近紅外熒光染料在泌尿系腫瘤研究中的應(yīng)用

楊文杰，秦 靖，趙菊梅，師長宏*

(1.延安大學(xué)醫(yī)學(xué)院，陜西 延安 716000；2.空軍軍醫(yī)大學(xué)實驗動物中心，陜西 西安 710032)

泌尿系腫瘤是指發(fā)生在泌尿系統(tǒng)的腫瘤，主要包括前列腺癌、腎癌和膀胱癌等[1]。據(jù)世界衛(wèi)生組織報告，泌尿系腫瘤的發(fā)病率呈快速上升勢頭，由于大部分腫瘤發(fā)現(xiàn)時就已處于中晚期，相應(yīng)的治療手段有限[2]，導(dǎo)致其發(fā)病率和死亡率高居不下，臨床上對于泌尿系腫瘤通常采取手術(shù)切除、放射治療和化學(xué)治療[3]，但這些治療方式往往創(chuàng)傷大、不良反應(yīng)多、易發(fā)生耐藥，導(dǎo)致治療效果欠佳[4]。近年來，近紅外熒光成像作為一種新興的生物醫(yī)學(xué)成像模式頗受關(guān)注，近紅外熒光具有組織干擾小，實時圖像采集、高靈敏、無毒性和穿透能力強等優(yōu)點，已廣泛用于腫瘤基礎(chǔ)研究和臨床實踐[5]。目前已開發(fā)了多種近紅外熒光染料用于腫瘤的診療和靶向治療，本文就近紅外熒光染料在泌尿系腫瘤中應(yīng)用的研究進展進行綜述。

1 近紅外探針用于腫瘤模型診斷

近紅外熒光染料可以在700～1000 nm波長處誘導(dǎo)強烈的熒光，此區(qū)域生物組織背景熒光低，吸收弱，為腫瘤診斷提供了可能[6]。吲哚菁綠(Indo cyanine green，ICG)是目前唯一由美國食品藥品監(jiān)督管理局(Foodand Drug Administration，F(xiàn)DA)批準用于臨床診斷的近紅外熒光染料[7]，廣泛用于鑒別良性或惡性腫瘤。傳統(tǒng)的近紅外熒光染料必須化學(xué)結(jié)合腫瘤特異性的靶向配體，例如代謝底物、細胞表面肽、生長因子抗體或腫瘤特異性的細胞表面生物標志物[8]。因此，這些成像只能檢測有限數(shù)量的特定目標。而新型的七甲川菁染料因其具有雙重成像和腫瘤靶向特性的雜環(huán)聚甲基花青素，可以優(yōu)先聚集并滯留在不同類型的癌細胞中，無需化學(xué)結(jié)合即可實現(xiàn)靶向腫瘤細胞。因此該類探針已成為腫瘤成像和靶向治療的理想實驗工具，例如IR-780[9]、IR-783[10]、IR-808[5]和MHI-148[11]等。由于七甲川菁染料光學(xué)性能和成像效果良好，可利用該染料進行體內(nèi)顯影以確認癌癥的發(fā)生，目前該方法已經(jīng)應(yīng)用于篩選人源性腫瘤組織異種移植模型，例如前列腺癌和腎癌等。研究發(fā)現(xiàn)IR-783可以實現(xiàn)腎癌及前列腺癌的近紅外熒光成像，較之ICG優(yōu)點更加突出，成像穩(wěn)定，可以直接識別腫瘤細胞，無需連接靶向物質(zhì)[12]。Yang X，等[11]研究表明IR-783及其同類物在體外可以被多種腎臟癌癥細胞特異性攝取，從而對腎癌組織進行體內(nèi)近紅外熒光成像診斷。另外，IR-780碘化物能夠?qū)崿F(xiàn)前列腺癌細胞的選擇性近紅外熒光成像，在裸小鼠前列腺癌異種移植瘤模型中，該染料可以通過近紅外熒光成像實現(xiàn)前列腺癌組織的體內(nèi)成像診斷[6]。

