金纳米粒 (gold nanoparticles,GNPs) 是一类纳米级的金单质聚集体,近年来在生物医药领域获得广泛研究。GNPs具有尺寸、形态可控,表面易修饰,生物惰性,细胞毒性低以及光学性质等特性^{[1, 2]}。为了避免GNPs在溶液中发生团聚,提高其稳定性和生物相容性,对粒子表面进行功能化以实现多种可能的生物医学应用,是生物医药领域研究的热点^{[3, 4]}。其中,采用具有良好生物相容性和生物可降解性的聚合物对GNPs进行表面修饰,利用修饰后的金纳米粒 (polymer-modified gold nanoparticles,P-GNPs) 发展新型的癌症治疗技术^{[5, 6]}已受到广泛关注。癌症治疗技术包括 ① 以P-GNPs结构为基础的核酸、抗原及疫苗佐剂的基因治疗和免疫治疗的递送系统; ② 基于P-GNPs的其他辅助治疗技术,如光热治疗 (photo­thermal therapy,PTT)、光动力疗法 (photodynamic therapy,PDT) 和放射治疗等。此外,P-GNPs可作为良好的造影剂,辅助各种成像技术,还用于肿瘤的诊断、跟踪研究。本文综述了近年来利用P-GNPs构建的多种癌症治疗的方法和技术,这些新型方法和技术的组合和发展对设计构建理想的治疗系统具有重要意义。

PTT是一种治疗肿瘤的新方法,利用具有较高光热转换效率的材料,定向聚集在肿瘤组织附近,在外部光源 (一般为近红外光,near-infrared,NIR) 的照射下将光能转化为热能来杀死癌细胞的一种治疗方法。金纳米粒 (尤其是金纳米棒,gold nanorod,GNR) 就是一种良好的光热转换材料,在红外光的照射下能有效将光能转化为热能。由于NIR (波长650～900 nm) 对机体组织具有较好的穿透性能,对正常组织损伤小,在临床上常作为最优的光源。采用近红外光对聚集有金纳米粒的肿瘤部位进行照射,调控金纳米粒在NIR区等离子共振吸收的时间和强度,肿瘤细胞在41～47 ℃内即产生细胞凋亡^[7],当温度超过50 ℃时,引起不可逆转的细胞膜破裂导致细胞死亡^[8]。

在此技术应用的过程中,聚合物对GNPs的修 饰除了能提高GNPs的生物相容性,有助于粒子借助肿瘤部位的渗透和滞留 (enhanced permeability and retention,EPR) 效应到达病变部位外,还可以提高系统的光热转换的效率。例如,以聚吡咯 (polypyrrole,PPy) 为壳材包覆在海胆状GNPs表面,获得GNP 光热材料,其光热转换效率从修饰前的11% 提高到24%^[9]。对GNPs表面修饰的聚合物种类和性质的调节,可以实现GNPs自组装形式和在溶液中位置排布的调控,增强其PTT效率。 例如,在尺寸为14 nm的GNPs表面修饰并调节两亲聚合物PCL-SH和PMEO₂MA-SH中PCL/PMEO₂MA比例,可获得内部具有致密堆积结构的金纳米胶束,致使GNPs的等离子共振吸收从紫外区 (520 nm) 红移至NIR区 (830 nm)。经NIR照射后,可有效杀死MCF-7乳腺癌细胞^[10]。在此基础上,利用梳齿状两亲聚合物PCL/PMEO₂MA-co-PHEMA组装金纳米胶束可同时包载阿霉素 (doxorubicin,Dox)。在NIR照射下,GNPs产热并释放出Dox,实现了PTT和化疗的协同治疗效果,提高了肿瘤治疗的疗效。相同剂量下肿瘤细胞的存活率从45% (Dox组)、39% (PTT组) 降低到20% (PTT-Dox组)^[11]。除了长链的聚合物,在树形分子上通过pH敏感的腙键连接Dox,进而对GNPs进行修饰,也实现了PTT和化疗的协同作用^[12]。实验证明,这种光热-化学协同治疗的方法比任何单一的治疗方法更有效。

另外,在PTT和化疗结合的基础上,还可联合其他成像技术,如磁共振成像 (magnetic resonance imaging,MRI)、计算机断层扫描成像 (computed tomography,CT)和光声成像 (photoacoustic tomography,PAT) 等,实现多模式的治疗、诊断功能。有报道将磁性纳米粒引入聚合物PNIPAAmMA修饰层,覆盖于GNR表面,获得的具有磁性GNR在外部磁体作用下,除了能提高PTT的效果外,还实现了MRI/PAT双模式成像用于肿瘤诊断^[13]。

PDT是一种联合应用光敏剂及相应光源,通过光动力学反应选择性破坏肿瘤组织的全新治疗技 术^[14]。通过细胞摄取光敏剂和氧气分子,在合适波长的光源激发下,产生有害的活性氧 (reactive oxygen species,ROS),如单线态氧 (¹O₂) 或自由基,导致不可逆转的细胞损害甚至死亡。目前,PDT主要面临两个问题: ① 多数光敏剂的憎水性限制了其在生理环境下的有效运载; ② 光敏剂对肿瘤部位的低选择性导致光照下产生的ROS对正常组织也同样造成损伤。因此,目前PDT实现的关键是要将光敏剂准确输送至肿瘤部位,并在肿瘤内产生ROS,提高PDT对肿瘤细胞的杀伤效率,减少对正常组织的伤害^{[15, 16]}。

