粒也可以作为药物载体应用在癌症的治疗方面[3],将抗癌药物装载在纳米颗粒的表面,由于其顺磁性的特点能够将药物在特定的靶点进行释放,并使抗癌药物集中释放,不被吞噬细胞和免疫系统摄取,而且不会引起血管的堵塞产生血栓等反应。此外,如果在交变磁场的作用下,超顺磁铁氧化物纳米颗粒药物载体可以产生一定的热量,该热效应也有治疗的作用,会与药物治疗一起协同进行肿瘤的消除。超顺磁铁氧化物纳米颗粒也可以同时实现核磁诊断和药物载体的双功能,进行疾病的诊疗一体化研究,尽管这种材料的研发还在起步阶段,但是其特殊性具有很大的发展潜力,在未来一定会为癌症的诊疗做出巨大的贡献。尽管超顺磁铁氧化物纳米颗粒存在诸多优势,但目前这一材料的应用仍然有一定局限性,如作为药物载体使药物释放过早,难以进行药物缓释;建立梯度磁场进行磁性材料的诊断需要的设备昂贵,成本高,基层医院难以普及等。因此,人们还需要研发出材料的表面修饰技术,以实现磁性纳米材料的智能化,使超顺磁铁氧化物纳米颗粒的药物载体能调控药物释放的时间,同时降低诊断设备的生产成本,提供核磁诊断的普及率。

2贵金属纳米颗粒

贵金属纳米颗粒通常包括金、银和铂等贵金属纳米材料,目前材料学家在实验室条件下,已经能够通过不同的合成条件制备出多种形态的贵金属纳米颗粒,如球形、棒状和星形等。贵金属纳米颗粒的形态通常能够决定材料的理化性质,如球形的金纳米材料在可见光区通常有较强的吸收光谱,而棒状的金纳米材料则在近红外区有较强的吸收光谱。贵金属纳米颗粒的尺寸分布在100nm之内的,其特点是单分散性好,易于制备,因其本质是金属材质具有优良的电学性质。贵金属纳米颗粒还具备良好的生物相容性,颗粒的表面易于和蛋白和核酸等生物大分子结合,被广泛应用生物医学的研究中。在癌症的诊断方面,贵金属的金和银通常有表面增强拉曼散射的性质,可以作为计算机断层扫描(CT)的造影剂,提高信号强度,清晰地区别骨骼和其他组织,用以进行体内各种病灶的早期诊断,这将有望实现肿瘤及肿瘤转移的早期确证[4]。另外,局部表面等离子共振效应是金属材质的纳米颗粒的特殊性质,利用其可以实现肿瘤的光声成像。纳米贵金属在治疗方面,具有抗肿瘤、载药和抑菌等作用。在抗肿瘤方面,纳米金银能够高效地吸收近红外光,并将近红外光转换为热量用于光热治疗,动物实验表明经该方法治疗的肿瘤能够明显减小甚至消失,另外纳米级的银材料也可以利用自身的细胞毒性进行癌细胞的消除。如果将光敏剂通过化学键与纳米金银耦合,在光照条件下还可进行光动力学治疗。纳米贵金属是良好的药物载体,通常人们将纳米贵金属置于材料的核心,通过外部修饰(如包覆硅材料)或利用特殊的化学键链接等方式,将药物装载到纳米贵金属的表面制备成新型的抗癌制剂,载药治疗的优势不仅能够防止药物达到肿瘤部位前释放,而且可以有效确证治疗部位以实现定点靶向治疗。此外,纳米金银等的表面增强拉曼散射、局部表面等离子共振效应、光热、光动力以及载药等功能结合在同一材料中可以实现癌症疾病的诊疗一体化应用。

3脂质体纳米粒

脂质体纳米粒是由双分子层脂质囊泡和纳米微粒在水溶液中自发形成的组装体,其内部支撑的骨架是纳米微粒,外部是具有良好生物相容性的脂质囊泡。脂质体纳米粒的形成也是基于内部的纳米微粒和外部的脂质体相互作用,在一定温度的条件下将两者共同孵育,脂质体接触到纳米微粒后会产生融合作用,在内核纳米微粒的表面自组装成连续的双分子层。该纳米材料的主要优势如下:1)尺寸可控且制备简单;2)容易表面修饰,具有诊断和治疗的靶向性;3)药物、基因等内容物的包埋率高,能有效减少药物的损失和降解;4)其外壳的主要成分与生物膜相似,具有极高的生物相容性,且不会引起细胞的免疫反应。因此,脂质体纳米粒可作为抗癌药物、基因和抗体等物质的传递系统进行癌症的诊断和治疗研究。脂质体通过包覆吲哚菁绿(ICG),以修饰叶酸为靶向制备的脂质体纳米粒,能够实现近红外800nm的近红外成像,该近红外成像能够显著提供光学成像的穿透深度,降低生物体的自体荧光干扰,因此在癌症的诊断方面具有重要的应用[5]。此外ICG包覆的脂质体纳米粒也可以作为良好的光热剂,进行肿瘤的光热治疗,ICG具有极高的安全性,目前已经被美国食品药品监督管理局(FDA)批准应用在临床上使用。在药物装载方面,脂质体纳米粒可作为疏水性的药物容器,包覆药物避免被免疫系统攻击,起到保护和缓释的作用。

4结论

尽管纳米材料由于毒性和代谢等问题没有在临床的诊疗中广泛应用,但纳米材料的优良性质不断被开发,目前协助癌症靶向诊疗的许多方法都已在基础研究中被证实有效可行。在诊断方面,纳米材料极大地提高了传统检查方式的灵敏度和准确度,特别是在医学影像领域取得了很大的进步。在治疗方面,纳米材料不仅能有效地辅助药物发挥治疗作用,同时能减少对人体正常组织细胞的损害。尽管癌症的诊疗方面仍有很多问题亟待解决,但纳米材料为开发更为新颖高效的癌症诊断技术提供了良好的思路,有望成为未来癌症诊疗的重要工具。

参考文献

[1]杨慧,丁良,岳志莲.纳米生物技术在医学中的应用[J].生物技术报,2016,32(1):49-57.

[2]龚萍,杨月婷,石碧华,等.纳米探针在分子影像领域的研究进展[J].科学通报,2013(58):762-776.

[3]赵戎蓉,鲁芳.超顺磁氧化铁纳米粒子特性研究[J].中国医药生物技术,2012,7(3):221-223.

[4]苏莹莹,彭天欢,邢菲菲,等.纳米等离子体生物传感及成像[J].2017(75):1036-1046.

[5]陈思亲,桂心蕊,袁丽晶,等.基于脂质体的新型肿瘤成像荧光探针的构建及初步评价[J].药学学报,2015(10):806-812.

作者:刘嘉豪 单位:绵竹中学

癌症诊断纳米材料治疗应用责任编辑:张雨    阅读:人次