早期診斷和術(shù)后隨訪的測試方法大多是創(chuàng)傷性檢查，對患者往往會引起一定的痛苦。由于近紅外熒光染料可以與多種類型腫瘤細胞結(jié)合，尤其是異常細胞如循環(huán)腫瘤細胞(circulation cancer cell，CTC)也可以被特異性吸收。研究證實近紅外熒光染料識別血液中的腫瘤細胞，可用于體外細胞學(xué)檢查，因此可用于腫瘤包括泌尿系腫瘤的早期檢測，實現(xiàn)對腫瘤細胞的快速臨床篩查。IR-783可以在體內(nèi)和體外實現(xiàn)膀胱癌的選擇性近紅外熒光成像，在加入IR-783后，通過近紅熒光外成像可以檢測出混入血樣及尿樣中的膀胱癌細胞，可用于膀胱癌的臨床篩查[11]。同時，IR780碘化物和IR-783可以有效識別混入血樣中的前列腺癌細胞[6]。雖然血液中的循環(huán)腫瘤細胞如前列腺癌CTC數(shù)量非常少，但是應(yīng)用納米芯片技術(shù)可以實現(xiàn)檢測血液中的CTC，從而對癌癥的早期監(jiān)測和治療奠定基礎(chǔ)。

2 近紅外探針用于術(shù)中導(dǎo)航

近紅外熒光成像技術(shù)通過使用熒光探針可對特定的活組織進行顯像，在手術(shù)過程中獲得血管、淋巴管和特定組織的實時視覺信息，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)方法無法識別的微小病灶，正確顯示腫瘤邊緣，幫助外科醫(yī)生作出術(shù)中決策。該技術(shù)由于其操作簡單、快速實時、安全無害，具有良好的應(yīng)用前景[13]。目前，ICG已成功地用于腎切除手術(shù)過程中的實時觀察，由于在正常組織中，ICG可以發(fā)出高強度的近紅外熒光信號，而腫瘤組織因為血液灌注不良，導(dǎo)致沒有熒光或只有微弱的熒光，這種差異使外科醫(yī)生可以輕松地區(qū)分腎腫瘤組織和正常組織[14]。同時，ICG還可以對膀胱癌進行根治性切除，同時查看是否轉(zhuǎn)移至前哨淋巴結(jié)。目前僅有ICG被美國FDA批準應(yīng)用于臨床，由于其缺乏腫瘤特異性，ICG的累積不僅局限于癌組織，還可能少量積聚在炎癥組織及創(chuàng)傷區(qū)域，必須將ICG與特異靶向配體結(jié)合才能實現(xiàn)特異性，因此其應(yīng)用受到限制[15]。甘氨酸-精氨酸-天冬氨酸(glycine-arginine-aspartic，RGD)結(jié)合形成的RGD作為一種多肽配體，可以特異性結(jié)合整聯(lián)蛋白[16]。已有研究證明可以在多種癌癥細胞中過量表達，同時具有調(diào)節(jié)癌癥細胞生長、遷移以及血管生成的重要作用。劉玉偉，等[17]將ICG與RGD通過化學(xué)耦合得到膀胱癌特異性探針I(yè)CG-RGD，在體內(nèi)實驗中，ICG-RGD可高度特異且敏感地檢測膀胱癌的腫瘤殘留量，具有良好的光學(xué)穩(wěn)定性和生物兼容性，通過近紅外熒光成像下的術(shù)中導(dǎo)航技術(shù)可清晰地顯示膀胱癌邊緣并可切除<0.5 mm的微小腫瘤灶，表明其在近紅外熒光成像在指導(dǎo)泌尿外科醫(yī)師精確切除膀胱癌方面具有良好的應(yīng)用前景。

