纳米生物医学在癌症早期诊断和治疗中的应用

纳米生物医学在癌症早期诊断和治疗中的应用

癌症是人类生命和健康的一种常见疾病。癌症发现晚、治愈难成为该病致死的重要原因。随着现代医学的不断发展，人们对癌症这一世界难题有了更进一步的认识。但是，癌症的早期诊断和治疗仍然是当前技术的一大瓶颈。纳米技术的出现为癌症的早期诊断和治疗带来了新的希望。由纳米技术与医学结合而成的纳米医学在癌症的诊断和治疗等方面已取得新的研究进展，表现出了强劲的发展势头。应用纳米技术来攻克癌症就是将纳米技术运用于癌症发生发展的全过程，提供一个集早期检测癌症、准确指出恶性细胞在人体内的位置、向恶性细胞准确投递抗癌药物并确定这些药物是否有效地杀死这些恶性细胞于一体的治疗系统。本文评述了近年来纳米技术在癌症早期诊断和治疗中的研究进展，并对未来的研究进行了展望。1纳米经济疫苗目前在癌症预防方面，各国都在积极地进行研究，研制出的纳米药物及肿瘤疫苗在降低癌症的发病率、复发率、转移率与死亡率等方面发挥着重要的作用。纳米药物具有颗粒小、比表面积大、表面反应活性高等特性，在保证药效的前提下，可以减少药用量，减轻或消除毒副作用。硒是人体必需的微量元素，可以预防癌症。硒防癌主要包含两方面，一方面它能阻止正常细胞变为癌细胞；另一方面它能杀伤或抑制癌细胞生长。随着纳米加工技术的发展，将零价硒制成了纳米硒，为预防癌症的发生提供了一种新的探索途径。除纳米药物以外，肿瘤疫苗也是近年来国内外研究的热点之一。其原理是通过激活患者自身免疫系统，以达到清除或控制肿瘤的目的。Reddy等利用抗原靶向肿瘤的纳米粒子来传送疫苗，不仅效率高、副作用小，成本也比现有疫苗技术低得多。Makidon等研发出一种纳米级的油乳剂疫苗，该疫苗无需注射，无毒，免疫效果佳，可刺激动物产生长久的免疫力。2低乳腺癌的死亡率癌症的早期检测和诊断对提高癌症的预查能力，降低癌症的死亡率具有重要意义。癌症的早期诊断需要检测微量甚至痕量的癌症标志物。高灵敏的纳米检测技术为癌症早期检测和诊断提供了一种新的途径。2.1聚合物纳米颗粒层和聚乙二醇包的应用目前，常规的医学成像技术尚不能对癌症的早期检测提供较高的空间分辨率。为了根据分子表达谱识别恶性病变，大多成像技术要求拥有成像反差对照试剂，这些试剂由与分子识别或击靶试剂进行接合的信号增强材料组成。纳米粒子可以作为一种多功能的、分子的或物理的击靶对照反差试剂用于临床成像，目标是识别、检测更微小、更早期的肿瘤及其微环境的分子表达情况，并改善对病灶的解剖学界定。Gao等首次用量子点在活体内同时对肿瘤进行定位和成像。他们用聚合物纳米颗粒层和聚乙二醇包被量子点，并将其附着在前列腺特异性的单克隆抗体上，然后将这种量子点注射到有前列腺肿瘤的裸鼠循环系统。结果发现，量子点聚集到了肿瘤细胞周围。荧光成像分析可得到在体肿瘤细胞敏感的多色荧光图，获得肿瘤大小和定位信息。另一些研究者也将量子点连接到前列腺膜抗原的抗体上，通过皮下注射，将量子点注入植有人前列腺素的老鼠体内，清楚地观察到了肿瘤的大小和位置。Nasongkla等对载有超顺磁性铁氧化物的聚合物胶束进行了系统研究，发现其在癌细胞双重靶向运输和超敏磁共振成像（MRI）方面有很好的应用前景，对于恶性肿瘤的早期检测具有重要意义。Mintorovitch等将造影增强剂ResobistInjection(SHU-555）用于肝脏的MRI。结果显示，纳米氧化铁能明显增强肝脏的对比显像。应用这一成果，定期对肝癌高危人群进行检测，可以达到早期诊断的目的。2.2纳米线检测技术将纳米技术与癌症的早期检测技术结合用于肿瘤细胞、组织的检测、观察以及分析等，可以探测到癌症发生发展过程中的内部生物学特征，在分子水平对癌症进行早期检测与诊断。Nida等利用连接有表皮生长因子受体的量子点与抗生长因子抗体的共轭对来探测子宫颈癌前期生物学标志物，反映了子宫颈癌在分子水平的变化。Zheng等成功地利用硅纳米线阵列，检测出血液中微量的癌症标志物。