近红外二区荧光探针在宫颈癌成像与治疗中的应用_古丽妮尕尔·阿里木.pdf

第 卷 第 期 年 月北京生物医学工程 .基金项目：国家自然科学基金重点项目（）、国家自然科学基金地区项目（）、省部共建中亚高发病成因与防治国家重点实验室开放课题重点项目（）、新疆维吾尔自治区自然科学基金项目（）资助作者单位：新疆医科大学公共卫生学院（乌鲁木齐）；新疆医科大学医学工程技术学院（乌鲁木齐）通信作者：努尔尼沙阿力甫，：.；张学良，：.近红外二区荧光探针在宫颈癌成像与治疗中的应用古丽妮尕尔阿里木，闫婷，朱丽君，樊慧敏努尔尼沙阿力甫，张学良，摘 要 宫颈癌是最常见的妇科恶性肿瘤之一，早期、有效的诊断与治疗对提高患者生存率及生活质量具有重要意义。荧光成像已被广泛应用于癌症的早期检测，但由于光在深层组织内传播时，受穿透深度和散射的影响，不利于实现深层组织高清成像。近红外二区（，；）成像技术与近红外一区（，；）成像技术相比，具备更高的信噪比和对比度、更低的自发荧光和更高的空间分辨率，是当前光学、生物医学等多学科的研究热点，非常适合宫颈癌的高质量荧光成像。高质量的荧光成像需要借助良好的荧光探针来精确定位肿瘤组织及其边界并监测治疗过程。目前已开发了一系列基于有机和无机材料的 荧光探针。本文概述了几种典型的 荧光探针及其辅助的 荧光成像技术在宫颈癌成像及治疗方面的应用。关键词 近红外二区；荧光成像技术；宫颈癌；荧光探针；成像与治疗：.中图分类号.文献标志码 文章编号（）本文著录格式 古丽妮尕尔阿里木，闫婷，朱丽君，等 近红外二区荧光探针在宫颈癌成像与治疗中的应用北京生物医学工程，（）：，（）：，；，：（：.）；（：.）【】，（，），（，），【】；引言宫颈癌是女性第四大常见恶性肿瘤，也是导致女性癌症死亡的主要原因之一。近年来，宫颈癌的发病率逐年上升，发病年龄日益年轻化。宫颈癌的主要症状有阴道出血、排尿频率增加、输尿管梗阻、下肢肿痛等。宫颈癌的治疗需要以肿瘤和区域淋巴结为靶点进行体外放射治疗、近距离放射治疗以及同步化疗。客观定位肿瘤的位置及边缘对于高质量治疗宫颈癌至关重要。近年来，光学成像技术凭借其高灵敏度、非侵入性和实时成像等优点，被广泛应用于肿瘤组织、血管结构以及其他组织的成像。与可见光相比，近红外（，）荧光成像技术因其组织穿透性强、背景荧光干扰低、生物样本光损伤小等特点在肿瘤成像方面备受青睐。其中，近红外二区（，）荧光成像技术具有更长的光波长、较低的散射和自发荧光，有助于获得高分辨率和高信噪比的荧光成像图，能够实时动态地观测血管，快速定位炎症病灶，进行精准的肿瘤成像及监测治疗过程等，在宫颈原发性 转移性肿瘤的高分辨率成像及光疗，以及荧光成像引导下的前哨淋巴结（，）切除手术等方面展现了其独特的优势。荧光探针被广泛应用于光学成像及生物诊疗中，选择合适的荧光探针是 成像技术应用的关键之一。目前，常见的 荧光探针主要有单 壁 碳 纳 米 管（，）、半导体量子点（，）、稀土掺杂纳米颗粒（，）和有机小分子荧光探针等。本文将围绕上述几种荧光探针，概述其辅助的 荧光成像技术在宫颈癌成像及治疗方面的研究进展。几种典型的 荧光探针单壁碳纳米管是一种由石墨薄片无缝地包裹在圆柱管中的纳米材料，尺寸小并具有独特的结构，这决定了其良好的导热性能和优异的化学稳定性，在 波段体现了良好的荧光稳定性和荧光发射、较高的光热转化效率和光敏特性，在药物输送、生物传感器、生物成像和光热治疗领域具有重要的生物医学应用价值。等纯化了保持膜结构不变而不缩短管的。研究表明，纯化的 可产生更多的活性氧，消耗细胞内抗氧化剂，激活半胱天冬酶级联反应，从而以时间和剂量依赖的方式引起细胞氧化应激，即使在低浓度.，也会导致人宫颈癌细胞（）死亡。半导体量子点因其发射波长可调、光稳定性高和荧光量子产率高等特性受到广泛关注。量子点易偶联靶向生物分子，因此能够构建具有靶向功能的生物探针。近年来，已成功制备一些新型的、低毒性的半导体量子点。例如 族、及族的、等，极大地克服了传统的 量子点因含有重金属物质而存在潜在毒性的问题，是理想的 荧光材料。已经成功地应用于宫颈癌细胞成像中，如 等合成了 修饰的 量子点（），该量子点具有优异的稳定性、量子产率、抗光漂白能力和生物相容性。体内外实验结果表明，不仅具有 荧光成像的能力，并且其介导的光热治疗对 细胞具有明显的抑制作用。这项工作为构建肿瘤早期诊疗平台提供了一条新的思路。稀土掺杂纳米颗粒是一种稳定的、成分可控的第 期 古丽妮尕尔阿里木，等：近红外二区荧光探针在宫颈癌成像与治疗中的应用无机光致发光材料，具有光稳定性良好、光漂白率低、生物相容性高和斯托克斯位移大等优点，且能在波段良好发光。