化学前沿领域的简介与发展历程

林彬彬+赵耀+金青霞

摘要：传统的肿瘤治疗方法如手术、放疗和化疗等由于其各自的局限性，有时治疗效果并不令人满意。光热治疗技术作为一种新型的治疗策略，已经在肿瘤治疗方面引起了高度关注。本文概述了纳米材料、光热治疗及光热剂；综述了基于前沿领域光热治疗的纳米材料的发展。

关键词：前沿；光热治疗；肿瘤；纳米材料

在全球范围内，癌症已经成为导致死亡的主要原因之一。现有的临床治疗手段，包括放射治疗、化疗、激素治疗等，经常会引起一些副作用。光热治疗（PTT）是近年来发展起来的一种治疗癌症的方法，具有较高的选择性和较小的侵害性。通过给予光热转换剂一定时间的近红外光照射，PTT治疗可以特异性的消融肿瘤组织，并且不会对周围正常组织产生明显伤害。

1 简介

1.1 肿瘤与纳米材料

恶性肿瘤已经成为导致人类死亡的主要疾病之一，据2011年世界卫生组织最新的统计结果显示，预计到2020年，全球癌症发病率将增加50%，即每年将增加1500万癌症患者。因而，采用新技术提高现有癌症预警与早期诊断、转移检测、疗效预测及有效治疗的临床方法是目前我国公共卫生领域亟待解决的重大问题之一。

纳米科学与技术被誉为当今三大前沿领域之一。随着纳米颗粒材料、高生物兼容性表面修饰处理技术和手段的快速发展，如何应用纳米特性如小尺寸效应、纳米表面效应、量子效应、纳米结构独特的光、电、热、磁等特殊性质来改进癌症的体外检测、活体影像以及药物的靶向递送与治疗等方法，是目前生命科学对纳米科技提出的最具挑战性的问题。

1.2光热治疗

光热热疗（Photo-thermal Therapy，PTT）是通过加温的方法，采用具有超强组织穿透力的近红外光（NIR），利用毒性低的光热剂对光的吸收和转换能力来改变肿瘤细胞所处环境，使肿瘤细胞变性、坏死，达到治疗的目的。

1.3光热剂

理想的光热剂在近红外光区具有很强的吸收，并且能够有效地将近红外光转换成热量。此外，用于光热治疗的光热剂还应具有低毒性和较高的肿瘤靶向性。无机纳米材料，主要包括不同结构的金纳米材料、碳纳米材料、钯纳米片、硫化铜纳米材料和其他新型纳米材料，都已经被用作光热剂应用到光热治疗中。

2纳米材料在光热治疗中的发展历程

根据纳米材料的研究特点可分为3个阶段：第1阶段是1990年以前，主要是在实验室制备纳米材料，对纳米材料有了初步的了解；第2阶段是1994年以前，用已知的关于纳米材料的知识制备纳米复合材料，使纳米材料具备更丰富的作用；第3阶段是1994年至今，研究热点是人工组装各种纳米材料，使该组装体系拥有人们所需要的特性，应用于生物、物理和医学等领域。

2.1第一代光热材料——贵金属纳米颗粒

2.1.1 金纳米粒子（AuNPs）

金纳米粒子（AuNPs）在可见光区域有很强的吸收，在对癌细胞进行光热消除时可以采用可见光作为光源。金纳米材料是一种研究较多的光热治疗剂。由于具有局部表面等离子体共振效应，能在激光照射下迅速升温，再加上其易合成、易表征、性质稳定、生物相容性好等优点，使其成为肿瘤光热治疗的研究热点之一。通过调控金纳米材料的尺寸和形态可以改变其光学性质。常见的金纳米材料有金纳米棒、金纳米笼、金纳米壳等，其中研究较多的为金纳米棒，它在近红外光照射下发挥多种抗肿瘤作用。

2.1.2钯纳米粒子

以钯（Pd）纳米片为代表的一类在NIR区域有强吸收的、LSPR峰可调的重金属纳米结构已经被研究应用于PTT。在2009年，Zheng等人制备出蓝色的六角形Pd纳米片。含27 ppm钯纳米片溶液在近红外光（808 nm，1 W/cm2）照射下，溶液温度可以从28.0℃升高到48.7℃，而在同样条件下，对照组（纯水）温度只变化0.5 ℃。并且与基于金、银的纳米结构相比，钯纳米片的光热稳定性显著提高。

