基于纳米材料的生物检测与医学诊断技术

发布时间：2016-12-01 15:20

  本文关键词：吲哚菁绿纳米颗粒在癌症诊断和治疗中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

基于纳米材料的生物检测与医学诊断技术 投稿：杜硺硻

 

 

生物化学与生物物理进展ProgressinBiochemistryandBiophysics2013,40(10):971~976吲哚菁绿纳米颗粒在癌症诊断和治疗中的应用*郑明彬1,2)**郑翠芳1)**龚萍1)赵鹏飞1)…

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生物化学与生物物理进展

ProgressinBiochemistryandBiophysics2013,40(10):971~976

 

吲哚菁绿纳米颗粒在癌症诊断和治疗中的应用*

郑明彬1,2)**郑翠芳1)**龚萍1)赵鹏飞1)岳彩霞1)张鹏飞1)马轶凡1)***蔡林涛1)***

(1)中国科学院深圳先进技术研究院，中国科学院健康信息学重点实验室，广东省纳米医药重点实验室，深圳癌症纳米技术重点实验室，深圳518055；

2)

广东医学院药学院，东莞523808)

摘要吲哚菁绿(ICG)是一种传统的临床近红外(NIR)荧光染料，同时能够高效吸收激光用于光热和光动力治疗．但是ICG在

水溶液中的不稳定性及在体内的快速清除限制了它的应用．纳米技术的快速发展为ICG的进一步开发应用提供了新材料和新思路．本文主要介绍ICG纳米颗粒在肿瘤近红外诊断及光热和光动力治疗领域研究的最新进展．关键词

吲哚菁绿纳米探针，光热治疗，光动力治疗，联合治疗，肿瘤

R73-34，R73-36

DOI:10.3724/SP.J.1206.2013.00265

学科分类号

吲哚菁绿(ICG)是目前唯一被美国食品药物管理局(FDA)批准用于临床的近红外成像试剂．ICG是一种具有近红外特征吸收峰的三碳花菁染料，最大发射波长在795～845nm之间，具有两亲性结构既亲水又亲油的特性[1-2]．近红外光在组织中的穿透深度较大，且受生物组织本底的影响较小，由于ICG具有近红外吸收和发射荧光特性，可作为一种优良的体内组织穿透剂[1]．ICG应用于对血容量、心输出量、肝功能、视网膜、脉络膜的脉管系统进行辅助诊断[3]．ICG能够强烈地吸收光能将其转化为热能或产生单线态氧，可用于光热治疗(PTT)或光动力治疗(PDT)[1-3]．但它在极性溶剂中会聚集并分解，且在光照环境下加速分解，这给储存和应用带来了困难．同时，ICG在水溶液中的不稳定性及在血浆中的快速清除率(半衰期：2～4min)限制了其在诊断及治疗方面的应用[1-3]．纳米技术的快速发展为ICG的进一步开发应用提供了新材料和新思路．纳米传输系统能够提高ICG的光稳定性、水稳定性和热稳定性，可有效避免ICG的分解及体内清除，同时能够调节ICG的体内循环和分布，使其在生物医学、疾病诊断及治疗方面的应用越来越广泛[5-6]．本文介绍了ICG纳米颗粒在肿瘤近红外诊断和PTT或PDT领域的最新进展．

[4-6]

1ICG纳米探针

正常组织中的微血管内皮间隙致密、结构完整，大分子和纳米颗粒不易透过血管壁，而实体瘤组织中血管丰富、血管壁间隙较宽、结构完整性差、淋巴回流缺失，造成大分子类物质和纳米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(enhancedpermeabilityandretentioneffect，EPR)[7]．粒径在10～100nm范围内的纳米颗粒能够逃逸肾小球滤过并延长在肿瘤组织的循环时间[8]．纳米颗粒可以通过利用肿瘤微血管的EPR效应和较弱的肿瘤淋巴回流来选择性靶向肿瘤组织，即纳米颗粒的被动靶向性．

包裹ICG荧光染料的无机载体有二氧化硅

纳

*国家自然科学基金(81071249，81171446，20905050)，，广东省引进“创新科研团队”(低成本健康技术创新团队)，深圳科学技术重点项目(CXB201005250029A，JC201005260247A)和中国科学院百人计划资助项目(SY29064).**共同第一作者.***通讯联系人.

