谷戰軍課題組

《中國科學:化學》發表課題組題為“基于上轉換熒光納米材料的智能響應藥物系統在腫瘤治療中的應用”的綜述文章

2019-09-15 14:41來源:中國科學雜志社作者:中國科學:化學瀏覽數:238 

本新聞轉載自中國科學雜志社微信公眾號:基于上轉換熒光納米材料的智能響應藥物系統在腫瘤治療中的應用?

上轉換熒光納米粒子具有優異的理化性質, 如穩定的發光性能、可調的發射光譜及相對較低的生物毒性, 使其在腫瘤治療領域展現出較好的應用前景。但是很多上轉換納米粒子介導的腫瘤治療在可控性及選擇性方面仍存在不足, 無法有效減小對正常組織的損傷, 從而阻礙了其在腫瘤治療中的進一步發展。合理的結構設計和功能化組裝, 可以構建上轉換納米粒子智能響應系統。這不僅彌補了傳統腫瘤治療的缺陷, 也為開發具備可控性和選擇性的腫瘤治療方案提供了新的思路。

中國科學院高能物理研究所谷戰軍研究員團隊對上轉換納米粒子智能響應藥物系統的刺激因素及構建方式進行簡要的分析, 同時總結了它們在腫瘤治療中的應用和研究現狀, 并在此基礎上對它們在未來腫瘤治療中的挑戰進行了分析和展望。相關評述在線發表于《中國科學:化學》中文刊。

上轉換熒光納米粒子(upconversion nanoparticles, UCNPs)指的是可以將吸收的兩個或者兩個以上低能光子轉換成一個高能光子的發光材料。因UCNPs的這種發光現象違背了Stokes定律, 故又稱為反Stokes發光。UCNPs穩定的發光性能、可調的發射光譜及相對較低的生物毒性, 使其在生物醫學領域展現出較大的應用潛力。目前, 發光性能優良的UCNPs作為新的光學成像探針被廣泛研究。相對于傳統的光學成像探針, UCNPs具備較大的穿透深度和空間分辨率, 無背景熒光干擾且對生物組織無損傷。此外, UCNPs也可以作為抗癌藥物分子的載體用于腫瘤治療, 其中UCNPs結合光敏劑(photosensitizers, PS)對腫瘤進行光動力治療(photodynamic therapy, PDT)是目前研究最為廣泛的腫瘤治療方式之一。傳統的PDT主要利用可見光作為激發光源, 導致治療穿透深度不佳, 影響了PDT的臨床表現。而在UCNPs介導的PDT中, UCNPs可以在近紅外光(near-infrared, NIR)的激發下進行光動力治療, 為傳統PDT提供了新的發展機遇。除了輸運光敏劑, UCNPs也可以成為傳統化療藥物的運輸載體, 從而實現熒光成像引導的化學治療, 并顯著降低化療藥物對正常組織的毒副作用。此外, 借助于UCNPs中高原子序數的鑭系元素對X射線(X-ray)的光電效應以及電子對效應等, 二次電子、自由基和X射線的劑量在腫瘤部位得到進一步增加, 最終增強放射治療效果。可以看出, UCNPs在臨床腫瘤治療中展現出較大的應用前景。

盡管UCNPs介導的腫瘤治療得到廣泛研究并取得了較大發展, 但其依然面臨巨大的挑戰。例如, 如何合理地構建UCNPs藥物系統, 使其在增強腫瘤治療效果的同時減小對正常組織的毒副作用, 這成為目前研究者關注的主要科學問題之一。大量研究表明, 具有內外源刺激響應能力的納米治療系統在解決上述問題中具備較大的潛力, 可以使傳統治療具備可控性和腫瘤選擇性, 從而實現精確的局部腫瘤治療, 并大大地增強了腫瘤治療的效果。近年來, 通過合理的結構設計和功能化組裝, UCNPs及其復合產物被廣泛用于構建UCNPs響應藥物系統, 眾多刺激因素的引入可以賦予UCNPs治療系統智能響應的特點。UCNPs的智能響應型藥物系統可以借助不同的外源性刺激實現任意時間和空間的可控腫瘤治療, 主要包括光、X射線、磁場等。除了外源性刺激, UCNPs也能夠利用腫瘤組織不同于正常組織的生理環境來作為內源性刺激將治療盡可能控制在腫瘤部位。主要包括腫瘤組織pH低、乏氧和部分酶過表達等特點。這些內源性刺激為UCNPs響應型治療系統提供了靶向腫瘤的信號, 將殺傷作用主要集中在腫瘤區域, 減小了治療對正常組織的損傷。

由此可見, 基于UCNPs的智能響應型腫瘤治療促進了可控腫瘤治療的發展, 為實現更加可靠和有效的腫瘤治療提供了新的策略。截止到目前, 有很多關于此方面的研究型論文, 但是總結性的綜述文章并不多。谷戰軍等人的評述總結了基于UCNPs的智能響應藥物系統在腫瘤治療中的應用和研究進展, 希望為從事此方面研究工作的科研工作者提供一個較為清晰的脈絡, 并促進UCNPs在腫瘤治療中的發展。評述簡要介紹了UCNPs智能響應治療系統的設計及構筑方法, 重點闡述了近些年來其在腫瘤治療中的研究進展, 并對UCNPs智能響應治療系統在腫瘤治療中的發展趨勢和挑戰進行了分析和展望。

圖1   基于UCNPs的響應治療系統的刺激因素

他們還指出,雖然UCNPs智能響應治療系統在腫瘤治療方面取得了較大的進展, 但是如何實現更廣泛的應用, 讓響應型UCNPs藥物走向臨床, 還有很多需要進一步解決的問題和挑戰:

(1) 截止到目前, 大量的報道均證明UCNPs的毒性較小, 但是在進入臨床試驗之前, 基于UCNPs的智能響應納米藥物的安全性和可靠性需要進行更加嚴格和廣泛的評估。(2) 為了構造多重刺激響應的UCNPs藥物治療系統, 在制備的過程中需要同時引入多種功能化的組分以響應不同的刺激因素。一方面這會對材料的大規模制備造成困難, 另外由于細胞與UCNPs藥物治療系統更為復雜的相互作用機制及多重刺激響應的協同效應機制還不是很清楚, 故需要進行深入研究。再者, 這些刺激因素的引入可能會影響UCNPs的發光效率, 直接影響到UCNPs在腫瘤治療中的進一步發展, 這也是需要亟待解決的問題之一。(3) 腫瘤細胞的內源性刺激并不是癌細胞特有的, 腫瘤細胞內某些物質或分子的表達水平僅略高于其在正常細胞中的含量。因此, 一般情況下所構建的刺激響應系統并不是僅僅只對腫瘤部位產生治療效應, 它的最終作用只是盡可能使治療發生在腫瘤部位同時減弱其對正常組織的負面效應。可以看出, 如何在保證腫瘤治療效果的同時, 將毒副作用降至最低是目前仍然需要繼續努力的目標和方向。

參考文獻:

Zhang Chenyang, Yan Liang, Gu Zhanjun*. Intelligent response-type medication system based on up-conversion fluorescent nanomaterials for the application of cancer therapy. SCIENTIA SINICA Chimica. 2019. https://doi.org/10.1360/SSC-2019-0022?