纳米技术与癌症的诊断和治疗
【摘要】 纳米技术的定义是指一些设备，本身或其关键部分是人工的，至少在某个方向上是1~100nm范围。与癌症相关的纳米技术设备可以是携带靶向性药物的纳米载体；生物靶向性的纳米造影剂；也可以是高度特异检测DNA和蛋白质的纳米粒子和纳米设备，将在肿瘤的诊断、治疗领域产生巨大突破。
【关键词】 纳米技术 肿瘤 诊断 治疗
1 癌症纳米技术
纳米技术的正式定义是指一些设备，本身或其关键部分是人工的，至少在某个方向上是1~100nm范围。与癌症相关的纳米技术设备可以是注射的纳米载体；生物靶向性的纳米造影剂，用于手术中显像以区别神经—肿瘤的相互关系；也可以是高度特异检测DNA和蛋白质的磁性纳米粒子。Whitesides[3]在其纳米技术的定义中，对确切的大小没有过分限制，从生物学需要考虑，更强调生物纳米尺寸在实际操作中的合适性。
2 常用的纳米技术工具
2.1 用于药物投递和显像的纳米载体
癌症治疗中的纳米载体是一大类纳米技术装置，可以非侵袭性地发现早期肿瘤分子标志；同时靶向性投给药物。纳米载体一般至少由3部分组成[2]：核心的组成部分；治疗作用和（或）影像功能的有效负荷；生物表面调节分子，以增加纳米粒子在播散时的肿瘤靶向性。
脂质体是原始而简单的纳米载体，可以穿透癌症新生血管增加肿瘤位点的药物浓度。脂质体包埋的阿霉素现在用于乳腺癌或难治性卵巢癌[4]。几种类型的纳米粒子可以增加MRI的对比度，如含钆或氧化铁的纳米粒子；以及多结构纳米造影剂，可以将MRI与生物靶向性和可见光检测相结合。低密度脂性纳米粒子已用于提高超声影像的质量。
注射用的多孔硅纳米载体可以生物降解，比其他可生物降解的聚合体速度更快（几分钟~几小时vs几天~几个月），因此具有以前不可达到的时间特征。金纳米壳（Nanoshell）[5]，由黄金在硅核心上涂布组成，可以通过组织的近红外线被选择性的激活，导致局部治疗性热消融。
2.2 含纳米材料的宏观设备
目前有能力在纳米范围内进行分子沉淀，使信息密度成百万倍的增加，微阵列进步为纳米阵列，直接用于核酸或蛋白组的测定。用于癌症领域的另一个纳米级装置是表面增强的激光解吸附—电离飞行时间（surface?鄄enhanced laser desorption/ionization time?鄄of?鄄flight，SELDI?鄄TOF）质谱技术，应用于癌症的早期诊断[6]。
多通路生物分子传感器，可以同时间对大量不同的分子标志（组织或血清蛋白组）进行检测，目前最有希望的有微悬臂和纳米悬臂阵列。
硅纳米导线或导管已用于小分子分离，控释药物的投给[7]。也可以作为纳米级的场效应生物晶体管，当其表面发生分子结合事件时，变化的导电率可以被检测。将尺寸控制在5~100纳米的通路和小孔已在硅芯片上制成，使体积移动精确到纳米范围。
3 癌症纳米技术的应用
纳米技术的应用包括：早期诊断，如对血标本进行蛋白组分析；其次，在体内对肿瘤的演化过程进行分析或分子显像；提高药物治疗的靶向性，避开体内的生物或生屏障；对治疗效果进行实时监测，替代治疗后的随访评估。
3.1 体内癌症生物标志的检测和监测
新的影像学技术使用的造影剂上结合有分子识别物质或靶向性药物（抗体），具有信号增强作用，可以检测更微小更早期的癌细胞。
近来证实，亲淋巴的顺磁性纳米粒子，可对前列腺癌的隐性淋巴结转移进行MRI显像，这为非侵袭性方法难以发现。Meta分析显示[8]，使用纳米粒子造影的MRI对多种癌症的淋巴结转移的诊断具有很高的特异性（96%）和敏感性（88%）。Kobayashi等[9]在乳腺癌小鼠中使用钆纳米载体——聚合状的树状体（dendrimers）可以清晰显示淋巴结和淋巴管的排泄，提示在临床上可以替代前哨淋巴结活检。双峰纳米粒子，携带有近红外的肉眼可见的荧光基团，与MRI造影剂（交联氧化铁）共价结合，可以用于手术前脑肿瘤轮廓的描绘和手术中的病变显示。交联氧化铁纳米粒子与annexin?鄄Y共价结合，用于MRI可识别喜树碱诱导T细胞的凋亡。使用生物精确纳米粒子，端粒酶活性（增殖潜能的标志）也可以在细胞水平由MRI检测。