Tel:0755-86392210,E-mail:lt.cai@siat.ac.cn收稿日期：2013-06-14，接受日期：2013-09-23

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生物化学与生物物理进展米颗粒和磷酸钙纳米颗粒等[9-10]．硅材料用于活体成像的优势在于它的亲水性，能够降低非特异性吸附和聚集，并且很容易进行化学修饰．如Souris等[9]设计了一种表面电荷介导的快速肝脏清除多孔硅纳米颗粒，包载ICG后可用于追踪药物的输送.动物实验研究证明，较高电荷的多孔硅纳米探针迅速从肝脏代谢到消化道，而低电荷的颗粒仍然螯合在肝脏内．电荷依赖的血清蛋白吸附极大地调节了肝胆排泄多孔硅纳米颗粒，该纳米颗粒在体内的停留时间可由调节表面电荷来控制．

近年来，聚合物纳米载体用于药物递送系统的主要有脂质体、胶束和支状聚合物[11-13]．Suganami等[11]设计合成了一种新颖的近红外荧光纳米探针，ICG与磷脂部分通过共价键结合，嵌入磷脂双分子层，保持了ICG的荧光特性，这种近红外荧光纳米探针对体内转移瘤模型具有肿瘤被动靶向性．

主动靶向是在纳米颗粒表面连接特异性的靶向基团，从而介导颗粒在肿瘤组织和细胞中蓄积，连接有靶向基团的纳米颗粒与肿瘤细胞表面表达或高表达的抗体或受体结合，使纳米颗粒对肿瘤细胞具有靶向作用[14]．近年来，发展了大量表面修饰和功能化靶向基团，如小分子、肽、蛋白质、适配体、抗体等[15]．

很多肿瘤细胞表面叶酸受体高表达，因此可以利用在纳米颗粒表面连接叶酸来实现对特定肿瘤细胞的靶向作用[16-18]．像环状精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)是常见的靶向内皮细胞受体的肽．RGD在某些肿瘤新生血管系统内皮细胞表面的整合素琢v茁3上高表达，因此RGD可作为靶向配体连接在纳米颗粒表面[19]．

2ICG纳米颗粒应用于癌症成像

近年来，ICG纳米颗粒在癌症成像与诊断方面的研究取得了较快的发展，包括被动靶向纳米颗粒和主动靶向纳米颗粒，以及无机载体纳米颗粒和聚合物载体纳米Altinog粒包载ICG姚颗粒．

lu等[10]采用生物可降解的磷酸钙纳米颗，进行了人乳腺癌模型的体内成像研究，该纳米颗粒平均粒径为16nm，显著增强了

ICG的荧光强度，体外组织穿透实验表明，该纳米探针能够穿透高达3cm厚度的组织，优于游离ICG，该纳米探针显著延长了ICG在体内的循环时间，动物尾静脉注射24h后显示了优异的被动靶向效果．

Prog.Biochem.Biophys.2013;40(10)

Makino等[12]采用聚乳酸-聚氨酸为材料制备聚合物纳米胶束包载ICG，用于肿瘤成像，纳米胶束能够逃逸网状内皮系统的捕获，在血液循环中稳定存在，导致在肝肿瘤部位聚集，该载体的纳米探针有望成为一种新的肿瘤成像技术．Noh等[13]以聚谷氨酸为材料制备聚合物纳米颗粒包载ICG，用于前哨淋巴结成像.通过离子聚电解质增强ICG的光稳定性和延长在前哨淋巴结的保留时间，为前哨淋巴定位成像提供强有力的研究证据．