借助于GNPs的EPR效应和聚合物层对光敏剂的包载和输送能力,以P-GNPs作为纳米载体输送光敏剂,可以提高光敏剂的稳定性、增强其肿瘤靶向能力、提高PDT效率。对于亲水的光敏剂靛蓝花青绿 (indocyanine green,ICG),其在NIR区有吸收,可产生¹O₂来杀死肿瘤细胞,但在水溶液中不稳定,体内易被清除。将其包载于具有壳聚糖 (chitosan,CS) 外壳的GNR上^[17]制备的结合物CS-GNR-ICG,可以保护ICG不被水解,同时通过EPR效应提高在肿瘤的蓄积能力。利用GNR和ICG均可以在NIR区被激发的特点,可实现对肿瘤的PTT/PDT联合治疗。对于疏水性的光敏剂,在PEG修饰的金纳米笼^[18]和共聚物 [poly(NAM-co-NAS)] 修饰的GNPs^[19]输送下,HPPH [3-devinyl-3-(1'-hexyloxyethyl) pyropheophorbide] 和以二溴苯为基础的发色团 (dibromobenzene based chromophore,DBB) 均能准确到达肿瘤部位,在PDT作用下显著抑制肿瘤生长。为了进一步提高光敏剂 的肿瘤细胞选择性,具有三明治结构的Au@PSMA/ MB-Tf纳米粒借助其表面的转铁蛋白分子对HeLa细胞的特异性识别,在外部光源 (660 nm) 照射下,结合物的¹O₂量子产率比单独MB提高了50%,PDT效率提高了1.5倍,导致更高的HeLa细胞凋亡率^[20]。此外,脉冲模式也被用于基于P-GNPs的PDT治疗,减少了治疗对正常组织和细胞的伤害^[21]。

放射治疗是指通过组织在X-射线或γ-射线的照射下产生电子,破坏肿瘤细胞中的蛋白或DNA,从而引起肿瘤细胞死亡的一种治疗方法。目前X-射线放射治疗面临的挑战是肿瘤选择性差以及高剂量辐射对正常细胞造成的损害。金原子较高的原子序数使其具有较好的放射增强效应,P-GNPs已被证实是有效的放射敏化剂,能显著提高对肿瘤细胞的放射治疗效果,降低放射剂量,减少不良反应。将1.9 nm GNPs包封在PEG-b-PCL胶束内构建的金纳米胶束在体内被证实是高效的放射敏化剂,能显著增强移植瘤部位放射诱发的DNA损坏,并同时延长荷瘤小鼠的生存周期^[22]。研究还发现表面采用正电性的聚合体如聚乙烯亚胺 (PEI) 修饰的P-GNPs比负电性的聚合物如聚苯乙烯 (PSS) 修饰的粒子具有更高的细胞膜穿透能力。以A172胶质母细胞瘤细胞考察其放射效果,X-射线照射后正电性P-GNPs造成的DNA损害 及细胞死亡均高于负电性^[23]。此外,P-GNPs的放射吸收还与其粒径密切相关。体内外结果显示,γ-射线照射PEG修饰的GNPs后,只有粒径适中的P-GNPs具有更强的辐射增强效果 (12.1和21.3 nm),粒径过大或过小 (4.8和46.6 nm) 效果均不理想^[24]。为提高P-GNPs对肿瘤细胞的选择性,在1.4 nm GNPs表面修饰一种pH低插入多肽 (pH low-insertion peptide,pHLIP),以A549非小细胞肺癌细胞考察其放射治疗效果。这种pHLIP能够感受肿瘤细胞表面酸度,在 低pH下将治疗制剂靶向传递至肿瘤细胞内。pH 6.0时,pHLIP可以将肺癌细胞对GNPs的吞噬提高34%。X-射线照射后,注射pHLIP-GNPs组的细胞生存率比GNPs参比组低21%^[25]。

基因治疗是将外源的遗传物质 (DNA、RNA或寡核苷酸) 通过转染的方式输送至真核细胞,用以纠正或补偿因基因缺陷和异常引起的相关疾病。然而,DNA或RNA的高负电性使它们很难穿透细胞膜,需要合适的载体进行输送。载体-核酸复合物首先通过受体介导的内吞进入细胞,成长为内涵体,与溶酶体融合,最后在溶酶体内大量酶的降解下释放出遗传物质^[26]。因此,在基因治疗中取得良好治疗效果的关键是寻找合适的非病毒载体,安全高效地将遗传物质输送至靶细胞^[27]。