持续血管生成发生于癌前病变中，是早期诊断中的重要标志。在动物模型中使用改良纳米粒子，以ανβ3?鄄integrin为靶点，可以对血管形成进行了MRI显像。另一个体内分子检测的是植入性传感器，体外设备进行信号接收，但植入性材料存在非特异性吸附血清蛋白——生物污垢，导致传感器对蛋白检测能力迅速下降。
3.2 体外癌症生物标志分子的早期精确检测
临床使用的一些癌症分子标志，如CEA、PSA，由于特异性不是很好，限制其应用于早期诊断。有几个纳米技术是很合适的侯选者，如纳米悬臂，检测蛋白组的SELDI?鄄TOF质谱分析。
生物分子的结合会产生压力和形变[10]，使用合适的选择性纳米结构传感器可以进行检测和识别。主要的例子是微米和纳米悬臂，当其表面发生核酸杂交、分子结合事件，其共振频率会发生偏斜和改变。此偏斜或者直接被激光束探测，或者偏斜转换成可以测量的物理特征，如共振频率发生改变，见图1。值得提出的是，将成千上万个纳米悬臂阵列集成在厘米大小的芯片上，这样可以同时读码蛋白组信息，甚至整个蛋白组。此技术与微制作技术存在相同之处，因此提示可以大规模的，低成本可靠的生产。
纳米悬臂、纳米导线和纳米管的阵列是可以将癌症的诊断、预后和治疗的选择从单个生物标志向多个生物标志转化的工具。
此外，携带荧光基团的硅珠已经用于白血病细胞的检测；在人类SY5Y成神经细胞瘤和C6胶质细胞瘤中，荧光纳米粒子可以检测细胞内的钙浓度——细胞死亡的有效标志，因此可定量测量细胞对药物的反应。
纳米粒子比传统的细胞染色方法具有稳定性和可调性的优势。如量子点不会随时间丢失其信号强度，即不存在光漂白作用；而且，偶联不同抗体的纳米粒子与对应的分子靶向性结合后，可以显示不同的颜色 [11]。即使进行单波长光照射，单个细胞或细胞群中的分子标志分布地图将准确而清晰的显示。
纳米粒子已经用于血清蛋白组的检测，重点是痕量的低分子量蛋白水解片段，应用于卵巢癌和其他肿瘤。SELDI?鄄TOF蛋白组分析使用纳米粒子后，可增加单位面积的蛋白吸附能力，进行更多不同样本的分离和检测。
目前已经开始联合使用多个纳米诊断技术。如改良的寡聚核苷酸—金纳米磁性粒子具有500个zepto摩尔（zepto=10-21）的敏感性，用于核酸的检测。因不需要酶扩增，具有超过PCR的优势，而且也用于蛋白质分析[12]。更进一步的方法是改良金纳米粒子探针，与微悬臂结合，可以分析DNA的单个碱基错配。
3.3 药物的靶向性治疗
将具有识别功能的物质（如抗体）与纳米载体结合，使含有活性药物的纳米载体具有分子靶向性功能。与传统的抗体引导的治疗相比，分子靶向性纳米载体至少具有4大优势：在每个靶向性生物识别过程中，可以携带更多有效治疗负荷；能携带多个不同的靶向性药物，增强选择性；能够以整体的方法通过生物屏障；局部可以投给多种药物，导致靶向性的联合治疗。
通过叶酸介导的靶向性纳米粒子已经在移植鼻咽癌的裸鼠的治疗中得到证实。多功能纳米材料——树状多聚体在胞内与叶酸靶向性结合后，选择性的在细胞内投递抗癌药物甲氨蝶呤[13]；若将荧光素结合到纳米载体则可提供可视的影像信号。多种抗原已用于引导纳米粒子识别血管内皮细胞。如将存在于内皮细胞的ανβ3?鄄integrin与全碳氟纳米乳液结合，用于小鼠模型中结肠腺癌和黑色素瘤的抗血管治疗。目前，已将靶向性溶解血管内皮细胞和化疗药物相结合的纳米粒子开发出来，并可以明显提高治疗效果，减少副作用[14]。
另一类靶向性方法由外部能量驱动，激活局部毒性反应。如使用聚焦超声爆破的脂质包裹微囊进行光动力学治疗；通过联合使用金纳米壳和近红外线光学激活，对深层的癌细胞进行局部热消融。其次，非特异的物理化学相互作用也会提高纳米载体的靶向性，如100nm的粒子更趋向于达到内皮细胞的末梢；比此尺寸更大或更小均导致靠边，因此使治疗的药物更容易到达内皮或组织部位。对pH敏感的多聚纳米载体可以生物分解而释放出抗癌药物紫杉醇，所以肿瘤部位特殊的pH水平使治疗作用优先得到靶向性激活[15]。将来的希望是将上述靶向性方法联合起来，使之在治疗上取得最大成功。
