纳米技术在癌症早期诊断和治疗中的研究与展望

纳米技术在癌症早期诊断和治疗中的研究与展望7纳米技术在癌症早期诊断和治疗中的研究与展望胡德红 龚萍 蔡林涛摘 要 随着纳米技术快速向生物医学等领域渗透，纳米生物医学已成为一个崭新的研究领域。癌症的早期诊断和治疗长期以来一直是医学领域试图攻克的难题，纳米技术的介入可以提供一个集早期诊断、实时监测、定位诊断与个性化干预于一体的治疗系统。关键词 纳米技术；癌症；早期诊断；治疗1 引言 癌症，又称恶性肿瘤，是机体在各种因素作用下，局部组织的细胞异常增生而形成局部肿块的现象。癌症是一种古老而又年轻的疾病，早在几千年前，古埃及人就在莎草纸上记录了有关于恶性肿瘤的内容。但时至今日，癌症仍是影响人类健康的头号杀手。据世界卫生组织统计，2007年全世界癌症死亡人数达790万，约占全球死亡人数的13%。预计2015年全世界将有900万人死于癌症，2030年将有1200万人死于癌症。归根结底，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进一步的认识。但是，癌症的早期诊断和治疗仍然是当前的一大技术瓶颈。 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。纳米技术是研究尺度范围在1～100纳米的科学和技术的简称。纳米材料由于其独特的物理和化学性能、表面效应、微尺寸效应、量子效应及其结构所具有的高表面活性、独特的光电性质、特殊表面效应和体积效应等，使其在环境、生物、医学等领域的研究中具有广阔的应用前景。它是现代科学(工程学、生物学、物理学和化学等)和现代技术(微电子学技术、计算机技术、高分辨显微技术、核分析技术等)结合的产物。由纳米技术和医学结合形成的纳米医学在疾病的诊断和治疗等方面已取得突破性进展，表现出了强劲的发展势头。2004年，美国国立卫生研究院癌症研究所(NCI)提出了一项《癌症纳米技术计划》，旨在将纳米技术、癌症研究与分子生物医学相互结合，为了达到这一目标，NCI将借助纳米技术的强大威力来诊断、治疗和预防癌症。应用纳米技术来攻克癌症就是要将纳米技术运用于癌症发生发展的全过程，在从预防、早期检测、诊断、预后、临床治疗到辅助治疗的过程中，采用复合的办法或措施，提供一个集最初期侦测癌症、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了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，对未来的研究进行了展望。2  纳米技术在癌症预防方面的应用 目前在癌症预防方面，各国都在积极努力地进行研究，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、转移率与死亡率方面发挥着重要的作用。 硒是人体必须的微量元素，硒可以预防癌症[1-2]。硒防癌包含两方面：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。流行病学调查发现，低硒地区癌症发生率高于富硒地区，这证明了补硒可以降低癌症发生率。随着纳米技术的成熟，科学家采用先进的纳米技术，将零价硒(元素硒的一种)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。 肿瘤疫苗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。我国科研人员已经获得了多种肿瘤特异性共有抗原，这些抗原至少可在13种常见恶性肿瘤中有较高表达，能被患者毒性T淋巴细胞识别。他们利用这些抗原，并结合纳米技术和基因工程技术，构建了新型高效、广谱的肿瘤疫苗。这种疫苗具有靶向性和缓释性，而且疫苗中超抗原高度活化的相关细胞，可以形成相关细胞共同参与、相互协同的有效的免疫反应。肿瘤高发人群如果得到广泛接种，可降低肿瘤发病率，使肿瘤患者在肿瘤Vol.3No./Jan.2009切除后能控制复发、转移，降低死亡率。3 纳米技术在癌症早期检测和诊断方面的应用 癌症是最有耐心的“杀手”：从癌细胞产生，到最后形成肿瘤，需要20年到30年的时间，等症状出现，癌细胞已经扩散，往往已到了晚期，无法补救。传统检测方法只能发现大于某尺寸的肿瘤，如果当癌细胞在局部少量产生时就可以检测出来，并进行治疗，效果甚佳，因此癌症需要及早检测和诊断。癌症早期检测是医学界的重大课题，为提高对癌症的预查能力，各国研究人员都在全力以赴，不断努力探寻诊治癌症的新途径。早期阶段癌症的诊断需要能检测非常少量的生物标记物，因此以纳米技术为基础的方法是大势所趋。3.1  纳米技术用于体内癌症生物标志的检测和诊断 临床癌症成像技术目前尚不能提供充足的空间分辨率对癌症进行早期检测。为了根据分子表达谱识别恶性病变，所有的成像技术都要求拥有成像反差对照试剂，这些试剂系由与分子识别和击靶试剂(如抗体)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的候选物用于所有的临床成像，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。 Emory大学聂书明教授的研究小组[3]首次用量子点(Quantum Dots，QDs)在活体内同时对肿瘤进行定位和成像(图1)。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。荧光成像检测可得到在体肿瘤细胞敏感的多色的荧光图，获得肿瘤大小和定位的信息。另一些研究者也将QDs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，清楚的观察到了肿瘤的大小和位置[4-6]。 Mintorovitch[7]等将造影增强剂Resobist Injection(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，能早期发现新生物。中国医科大学陈丽英教授将超顺磁性氧化铁纳米粒子进行相应的包覆或与靶特异性分子联结后作为造影剂使用，可以发现直径3毫米以下的肝肿瘤，结果清晰可靠。应用这一成果，定期对肝癌高危人群进行检测，从而达到早期诊断的目的。