作为基因递送载体,P-GNPs具有免疫反应小、生物相容性好和细胞摄取率高等优点^[28],已被用于运送小分子核酸如反义寡核苷酸^{[29, 30]}、RNA或小干扰RNA (small interfering RNA,siRNA)^{[31, 32]}。低分子量核酸可以在温和的条件下通过Au-S键固定在金表面,在合适的外部刺激下,实现时间/空间的控制释放^[33]。高分子量核酸,如质粒DNA (plasmid DNA,pDNA),可以通过在GNPs表面修饰阳离子聚合物,如PEI、CS和树枝状聚合物,或由它们改良的共聚物作为基因载体来实现^[34]。

PEI具有很强的质子海绵效应,可破坏内涵体并释放核酸,有效提高基因输送的效率^[35]。将PEI通过静电作用沉积在PSS-GNR表面,得到的结合物具有优异的稳定性。把它们作为基因载体输送pGL3pDNA时,相比于其他阳离子聚合物表面修饰的PSS-GNR,显示出更高的转染效率和更低的毒性^[36]。CS及其衍生物也是一类常用的阳离子聚合物,具有生物可降解性、生物相容性、低毒性和免疫原性^[37]。以PSS和CS层层自组装在GNR表面制备的Chit-GNR能够保护siRNA,在暴露于RNase和血浆时不被降解。该粒子被MDA-MB-231人乳腺癌细胞有效摄取后,能实现溶酶体/内涵体的成功逃逸,释放进入细胞质并显著降低PKM2 mRNA水平,从而抑制肿瘤细胞增殖和转移^[38]。树枝状聚合物在水中、磷酸盐缓冲液、细胞培养液及不同温度和pH下都可以稳定存在,能够有效地压缩pDNA,实现高效的基因转染效率。树枝状聚合物修饰的GNPs也被作为稳定的基因载体应用于基因转染^{[39, 40]}。此外,有研究使用P-GNPs构建基因治疗-化疗协同治疗系统,取得了更优的治疗效果^{[41, 42]}。

免疫疗法是通过免疫制剂刺激机体的免疫系统,使机体对疾病产生恰当的免疫应答。肿瘤细胞能够通过抑制T细胞的识别和刺激,逃离机体免疫系统的识别,释放抑制免疫应答的细胞因子,导致T细胞的凋亡^[43]。因此,肿瘤免疫疗法的目标是针对反复出现的肿瘤细胞建立持续的免疫应答。其中,将抗原有效输送至淋巴结,随后激活T细胞是建立免疫应答的一个有效策略。由于P-GNPs生物相容性高,粒径可调,易于通过淋巴管输送相关分子 (如抗原、疫苗佐剂) 至淋巴结,并且在免疫治疗时自身具有疫苗佐剂的作用,已被广泛用于肿瘤的免疫治疗^{[44, 45]}。

CpG是一个合成的寡聚脱氧核苷酸,能够与内涵体内的TLR9受体结合产生炎症反应,是常用的 疫苗佐剂。将其在P-GNPs的帮助下输送至内涵体,能够增强CpG的刺激作用,引起对肿瘤强烈的免疫应答。分别以抗原OVA和佐剂CpG修饰PEG化的GNPs制备GNP-OVA和GNP-CpG。结果显示,GNP- OVA在单独或联合GNP-CpG使用时产生相似的抗原特异性免疫反应,均可抑制B16-OVA黑色素瘤的形成和生长并且效果几乎一致,远高于游离OVA或OVA和CpG的联合使用。说明GNPs可被用于OVA和CpG的输送并显著增强肿瘤免疫治疗效果。由于GNPs固有的佐剂作用,在形成GNP-OVA后可发挥足够的抗肿瘤作用^[46]。此外,将红色荧光蛋白 (red fluorescent protein,RFP)、CpG修饰在P-GNPs表面制备CpG/RFP/GNPs,通过CT成像发现大部分的结合物将抗原输送至最近的淋巴结。而且不使用疫苗 佐剂,RFP/GNPs依然产生较高的免疫应答^[47]。目前,利用P-GNPs对肿瘤的免疫治疗研究大部分局限于 外源抗原激起的免疫应答,对内源抗原的免疫应答的研究还较少。在此基础上,进一步研究发现金结合物GNP/EDB-OVA对肿瘤相关的内源抗原EBD可 以产生有效的体液免疫和细胞免疫,抑制了EBD过表达乳腺癌模型中肿瘤的生长^[48]。另外,有研究表明,P-GNPs的尺寸对免疫应答也有影响。相比于尺寸为30和80 nm的金核,小于15 nm的金核能够激发更多的免疫应答^[46]。

通过P-GNPs构建多功能的癌症治疗平台,实现提高癌症治疗效果,在生物医药领域显示出独特的应用前景。研究人员在多功能平台的稳定性、安全性、生物相容性、靶向性、生物可降解能力、长循环能力、载药和释药能力等方面进行了大量的研究,取得了许多积极的成果。但将多种治疗方法集中在同一个 平台上,实现多功能协同作用,还有很多问题需要进一步解决: 如何提高在PTT/PDT中的热稳定性,得到持续的治疗效果; 如何提高体内的生物相容性和生物可降解能力,使其最终用于临床; 如何调控P-GNPs在体内正常组织和肿瘤内的分布及浓度,以及最终的代谢途径,提高其安全性等。