获得和维持药物理想的生物分布，需要精确的给药剂量和时间。植入体内的纳米胶囊，没有多次注射和使用的不方便，还可以预先编程，使投递具有时间变化，或者通过传感器对植入点的微环境刺激作出自调节的反应。目前，从植入渗透泵恒速的投给激素药物醋酸亮丙瑞林已经在临床上用于前列腺癌[16]。
3.4 工程纳米粒子避开生物、生屏障
药物和造影剂从投给部位向理想靶点的缓慢移动，充满磨难，纳米载体和传统的方法均如此。生物物理屏障包括上皮细胞之间的紧密联接（血脑屏障）或血管内皮细胞的保护性排出，网状内皮组织系统（reticulo?鄄endothelail system，RES）的捕获，以及供应癌症的脉管系统解剖结构的紊乱和癌症细胞中的高渗透压；延迟药物微粒进入或促进渗出。纳米技术基础的药物投递系统具有穿过屏障的优势，因为其组成的核心材料的独特特征，如使用缓激肽拮抗剂可以增加血管的通透性[1]。
通透性增强剂的局部给药，能可逆性地开启细胞间的联接，使生物分子药物更容易穿透肠道的上皮细胞屏障，进入血液循环。纳米技术具有多功能性，可以同时携带治疗药物、通透性增强剂和肠壁靶向性材料，因此也使药物避免被酶降解，延迟释放时间[17]。同样，尺寸更微小的多功能粒子被静脉注射，可以增加药物从癌症血管透出，或更容易通过血脑屏障。
细胞的RES可以隔离注射的纳米粒子，对纳米粒子包埋的药物是有效的免疫屏障。通过表面覆盖聚乙烯乙二醇，脂质体可以有效避免被RES的吸收，因此药物的半衰从几分钟提高到几小时或几天，增加了脂质体靶向治疗肿瘤的效果。
癌症病变内的高渗透压，导致治疗药物渗透和在肿瘤内扩散相当困难，即使药物直接注射到病变也容易再排除，尤其是晚期癌症。将来解决此麻烦问题的创造性方法是，多阶段、多负荷的投递系统，但目前这仅仅是一个理论上的构思。2005年1月Abraxane被美国FDA批准[18]为治疗转移性乳腺癌，此药物由紫杉醇纳米粒子组成，可以结合到白蛋白分子上。这种纳米粒子不需要治疗前使用甾体类抗炎药物（传统的紫杉类必须使用），白蛋白可以帮助纳米粒子从内皮细胞上穿过，此联合可以将紫杉醇的临床剂量提高50%。
4 纳米技术的安全性和展望
纳米技术对癌症治疗可能是最有希望的手段之一，然而，应该放在安全性考虑之后。这不仅是严格的审批管理的观点，当然也是健康工作者最关注的问题。纳米载体也会触发过敏反应。碳纳米管可以产生抗体，早期的纳米树状体也可导致较弱的抗体反应，但蛋白结合的树状体是很强的免疫原。因此，纳米技术的治疗不可能不导致过敏反应，需要设计合适对抗手段。
纳米粒子主要的优势是其多功能性，能够将多方法，如治疗、诊断和屏障避开制剂进行联合，与药物反应的生物副作用也会增加。Cristini等[19]发现，将靶向性细胞毒药物治疗肿瘤，尤其是抗血管治疗，将癌症病变分割成多个卫星灶，即治疗产生的重新排列（氧和营养支持的来源），使后序治疗的难度增加。
展望将来，对治疗的疗效进行实时评估方法，将替代直接对肿瘤大小、分子表达和靶向性信号通路进行的观察，甚至替代一些传统的终点分析方法，如缓解时间和生存时间。体内分子显像剂的开发，双重的治疗—显像纳米载体技术的建立，体内显微镜技术（通过荧光光子技术对单个细胞进行显像）的出现，将对最优的诊断治疗提供确实的依据[20，21]。
【】
[1] Brannon?鄄Peppas L,Blanchette JO. Nanoparticle and targeted systems for cancer therapy[J]. Adv Drug Deliv Rev, 2004,56(11):1649-1659.