Zheng等[16]以ICG为荧光材料，聚合物磷脂纳米颗粒为载体，同时连接叶酸靶向分子，通过纳米沉淀与自组装的一步合成法成功开发了一种近红外荧光纳米探针．该探针大大改善了ICG的稳定性，能够特异性识别乳腺癌细胞，实现肿瘤原位、实时、靶向的无损监测．该项研究为高效、灵敏、特异地进行癌症的诊断治疗提供了新的方法，有望为临床肿瘤的早期诊断和药物递送系统的研究提供有力的帮助．Zhu等[17]制备了一种基于叶酸靶向的壳聚糖纳米胶束近红外成像系统来增强肿瘤靶向性．体外体内实验证明，叶酸表达阳性的肿瘤细胞和肿瘤组织显示了优异的靶向效果，该叶酸靶向的壳聚糖胶束体系是一种很有前景的肿瘤靶向载体．Ma等[18]以聚乙交酯丙交酯(PLGA)为材料制备了表面修饰叶酸和聚乙二醇(PEG)的PLGA纳米颗粒，采用这种纳米颗粒来包载ICG制备成近红外纳米探针，该纳米探针在高表达叶酸受体的人乳腺癌转移肿瘤MDA-MB-231中的分布，证明该探针能够靶向叶酸受体高表达的肿瘤细胞．

Gao等[19]合成了以RGD为靶向配体的ICG纳米探针，用于琢v茁3阳性肿瘤的早期检测．研究表明，该纳米探针对琢v茁3表达阳性的细胞具有较高的摄取率，在体内能够快速清除，对琢v茁3阳性肿瘤细胞具有较强的靶向性，组织穿透力强．

3ICG纳米颗粒应用于癌症的治疗

3.1光热治疗(PTT)

传统的手术切除、化疗、放疗、生物治疗已在肿瘤治疗方面取得了非凡的成就，但是毒副作用、多药耐药等问题仍难以克服[20-22]．近年来，穿透皮肤的近红外光激活纳米材料的PTT因其存在非侵袭、无毒、靶向、高效等优势而日益受到亲睐[23-24]．PTT的基本原理是在激光照射下，利用光热转换产生的高热量来破坏消除癌细胞，其中，在癌细胞上产生强的光照吸收以及高的光热转换效率

2013;40(10)郑明彬,等：吲哚菁绿纳米颗粒在癌症诊断和治疗中的应用

·973·

是光热疗法能否成功的关键[25]．在纳米材料中，如

多甲川菁染料(ICG、IR-783或IR-780碘化物等)、纳米颗粒金纳米笼、金纳米棒、单臂碳纳米管对光有很强的表面等离子共振吸收效应，有很强的光热转换效率，可以在局部范围内迅速加热，从而在肿瘤的PTT中具有明显的优越性[26-27]．当局部温度达到42℃以上时，癌细胞会因蛋白质变性、DNA合成和修复的削弱、细胞内含氧量或pH值降低等因素的影响而导致死亡[28]．

3.2光动力治疗(PDT)

PDT是一种以光、光敏剂和氧相互作用为基础的疾病局部处理的治疗模式，已被美国FDA正式批准应用于局部肿瘤食管癌的治疗[29]．PDT癌症涉及到两步过程：首先控制光敏剂在肿瘤细胞内形成选择性地内吞和滞留；随后光敏剂被合适波长的光激发释放出活性氧(ROS)和单线态氧，引导肿瘤细胞凋亡或坏死[30]．ICG作为一种具有近红外特征吸收峰的三碳花菁染料已被广泛应用于血管造影，同时也是一种优良的光敏剂．ICG在光照射下虽然产生单线态氧的量子产率比较低，但是能够强烈地吸收可以深入穿透组织但不产生明显热能的700～800nm的光[30-31]．然而ICG的水不稳定性、光降解性、热降解性和易于与脂蛋白结合导致体内快速被清除等缺点，限制了其在肿瘤PDT方面的应用[1-3,30]．

3.3ICG纳米颗粒应用于癌症的PTT和PDT

将ICG包裹入纳米颗粒，提高ICG的光稳定性、水稳定性和热稳定性等，避免ICG的分解及体内清除，调节ICG的体内循环和分布，在增强ICG对肿瘤PTT和PDT的疗效方面已获得显著成果．

Yu等[20]报道采用盐交联聚丙烯胺的聚合体制备了包载ICG的纳米胶囊，并将其应用于PTT.他们利用纳米胶囊与抗-EGFR抗体结合，使其具备靶向的性能，这些生物修饰的纳米胶囊能够特异地与EGFR受体高表达的1483人头颈鳞状细胞和SiHa人宫颈鳞状细胞结合．结果表明：与EGFR受体表达量少的435细胞相比，包载ICG的靶向纳米胶囊标记的1483和SiHa细胞显示出明显增强的荧光．在808nm激光激发下，相对于游离的ICG，靶向包载ICG的纳米胶囊的细胞致死率能够显著提高．