该技术只需要几分钟就可以在一滴血中检测出多种癌症标记物。此外，研究人员还开发出能检测前列腺特定抗原、前列腺癌-α1-胰凝乳蛋白酶、癌胚抗原及黏液蛋白等肿瘤标记蛋白质的纳米线检测元件。Cross等采用纳米技术把一个非常小的探针安装在一个弹簧上面，用它来探测细胞表面并测算其柔软度，由此判断该细胞是否已病变为癌细胞。该技术可以通过原子显微镜观察整个探测过程，提早发现血液里传播的癌细胞，并测出癌扩散的速度。Yang等采用西妥昔单抗连接的荧光磁性纳米粒子对人皮癌细胞进行定位，并通过MRI和光谱成像的方法对人皮癌细胞进行检测。Stoeva等利用黏附有特定抗体或一段特定核酸序列的纳米金颗粒，通过磁珠的辅助快速达到鉴别特定肿瘤标记蛋白的目的，可同时检测3种肿瘤标记蛋白：前列腺特异性抗原、人绒毛膜促性腺激素和甲胎蛋白。纳米技术用于癌症的检测和诊断具有灵敏、准确、快速、简便等特点，可以实现癌症的早期诊断，从而提升人们对癌症的控制和诊治能力。尽管近年来纳米诊断技术取得了令人瞩目的成就，但是目前主要还处于实验室研究阶段，真正用于临床的还很少。因此，纳米诊断技术的完善与进一步开发有待深入研究。3细胞靶向治疗在癌症治疗过程中，人们愈来愈希望能进行靶向治疗，即只杀死癌细胞，而不伤害正常细胞。纳米技术的介入为癌症的靶向治疗提供了新的材料和思路。3.1多功能纳米粒子化疗是目前癌症治疗过程中常用的方法之一。化疗药物往往在杀死癌细胞的同时，对人体健康器官也造成损伤。纳米技术能够提高化疗药物的靶向性。Rapoport等采用一种多功能纳米粒子将化疗药物准确地送入肿瘤细胞内部，提高了化疗药物的靶向性，有效地杀死癌细胞。最近，Tang等首次证明了包载阿霉素的聚乙二醇衍生化磷脂纳米胶束可以选择性地在肿瘤组织中蓄积，并渗透到深层肿瘤组织，有效地提高肿瘤细胞内药物的浓度，从而显著增强阿霉素的细胞毒性、抑制肿瘤的生长、延长小鼠的生存时间和降低药物的毒性。3.2光催化机制热疗法是治疗肿瘤的另一种方法。其原理是利用癌细胞和正常细胞对热的敏感性不同，通过纳米粒子与癌细胞靶向结合，在外加物理作用下使纳米粒子产生能量，造成癌细胞局部温度升高，从而达到杀死癌细胞的目的。2004年，Bakalova等将量子点与特异性识别癌细胞的糖结合蛋白抗体进行融合，并将这种复合物加到癌细胞中，当用紫外线照射时，癌细胞与这种量子点结合并发出绿色的荧光，正常细胞则不能结合亦不能显色，以此可用来区别正常细胞与癌细胞，而且经过持续的紫外线照射，可将癌细胞杀死。Liu等证实了用金壳包覆聚苯乙烯纳米颗粒可以简单识别癌细胞与正常细胞。这种“金壳”经近红外光照射后，通过吸收近红外激光能量，能迅速升温“热死”肿瘤细胞，该方法对肺癌的抑瘤率高达55%。Chakravarty等将针对淋巴肿瘤细胞特定靶位的单克隆抗体涂覆在微小的碳纳米管上。在淋巴癌细胞培养皿中，涂覆有抗体的碳纳米管黏附在癌细胞表面，当它们暴露在近红外光下时，碳纳米管开始加热将癌细胞“煮”死。热疗法在治疗肿瘤方面有着巨大的应用前景，但热疗法治疗肿瘤的研究和应用目前还面临以下问题：(1)如何使纳米粒子只被肿瘤细胞吞噬，而不被其他正常细胞吞噬，这是实现对肿瘤细胞均匀加热的关键；(2)如何将其应用于精细组织中肿瘤的治疗也是热疗法所面临的挑战。3.3装体纳米粒子作为抗癌药载体的应用许多纳米粒子可以作为抗癌药物的输送载体，通过表面修饰，导向分子能与癌细胞靶位特异性结合，使药物定位释放，集中在病变部位发挥作用，达到高效、速效、低毒的治疗效果。纳米粒子的载药量与其表面积成正比，其尺寸下降3个数量级，它的表面积就提高6个数量级，即疗效提高100万倍。Wei等将碳酸钙纳米晶自组装体作为抗癌药载体，不仅可以增加癌细胞对药物的摄取量，而且可以选择性地在癌组织中释放药物，并且具有明显的细胞核聚集和入侵效应，从而增强对癌细胞的杀伤效果。KukowskaLatallo等将叶酸和细胞毒素氨甲叶酸分别附着在树状聚合物的纳米微粒上。