3.2 纳米技术用于体外癌症生物标志的检测和诊断 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，可以探测到癌症的发生发展过程的内部生物学特征，在生化阶段即分子水平对癌症进行早期检测与诊断。随着纳米技术的发展，许多新的肿瘤检测方法被不断地发现并正处于积极的研究与发展阶段。Nida等[8]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。经过适当地控制，能观测到量子点标记的生长因子受体，结合光学成像技术，反映了子宫颈癌在分子水平的变化。Charles Lieber课题组[9]成功地利用硅纳米线阵列，检测出血液中微量的癌症分子标记物。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。研究人员已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。 Gimzewski 等[10]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出其柔软度，由此便可判断出该细胞是否已病图1 量子点在活体内的定位和成像图2 荧光磁性纳米粒子用于癌细胞的检测原理图3 同步追踪多个肿瘤基因标记的新技术的原理图纳米技术在癌症早期诊断和治疗中的研究与展望9送药物的能力、减少药物的毒副作用，但通常伴随药物杀伤肿瘤细胞能力的减弱而需要增加用药剂量来实现其疗效；最近，中科院生物物理所梁伟课题组[13]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蓄积并渗透到深层肿瘤组织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。4.2 热疗法 热疗法是治疗肿瘤的一种方法，是根据肿瘤细胞和正常细胞对热的敏感性不同，通过加热病灶部位来杀死肿瘤细胞的方法。早期的磁致热是将一定尺寸的磁性物质通过手术置于肿瘤部位，然后通过外加交变磁场的作用产生热量来达到杀死肿瘤细胞的目的，但有明显的缺点：(1)肿瘤内部温度分布不均匀，造成局部温度过高；(2)治疗前后都需要手术植入或取出磁体。 纳米粒子热疗法治疗肿瘤的原理与磁致热的原理相同，都是利用肿瘤细胞和正常细胞对热的敏感性不同，通过将纳米粒子注射到肿瘤组织，然后在外加物理作用下产生能量，再将产生的能量释放给肿瘤组织，由于肿瘤中的血液供给不如正常组织充足致使肿瘤细胞中热量扩散较慢，结果造成局部温度升高，从而达到杀死肿瘤细胞的目的。与磁致热方法相比较有下列几个优点：(1)用于治疗的纳米可以通过注射的方式注入到患者部位，从而避免手术给患者带来的痛苦；(2)纳米粒子可以很容易地进入细胞或组织内部，可以更均匀地分布在病患处，有利于克服磁针或磁棒所面临的涡流效应导致的受热部位温度不均匀。 量子点具有许多特性，使其成为很有潜力的光敏剂。量子点是能量供体，量子点和细胞分子之间有可能发生能量转移，从而诱导反应氧种类的变化，诱导细胞凋亡。光介导的量子点毒性和它的能量供体特性，开辟了量子点在生命科学领域的一个新领域：用作光动力学疗法中的新型光敏剂，至少可用作传统光敏剂的增强剂。2004年，Bakalova等[14]证实了用量子点可以简单识别癌细胞与正常细胞，也可以单独将癌细胞杀死而不影响正常细胞。他们将量子点与特异性识别癌细胞的糖结合蛋白(又称植物凝集素)抗体进行融合，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变为癌细胞。该技术可以透过原子显微镜观察整个探测过程，可以提早发现病人体内血液里传播的癌细胞，并测出癌扩散的速度。Haam课题组[11]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，并通过核磁共振和光谱成像的方法对人皮癌细胞进行检测，如图2所示。细胞毒性实验显示荧光磁性纳米粒子具有很好的生物相容性，单抗连接的荧光磁性纳米粒子用于癌症的检测显示了优良的核磁共振和荧光光谱成像性质。该技术有助于肿瘤早期的诊断。 Chad Mirkin研究小组[12]研制成功了一种基于纳米粒子的生物条码，可同时检测三种肿瘤标记蛋白：前列腺特异性抗原(Prostatic Specific Antigen，PSA)作为睾丸癌指标之一的人绒毛膜促性腺激素(Human Chorionic Gonadotropin，HCG)和作为肝癌指标之一的甲胎蛋白(α-fetoprotein，AFP)。这套分析系统利用粘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，其原理见图3。这项技术的灵敏度可达170fmol，因此该技术平台的发展必定可以加强临床诊断的速度与准确性。这项技术将有助于将来早期临床诊断技术的发展。 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、降低误诊率、减轻病人的痛苦，从而大大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我们去深入研究。4 纳米技术在癌症临床治疗方面的应用 在癌症治疗过程中，人们愈来愈希望能进行针对性的有效治疗，即通过治疗能杀死癌细胞，而不伤害正常细胞，这也是当前癌症治疗的一个非常重要的努力方向。纳米科研人员正在研制一系列旨在消灭肿瘤、治疗癌症的纳米粒子。4.1 化疗 化疗药物往往不能区分细胞好坏而全部通吃，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，精确打击癌细胞。过去，纳米药物输送载体能提高靶向输0Vol.3No./Jan.2009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。数据显示：紫外线照射60min后，有10%~15%的癌细胞死亡，这仅是量子点在肿瘤治疗方面应用的尝试，相信不久的将来在这方面的研究会越来越多。 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