3 近紅外探針應(yīng)用于腫瘤治療

近紅外熒光探針除了可以用作光學(xué)成像外，部分染料本身就是強效的光敏劑[18]，可用于腫瘤的光動力學(xué)治療(Photodynamic therapy，PDT)，通過光照后使其釋放活性氧類物質(zhì)，從而直接殺傷腫瘤細胞[19]。另外，近紅外熒光染料也可應(yīng)用于光熱治療(Photothermal therapy，PTT)，利用近紅外熒光化合物在近紅外光照射之后產(chǎn)生大量熱導(dǎo)致照射部位溫度升高引起熱損傷，最終抑制腫瘤細胞活性達到殺死腫瘤細胞的目的[20]。PDT及PTT聯(lián)合療法均已成為腫瘤局部特異性治療的手段[21]。與傳統(tǒng)治療方法相比，PDT/PTT在癌癥治療中顯示出獨特的優(yōu)勢，包括高特異性、無創(chuàng)性和準確的時空選擇性。IR-808具有光依賴性細胞毒性，在接受近紅外熒光照射后，引起腫瘤細胞的光毒性，從而抑制細胞生長，呈現(xiàn)出抗腫瘤的PDT潛在效能[22]。IR-808DB作為IR-808的衍生物，在結(jié)構(gòu)修飾后用作光敏劑，顯示出更高的敏感性和對腫瘤細胞的PDT功效。Luo S，等[23]開發(fā)了一種小分子PS化合物，同時具有靶向腫瘤細胞線粒體、近紅外熒光成像和PDT/PTT效應(yīng)的功能。由于線粒體是重要的能量產(chǎn)生細胞器，易受熱療和過度ROS的影響。該小分子通過靶向線粒體，利用PDT/PTT效應(yīng)，導(dǎo)致光療功效的顯著增強，達到抗腫瘤的效果。Min ho Park開發(fā)了一種靶向腫瘤細胞的近紅外熒光團CA800SO3用于PTT治療[24]。基于結(jié)構(gòu)固有的靶向方法，這種新型的近紅外熒光化合物顯示出高的腫瘤靶向性，同時可以產(chǎn)生足夠的高溫和活性氧(Reactive Oxygen Species，ROS)，用于協(xié)同癌癥治療。Ma Y，等[25]合成了一種特定的針對腫瘤的小分子熒光團，用于同步腫瘤成像、PDT和PTT，與傳統(tǒng)的近紅外熒光團相比，這種新型的熒光團顯著增強了對光漂白的穩(wěn)定性，可以延長腫瘤成像時間并提高光療效率。Tan X，等[22]設(shè)計合成的IR-808近紅外熒光染料與腫瘤細胞結(jié)合后，進行光誘導(dǎo)時，可對腫瘤細胞產(chǎn)生光熱殺傷效能。IR-780已被證明在腫瘤細胞的線粒體中特異性聚集，具有抑制癌細胞的生長、遷移和自我更新能力，其機制在于IR-780在線粒體產(chǎn)生了大量ROS，導(dǎo)致線粒體毒性和癌細胞死亡。目前，近紅外熒光染料作為一種多功能的治療診斷探針，在光動力學(xué)療法中具有廣闊的應(yīng)用前景[22]。