当在缺乏叶酸并携带人上皮癌细胞的实验小鼠体内注射吸附叶酸的聚合物后，与单独使用氨甲叶酸相比，吸附叶酸的聚合物杀灭癌症细胞的效果提高了10倍，并且只有2%的小鼠出现了中毒症状。Kim等以一种可降解的生物多聚物（PLGA）作为基质，将阿霉素和CdSe/ZnS量子点或超顺磁性的四氧化三铁纳米粒子嵌入该基质中，通过聚乙二醇基团将叶酸连接到PLAG上，构成了一个完整的纳米粒子。通过MRI和荧光成像来观察连有叶酸的纳米粒子与癌细胞的结合，进而对癌细胞进行监测；同时，通过四氧化三铁的磁导作用将阿霉素运输到癌细胞附近，杀死癌细胞。随着纳米医学技术的发展，基于纳米技术的纳米靶向性药物输送体系有望实现传统癌症治疗方法所无法达到的高效、低毒的治疗效果。3.4纳米颗粒作为dna转移载体的可行性基因治疗是通过设计适当的载体，将外源基因导入细胞中进行表达，用以纠正、取代异常基因或杀死异常细胞来治疗疾病。基因的运载方式是肿瘤基因治疗能否成功的关键环节。目前使用最多的仍是病毒载体，但病毒转载基因过程包括非常复杂的插入步骤，需要对复杂的大分子序列进行分析。此外，病毒类载体存在引起免疫反应和潜藏着重组病毒的危险性。因此，研究非病毒载体是克服这些问题的有效途径，纳米技术的发展为解决基因转移载体提供了新的思路。向娟娟等对氧化铁纳米颗粒与DNA的结合进行了研究，结果表明氧化铁磁性纳米颗粒可作为DNA转移载体。Chavany等证明了无论在缓冲液还是在细胞培养基中，结合在聚氰基丙烯烷基酯纳米粒子上的寡核苷酸都具有对抗核酸酶的作用，可防止核苷酸的降解，有助于核苷酸转染细胞并起到定位作用。Schillinger等证明磁性转染可以输送siRNA。Song等将靶向HIV囊膜抗体的Fab片段与包装精子核酸的鱼精蛋白连在一起，并利用这种鱼精蛋白-抗体融合蛋白（F105-P）将siRNA递送到目的细胞中并沉默特定基因。结果表明，siRNA对不表达HIV囊膜的肿瘤细胞没有显著效果。最近，Yezhelyev等将直径6nm的量子点与siRNA结合，成功利用量子点技术向细胞内导入siRNA，其效率是现有方法的10～20倍。Schiffelers等构建了一个纳米颗粒，利用吸附在聚乙二醇（PEG）远端的Arg-Gly-Asp小肽配体，靶向表达整合素的肿瘤新生血管和传递能够消除血管新生的siRNA。分析结果显示，肿瘤中90%的基因被抑制。3.5近红外荧光量子点作为肿瘤细胞淋巴检测方法纳米元件是纳米机械装置与生物系统有机结合的产物。美国及爱尔兰的科研人员研制了具有复合功能的纳米量级生物相容性元件，它进入机体后可定位在某器官或随血液流经全身，对整个机体进行全天候的实时监测，并能根据监测结果进行适时的改造和维护，从而早期发现并杀死癌细胞。另外利用近红外荧光量子点作为肿瘤细胞淋巴示踪，通过近红外荧光成像系统观察到量子点被引流到前哨淋巴结。该方法是确定癌症是否扩散到身体其他部分的第一步，也是最关键的一步。近红外荧光量子点成像系统可同时显现外科手术区域和淋巴液排泄途径及节点，提供实时可视化成像来指导定位和外科切除术，因此克服了许多现有技术的局限性。最近，Scarberry等将子宫癌细胞与其特异性结合的磁性纳米粒子吸附的蛋白质结合，然后染色并注入老鼠体内，轻轻按摩老鼠促使此癌细胞扩散，接着将一块磁铁放在老鼠的腹部30s。结果增长的癌细胞可以透过老鼠皮肤清晰可见，其位置正好位于磁铁放置的地方。利用循环泵系统，还能用磁铁将增长的癌细胞拖拉到塑料管的一侧，表明转移的癌细胞可能已经被移出了体外，通过过滤，就能消除任何磁化了的癌细胞。此研究表明，这一技术可以潜在地应用于其他癌症治疗手段如手术和化疗的辅助治疗中。4纳米技术在临床试验中的应用纳米技术可能是癌症诊断与治疗的有效手段之一。将纳米技术运用于癌症的诊断与治疗过程中，首先要解决材料的生物安全性问题。纳米材料对生物体及其器官、组织、细胞、分子、基因等不同层面会产生