2.2第二代光热材料——碳类材料

2.2.1 碳纳米材料

碳纳米材料，如碳纳米管、碳纳米球、石墨烯等在近红外区具有较好的光学吸收，因此也可以用于光热治疗。2005 年，人们首次发现，以CNTs 为光热剂对癌细胞进行光热治疗是一种高效的治疗方式。Moon等人将PEG修饰的SWNTs 采用瘤内注射方式，得到的光热效果显著。研究发现，恶性上皮KB肿瘤在808 nm激光照射3 min后完全被破坏。多壁碳纳米管（MWNTs）在NIR区域也表现出较强的吸收。Ghosh等人发现将DNA装载到MWNTs中，瘤内注射到PC3移植瘤中，用1064 nm激光（2.5 W/cm2）照射70秒后可以使肿瘤完全消除。

2.3第三代光热材料——金属与非金属化合物材料

2.3.1 硫化铜纳米结构材料

硫化铜作为一类铜的硫属纳米材料，已经被证明是一种新型的光热剂。通常采用湿法化学法制备CuS纳米粒子，并且制备的纳米粒子在900-1000 nm间有最大NIR吸收，但是，CuS的光热转换效率较低，限制了CuS在光热治疗上的应用。

2.3.2氧化钨基纳米材料

氧化钨基纳米材料由于具有独特的结构及性能特点得到了广泛应用。在混合价态的钨基材料中，W18O49（WO2.72）可以纯态的形式存在于自然界中，且该材料具有强烈的近红外吸收功能并可迅速将光能转化为热能，使肿瘤局部升温导致肿瘤细胞死亡。Chen等研究表明，低强度的近红外光照射注入聚乙二醇化的W18O49纳米线材料的肿瘤细胞，可使细胞温度迅速升高到（50.0± 0.5）℃，进而对肿瘤进行有效治疗。

2.4第四代光热材料——有机染料物质

鉴于无机纳米材料存在的一些缺点，近年来研究人员发展了多种有机光热试剂，包括近红外染料[吲哚菁绿（ICG）、IR825和IR820]和有機共轭高分子材料[聚吡咯、聚 （3，4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸（PEDOT/PSS）和聚苯胺]等。有机光热试剂具有良好的生物相容性、光学稳定性和较强的光热转化效率，因此成为新型肿瘤诊断和光热治疗试剂。

2.4.1 近红外染料

近红外染料的优点是近红外区吸收高、生物相容性较好和能荧光成像等，缺点是存在浓度依赖性、稳定性较差、在生物体内易与生物大分子发生作用等。ICG是美国FDA批准的可用于临床近红外成像的有机小分子。由于它在近红外区存在吸收，当近红外激光照射后，ICG染料电子会跃迁至单线激发态，而当电子由单线激发态回落至基态时，能量就会以光和热能的形式释放出来，因此它可用作临床诊断和光热治疗试剂。

2.4.2有机共轭高分子纳米材料

共轭高分子纳米材料具有光学吸收性强、导电率高、光热稳定性较好、生物相容性良好、吸收峰易红移、光热转换效率较高、合成成本相对较低等优点，是一种具有良好应用前景的光热试剂。但缺点是在水溶液中不稳定，易发生聚集。聚吡咯在近红外区具有较强的光学吸收，能用于肿瘤的光热治疗，同时也可用作光声成像试剂。Song等合成了白蛋白-聚吡咯纳米颗粒，经静注后进行808 nm激光照射能发挥明显的肿瘤治疗效果。

3总结

纳米材料和纳米技术在生物治疗中发挥着重要作用，为探索恶性肿瘤治疗新方法开辟了道路。虽然一些新材料仍然停留在实验阶段，还有一些纳米材料不可避免地存在一些缺陷，例如金基纳米颗粒难以在生物体内降解等，这些都不能阻碍研究人员探索新材料和改进现有材料，而利用纳米材料的表面改性改造而得的材料也可拥有所需的生物特性。目前，在探索和改进纳米材料的过程中也会遇到一些问题，例如使纳米材料具有良好的生物相容性和可降解性、特异的靶向性和较低的细胞毒性等，这也将是光热转换材料的研究热点。endprint