Zheng团队[32]开发了包裹ICG的PEG化的磷脂纳米颗粒(ICG-PEG-PL)．与游离的ICG相比，

该纳米颗粒在水相、PBS、细胞培养基、血清四种不同的溶剂中显示出更优良的荧光稳定性．叶酸小分子或整合素琢v茁3单克隆抗体与ICG-PEG-PL交联后，其靶向性通过叶酸受体和整合素表达水平不同的细胞进行确认．激光扫描共聚焦显微镜和流式细胞仪结果一致证实，靶向的ICG-PEG-PL通过配体-受体介导的内吞能够显著提高ICG-PEG-PL在靶细胞的内在化水平．在NIR激光照射后，靶向的ICG-PEG-PL吸收激光转化为热能导致被靶向的细胞显示出明显的存活率降低．Zheng等[33]将整合素琢v茁3单克隆抗体与ICG-PEG-PL交联后的纳米颗粒(琢v茁3-ICG-PEG-PL)从鼠静脉注射入荷U87瘤小鼠体内，纳米颗粒通过靶向识别，ICG的近红外荧光显示，琢v茁3-ICG-PEG-PL能够靶向整合素琢v茁3高表达的U87瘤，在肿瘤位置富集形成高浓度的ICG．在NIR激光照射下，肿瘤组织中的ICG发生光热转换，将热量输送到目标区域，从而实现肿瘤的靶向PTT，而临近的组织不受损伤．琢v茁3-ICG-PEG-PL利用ICG的荧光标记和近红外光吸收实现肿瘤诊断和PTT诊疗一体化[32-33]．

Gamal-Eldeen等[30]在聚合物纳米颗粒(PEBBLE)中包埋ICG染料，研究显示，应用ICG-PEBBLE或ICG-PEBBLE-抗-EGFR进行PDT治疗，能缩小皮肤肿瘤的体积，导致炎症介质肿瘤坏死因子(TNF-琢)、一氧化氮(NO)、环氧合酶-2(COX-2)和5-脂氧合酶(5-LOX)、血管生成介质血管内皮生长因子(VEGF)以及增殖细胞核抗原(PCNA)的减少，诱导出细胞凋亡蛋白酶及组蛋白乙酰化．表明ICG-PEBBLE或ICG-PEBBLE-抗-EGFR进行PDT治疗在抑制肿瘤大小和控制细胞凋亡、血管生成和肿瘤炎症方面是有效的．

Barth等[34]采用钙磷硅酸盐纳米颗粒(CPSNPs)包载ICG开发作为白血病的PDT治疗体系，当结合特异靶向CD117的抗体后，ICG-CPSNPs的PDT实验显示小鼠白血病细胞系的治疗效果得到改善，活体的无病存活率提高到29%．表明白血病靶向的ICG-CPSNPs能够高效地治疗易复发和多药耐药的白血病，给患者改善生活质量提供有效保障．

癌症治疗仅仅依赖单一的治疗策略是不够的，联合两种或两种以上的治疗手段能采用不同的策略、机制共同抑制肿瘤的生长[35-37]．开发PTT/PDT与化疗联合治疗日益受到青睐．为了取得优化的治疗效果，往往需要将光热/光动力试剂及化疗试剂