[2] Ferrari M. Cancer nanotechnology: opportunities and challenges[J]. Nat Rev Cancer, 2005,5(3):161-171.
[3] Whitesides GM. The ‘right’ size in nanobiotechnology[J]. Nat Biotechnol, 2003,21(10):1161-1165.
[4] Allen TM. Ligand?鄄targeted therapeutics in anticancer therapy[J]. Nat Rev Cancer, 2002, 2(10):750-763.
[5] Hirsch LR, Stafford RJ, Bankson JA, et al. Nanoshell?鄄mediated near?鄄infrared thermal therapy of tumors under magnetic resonance guidance[J]. Proc Natl Acad Sci USA, 2003,100(23):13549-13554.
[6] Tolson J, Bogumil R, Brunst E, et al. Serum protein profiling by SELDI mass spectrometry: detection of multiple variants of serum amyloid alpha in renal cancer patients[J]. Lab Invest, 2004,84(7):845-856.
[7] Cai D,Mataraza JM, Qin ZH, et al. Highly efficient molecular delivery into mammalian cells using carbon nanotube spearing[J]. Nat Methods, 2005,2(6):449-454.
[8] Will O, Purkayastha S, Chan C, et al. Diagnostic precision of nanoparticle?鄄enhanced MRI for lymph?鄄node metastases: a meta?鄄analysis[J]. Lancet Oncol, 2005, 7:52-60.
[9] Kobayashi H, Kawamoto S,Sakai Y, et al. Lymphatic drainage imaging of breast cancer in mice by micro?鄄magnetic resonance lymphangiography using a nano?鄄size paramagnetic contrast agent[J]. J Natl Cancer Inst, 2004,96(9):703-708.
[10] Hansen KM, Thundat T. Microcantilever biosensors[J]. Methods, 2005,37(1):57-64.
[11] Voura EB, Jaiswal JK, Mattoussi H, et al. Tracking metastatic tumor cell extravasation with quantum dot nanocrystals and fluorescence emission?鄄scanning microscopy[J]. Nat Med, 2004,10(9):993-998.
[12] Nam JM, Stoeva SI, Mirkin CA. Bio?鄄bar?鄄code?鄄based DNA detection with PCR?鄄like sensitivity[J]. J Am Chem Soc, 2004,126(19):5932-5933.
[13] Santhakumaran LM, Thomas T, Thomas TJ. Enhanced cellular uptake of a triplex?鄄forming oligonucleotide by nanoparticle formation in the presence of polypropylenimine dendrimers[J]. Nucleic Acids Res, 2004, 32(7): 2102-2112.
[14] Sengupta S, Eavarone D, Capila I, et al. Temporal targeting of tumour cells and neovasculature with a nanoscale delivery system[J]. Nature, 2005,436(7050):568-572.
[15] Potineni A, Lynn DM, Langer R, et al. Poly(ethylene oxide)?鄄modified poly(beta?鄄amino ester) nanoparticles as a pH?鄄sensitive biodegradable system for paclitaxel delivery[J]. J Control Release, 2003,86(2?鄄3):223-234.
[16] LaVan DA, McGuire T,Langer R. Small?鄄scale systems for in vivo drug delivery[J]. Nature Biotechnol, 2003,21(10): 1184-1191.
[17] Tao SL, Lubeley MW, Desai TA. Bioadhesive poly(methyl methacrylate) microdevices for controlled drug delivery[J]. J Control Release, 2003,88(2):215-228.
[18] Gradishar WJ, Tjulandin S, Davidson N, et al. Phase Ⅲ trial of nanoparticle albumin?鄄bound paclitaxel compared with polyethylated castor oil?鄄based paclitaxel in women with breast cancer[J]. J Clin Oncol, 2005,23(31):7794-7803.
[19] Lesinski GB,Sharma S,Varker KA,et al.Release of biologically functional interferon?鄄alpha from a nanochannel delivery system[J]. Biomed Microdevices, 2005,7(1):71-79.
[20] Mooney D. Cancer: one step at a time[J]. Nature, 2005,436(7050):468-469.
[21] Hood L, Heath JR, Phelps ME, et al. Systems biology and new technologies enable predictive and preventative medicine[J]. Science, 2004,306(5696):640-643.
