天津大学常津、王生研究团队：光响应纳米材料在肿瘤治疗领域的应用丨Engineering

近年来，光疗法因时空可寻址性、微创性和临床相对安全性而受到了广泛关注 。早在1903年，现代光疗法的创始人就因使用阳光和紫外线（UV）辐射治疗皮肤病（寻常狼疮）而获得诺贝尔奖。从那时起，光疗法在生物医学工程中不断发展，以对抗皮肤病（如湿疹、银屑病和皮肤瘙痒）以及情绪和睡眠障碍（如季节性情感障碍、非季节性抑郁症和昼夜节律睡眠障碍）。 在光治疗剂如光敏剂和光热转换剂（PTCA）的帮助下，光疗法也被证明是消融肿瘤的有效方法。

癌症光疗中常用的光源包括紫外线（100~400 nm）、可见光（400~760 nm）和近红外（NIR）线（760~1350 nm）。然而， 由于对生物组织的吸收，广泛使用的紫外线和可见光的组织穿透深度有限，使得传统的光疗法局限于浅表肿瘤，并可能导致肿瘤复发和转移 。此外，由光疗剂的非特异性分布导致的靶向效率低是一个必须解决的重要问题。 光疗剂在治疗过程中的非靶向递送不仅会导致生物利用度低、疗效差，还会引起副作用。

随着纳米技术的发展，各种基于多功能纳米材料的光疗纳米制剂已被开发用于克服上述癌症光疗中的局限性。 由于增强的渗透和滞留（EPR）效应，具有特定尺寸范围（20~200 nm）的纳米制剂在肿瘤组织中富集。因此，纳米材料具有作为载体将光敏剂、PTCA、药物和基因等治疗性分子递送至肿瘤组织，从而实现靶向治疗和联合治疗的潜力。为了解决光疗中光穿透深度有限的问题，NIR光响应纳米材料已被开发应用。例如，可以直接吸收NIR光并产生热量的PTCA已被用于NIR触发的光热治疗（PTT）。上转换纳米粒子（UCNP）可以吸收长波长的NIR光，并发射特定的短波长紫外线或可见光，以实现更深的穿透。因此， 光响应纳米材料提供了克服光疗障碍和扩大光疗应用的可能性。

在本研究中， 天津大学常津、王生研究团队总结了用于癌症治疗的光响应纳米材料的最新进展 。这些纳米材料可用于光热治疗、光动力疗法（PDT）、光响应分子递送和光控组合疗法（图1）；还讨论了光疗法当前面临的挑战和前景。本研究旨在强调光响应纳米材料在癌症光疗中的重要作用，并为进一步扩大其应用提供方向。

图1.  光响应纳米材料在癌症治疗中的应用示意图。NP：纳米粒子。

研究表明，要实现精准的癌症光疗，加速临床转化，应考虑以下几个方面 ：

（1） 光穿透深度的限制 。光的穿透深度依赖于光的波长。紫外线和可见光由于有限的穿透深度而主要用于治疗浅表性皮肤病。此外，当光与组织相互作用时，光在很大程度上出现衰减，阻碍了光疗的应用，特别是在治疗深层组织肿瘤中。虽然碳纳米管的应用提供了一种增加光穿透深度的方法，但碳纳米管仍然具有转换效率低的缺点。与NIR-I窗口（750~1000 nm）相比，NIR-II窗口（1000~1350 nm）表现出较低的光散射、最小化的组织吸收和更高的最大允许激光暴露；因此，NIR-II窗口似乎是实现深层组织穿透深度的潜在候选。因此，NIR响应纳米材料在扩大光疗应用方面显示出巨大的潜力。

（2） 潜在毒性风险 。在光疗的光触发分子递送过程中，药物从纳米载体中不受控制地爆发式释放会导致短期毒性，而纳米材料缓慢和不完全代谢可能会导致长期毒性。此外，光响应纳米治疗剂的非靶向生物分布可能导致阳光照射诱导的全身毒性。为了实现精确可控的癌症光疗，理想的纳米药物应该只在肿瘤部位被激活，在正常组织中应该保持“关闭”状态。因此，开发能够响应肿瘤微环境的典型特征的可活化的光治疗剂是解决光毒性问题的有效方法。

（3） 临床转化 。为了实现多功能癌症治疗，纳米材料通常在设计和组成上都很复杂，这无疑给临床转化带来了困难。此外，由于一些新开发的纳米材料的未知毒性机制，这些纳米材料的临床应用需要复杂的毒性评估程序。

关键词：光反应性；纳米材料；肿瘤；光疗法

以上内容来自：Xu Zhang, Sheng Wang, Guohui Cheng, Peng Yu, Jin Chang. Light-Responsive Nanomaterials for Cancer Therapy [J]. Engineering, 2022, 13(6): 18-30.