·974·

生物化学与生物物理进展同时传输到肿瘤部位，从而产生更有效的协同作用[35,37]．先进的纳米技术为共传输化疗试剂及光热/光动力试剂提供了新的机遇[37]．Zheng等[38]以一步超声的方法制备出共包载化疗药物———阿霉素(DOX)和ICG的脂-聚合物核壳纳米颗粒(DINPs)．研究结果表明，纳米颗粒具备优良的荧光/粒径稳定性，在激光激发下产生比游离的ICG更高的温度响应，同时能有效延长化疗药物在肿瘤内的驻留时间．颗粒内的DOX及ICG的荧光能利用进行细胞及活体原位、实时、无损监控.研究发现，与单一的化疗和热疗手段相比，单次瘤内注射DINPs加以激光照射的化学-光热联合治疗能够协同诱导MCF-7乳腺癌细胞的凋亡和坏死，同时能够完全抑制荷MCF-7乳腺癌裸鼠的肿瘤生长，90天后未见肿瘤复发．McGoron等[39]报道采用溶剂蒸发法制备了共包载DOX和ICG的聚合物纳米颗粒，同时在颗粒表面修饰了抗人类表皮生长因子受体-2(抗)单克隆抗体，利用DOX及ICG的荧光靶向识别Her-2高表达的SKOV-3细胞．同时在激光作用下，通过化疗和热疗共同抑制肿瘤细胞的生长，实现了靶向诊断-化热联合治疗一体化．

4展望与挑战

ICG是一种生物相容性优良的近红外光染料，

已被FDA批准应用于临床．同时ICG能够强烈地吸收光能将其转化为热能或产生单线态氧，可用于PTT/PDT．纳米技术能将ICG的近红外荧光诊断和PTT/PDT过程有机地融为一体，通过对肿瘤荧光确定肿瘤的大小和尺寸后，立即基于诊断结果加以激光照射，对肿瘤实施对症PTT或PDT，避免对正常组织的损伤，缩短疾病诊治时间，提高肿瘤诊治效率，大大减少患者的痛苦和医疗成本．因此，ICG诊疗一体化纳米颗粒存在巨大的应用潜力和市场价值．然而关于ICG纳米颗粒应用于临床仍然存在相当大的挑战．除了ICG纳米颗粒的纯度、在生理环境中的分散性和稳定性问题外，不同的纳米探针在体内可能会产生意外的结果．不同的纳米载体在体内的吸收、分布和代谢方式不同，这仍需要进行大量研究．

参

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生物化学与生物物理进展Prog.Biochem.Biophys.2013;40(10)

ApplicationofIndocyanineGreenNanoparticles

inDiagnosisandTreatmentofCancer*

ZHENGMing-Bin1,2)**,ZHENGCui-Fang1)**,GONGPing1),ZHAOPeng-Fei1),

YUECai-Xia1),ZHANGPeng-Fei1),MAYi-Fan1)***,CAILin-Tao1)***

(1)CASKeyLaboratoryofHealthInformatics,GuangdongKeyLaboratoryofNanomedicine,ShenzhenInstitutesofAdvancedTechnology,ChineseAcademyofSciences,Shenzhen518055,China;

2)

GuangdongMedicalCollege,Dongguan523808,China)

AbstractIndocyaninegreen(ICG)isaconventionalnear-infrared(NIR)dyethatcanbeusedinclinicalfluorescenceimaging,anditisalsoaneffectivelightabsorberforlaser-mediatedphotothermalorphotodynamictherapy.However,theICGisstilllimitedbyitsunstablepropertiesinaqueousmediaandquickclearancefromthebody.TheICG-loadednanoparticlehasprovidedtheversatileassemblytoolsforfurtherdevelopmentandapplicationoftheICG.Herein,wereviewtheapplicationofICGnanoparticlesinNIRdiagnosisandphotothermal/photodynamictherapyofcancer.

KeywordsICGnanoprobe,molecularimaging,photothermaltherapy,photodynamictherapy,combinationtherapy,cancer

DOI:10.3724/SP.J.1206.2013.00265

*ThisworkwassupportedbygrantsfromTheNationalNaturalScienceFoundationofChina(81071249,81171446,20905050),GuangdongInnovationTeamofLow-costHealthcare,ScienceandTechnologyKeyProjectofShenzhen(CXB201005250029A,JC201005260247A),andThe''HundredTalentsProgram''ofChineseAcademyofSciences(SY29064).**Theseauthorscontributedequallytothiswork.***Correspondingauthor.

Tel:86-755-86392210,E-mail:lt.cai@siat.ac.cnReceived:June14,2013

Accepted:September23,2013

 

生物化学与生物物理进展ProgressinBiochemistryandBiophysics2013,40(10):971~976吲哚菁绿纳米颗粒在癌症诊断和治疗中的应用*郑明彬1,2)**郑翠芳1)**龚萍1)赵鹏飞1)…

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本文编号：167415