4 近紅外探針聯(lián)合治療

具有靶向腫瘤功能的近紅外熒光探針已成為化療藥物遞送和釋放的重要工具。利用近紅外熒光染料的靶向性可以實現(xiàn)藥物特異性聚集在腫瘤部位，該方法可以實現(xiàn)在實時監(jiān)測藥物的治療效能的同時進一步減少藥物的用量，降低與藥物相關(guān)的不良反應(yīng)。多西他賽被用來治療去勢抵抗性前列腺癌[26]，Wu J，等[27]將IR-783和多西他賽耦合制備了一種新型近紅外熒光化合物，該染料不僅擁有優(yōu)異的成像功能，同時具備良好的抗腫瘤能力，可以顯著抑制裸鼠模型中前列腺癌的生長，同時與單用多西他賽相比，該染料的毒性及不良反應(yīng)明顯降低。易小敏，等[28]合成的Abi-780是一種多功能近紅外熒光探針，該化合物是將阿比特龍(Abiraterone，Abi)與近紅外探針I(yè)R-780結(jié)合，用以提高Abi的抗腫瘤作用，實現(xiàn)前列腺癌的靶向治療。Wu JB，等[29]將近紅外染料和單胺氧化酶A基因抑制劑clorgyline耦聯(lián)獲得了一種新型近紅外染料NMI，通過靶向腫瘤傳遞單胺氧化酶A抑制基團發(fā)揮抗癌作用，使NMI成為一種新型的抗腫瘤藥物。將近紅外熒光染料和抗癌藥物偶聯(lián)，產(chǎn)生的新化合物將同時發(fā)揮腫瘤的診斷和治療效能，從而可以在實現(xiàn)治療的同時監(jiān)測治療效果，而不需要后續(xù)復(fù)雜的功能性成像，改變了原有抗癌藥物單一治療或診斷的方法，從而實現(xiàn)癌癥模型的診療一體化。

此外，多功能復(fù)合納米材料在構(gòu)建新型納米顆粒型近紅外熒光探針中也體現(xiàn)出良好的優(yōu)勢，這類納米顆粒可以通過腫瘤病灶內(nèi)微血管的高通透和滯留效應(yīng)在腫瘤部位聚集[30]，在納米顆粒中載有抗腫瘤藥物或者增強治療敏感性的藥物，利用納米顆粒獨特的分子成像功能可實現(xiàn)高度選擇性的靶向成像以及治療。Quan B，等[31]將聚乳酸-羥基乙酸的共聚物與ICG結(jié)合構(gòu)建納米顆粒，顯著增加了ICG的穩(wěn)定性，減少了ICG的降解和熒光淬滅，并且增強ICG的近紅外熒光特性，目前已成功應(yīng)用于前列腺癌的治療。此外，ICG和磷脂聚乙二醇的共聚物結(jié)合形成納米顆粒之后，新的化合物具有近紅外熒光成像以及光熱治療功能。經(jīng)照射后可以顯著抑制移植到裸鼠體內(nèi)腫瘤的生長，并呈現(xiàn)抗癌能力。通過將磷脂納米顆粒與近紅外熒光染料DY682-NHS結(jié)合而形成的化合物可以特異性聚集在腫瘤病變中。接受近紅外光照后，可以顯著促進癌癥細胞凋亡并破壞腫瘤血管生成[32]。

5 展望

近紅外熒光染料作為一種新型的腫瘤診斷和治療試劑，已成功應(yīng)用于腫瘤模型的早期診斷以及治療期間的療效評估。針對該類染料組織穿透力較弱等問題開發(fā)篩選的近紅外II區(qū)熒光(近紅外熒光-II，激發(fā)波長1000-1700 nm)染料已成為分子影像研究的熱點。II區(qū)熒光由于具有高組織穿透性、高空間分辨率以及可忽略的自發(fā)熒光等特點，使其在生物醫(yī)學(xué)分子診斷方面更具優(yōu)勢。生物組織對光子的吸收和散射及自發(fā)熒光會隨著波長的增加而減少，因此近紅外熒光-II區(qū)域可以實現(xiàn)活體內(nèi)深穿透、高質(zhì)量的成像，從而大大彌補了可見光和近紅外熒光-I區(qū)熒光成像存在的不足，開發(fā)性能優(yōu)異的近紅外熒光-II熒光探針目前已成為分子影像研究領(lǐng)域的熱點和難點。近年來國內(nèi)外科學(xué)家開發(fā)出系列性能優(yōu)異的無機近紅外熒光-II熒光納米探針，例如量子點、稀土摻雜納米粒子、碳納米管等。由于熒光探針、成像系統(tǒng)等方面的限制，該波段的成像仍處于不斷發(fā)展和探索之中，但是基于有機小分子的近紅外熒光-II熒光探針在重大疾病的診斷與治療等領(lǐng)域具有潛在的臨床應(yīng)用價值，存在著巨大的機遇和挑戰(zhàn)。