因此 可广泛应用于肿瘤以及血管的成像研究，是 荧光成像的研究热点。等合成了棒状纳米粒子（：纳米棒），并用聚丙烯酸（，）改性制备出了亲水性。具有良好的生物相容性、极低的毒性和高发射效率。通过调节 的掺杂量，使 发射波长集中在 的同时保持了较高的光稳定性。在异种移植 细胞裸鼠模型中实现了体内荧光成像，并在肿瘤部位观测到了显著的 荧光信号，证明 辅助的 荧光成像对宫颈小肿瘤（）的诊断具有可行性，并对小血管成像具有高空间分辨率（约 ）。结果表明，所开发的镧系 造影剂在肿瘤早期诊断、血管相关疾病成像等生物医学领域具有广阔的应用前景。有机小分子荧光探针主要包括苯并双噻二唑类和花菁类等染料，其具备了较小的分子结构和分子量、易调节的光学性质、优异的代谢能力及低毒性等优点，从而成为生物医学成像的绝佳候选者。然而，大多数有机小分子荧光探针受到聚集诱导荧光猝灭（，）效应的影响，进而表现出较弱的光稳定性和严重的光漂白性，影响 生 物 成 像 的 质 量。具 有 聚 集 诱 导 发 光（，）特性的 有机小分子染料，能够很好地克服传统有机物染料存在的上述问题，被包覆之后在聚集状态下能够发射很强的荧光信号，同时能够保证荧光不被猝灭，还具备了非常好的生物相容性与荧光稳定性，在 荧光成像中具有十分重要的意义。王天威等以合成的新型罗丹明荧光染料（）对 细胞进行染色实验。荧光显微镜下观察发现该荧光染料在 内就进入 细胞，染色后的细胞存在发光面积大、荧光强度高的现象；共聚焦显微镜下观察，可以清楚地看到染料在染色 的 细胞胞质中均匀分布。通过流式细胞仪检测细胞，发现 与肿瘤细胞有很强的亲和力，在 荧光成像中具有很好的显像效果。以上这几种典型 荧光探针的优缺点及其在宫颈癌中的应用总结在表 中。表 几种典型 荧光探针的优势与不足及其在宫颈癌中的应用 荧光探针优势不足应用参考文献单壁碳纳米管自发荧光低、细胞毒性低、导热性能好、光漂白率低水 溶 性 差、量 子 产 率低、生 物 相容性差肿瘤细胞成像及其体外治疗半导体量子点量子产率高、光稳定性高、发射波长窄、吸收截面大生 物 毒 性高、荧 光 寿命低肿瘤细胞成像、体 外 光热治疗 稀土掺杂纳米颗粒发射效率高、光漂白率低、发光寿命长、尺寸高度可控量子产率低肿瘤细胞体内成像及光热治疗 有机小分子生物毒性低、代谢速度快、制备简单、生物相容性高聚集诱导荧光 猝 灭、斯托克斯位移小体 外 成 像、光 热 治 疗、联合治疗 荧光探针辅助的成像技术.在宫颈癌成像中的应用活检和组织病理学检查被认为是癌症诊断的金标准，但由于组织的处理过程是侵入性的，因此需要微创、精准的新方法与技术来弥补传统方式中的不足之处。宫颈癌的主要转移途径是淋巴转移，淋巴转移既是宫颈癌患者复发和生存的重要预测因素，也是对肿瘤分期分级、确定治疗方案的关键因素。荧光成像技术，得益于其高分辨率及信噪比等优势，可实时清晰地显示淋巴管走向及前哨淋巴结的位置。等的研究显示，有机染料吲哚菁绿结合 荧光成像技术在患有宫颈癌和子宫癌的妇女中识别出比以往使用的异硫氰蓝染料更多的前哨淋巴结，尤其是双侧前哨淋巴结。等制备了具有良好水溶性和生物相容性的小分子荧光染料，其与胎牛血清（，）复合形成的 可以显著提升 荧光强度，实现小鼠淋巴结、淋巴管的实时示踪及成像。.在宫颈癌治疗中的应用传统的宫颈癌治疗方法，如手术、化疗和放射治疗，都是侵入性和非选择性的治疗策略，副作用显著北京生物医学工程 第 卷且治疗效果不佳。随着科技进步，光动力疗法（，）和 光 热 疗 法（，）因其高性能、效率及特异性成为被广泛应用的新型治疗方式。.光热治疗光热疗法能够精确诊断、非侵入性治疗和实时监测疗效。荧光探针通常还具有近红外吸收，因此可同时实现 荧光成像和光热治疗的诊疗一体化效果。等用薄膜分散法制备的黑磷量子点脂质体（）具备脂质体和黑磷量子点的双重优势，具有较好的光热效应及较稳定的 发光性质。此研究表明，细胞可以有效摄取 纳米粒，并在激光照射后，导致 细胞死亡率大幅度上升，说明该纳米粒子可应用于宫颈癌肿瘤的光热治疗。等采用逐层法制备了 核 壳 壳 纳 米 晶 体（，），进一步在纳米晶体上包覆普鲁士蓝（，）形成 ，使得吸收增加 倍，效率提高 倍。为了提高它的稳定性，进一步用聚乙二醇（，）修饰得到一类基于镧系元素的 热敏剂，用于 荧光成像引导的光热治疗。比较在有 无激光照射的情况下，存在时 细胞的存活率，证实 纳米复合物的存在会导致大量的 细胞死亡。利用 成像对肿瘤部位进行精确定位后，在接种小鼠子宫颈癌细胞的小鼠身上实施体内光热治疗，发现与未进行光热治疗的小鼠相比，其肿瘤大小显著缩小，体现了良好的光热治疗效果。.光动力治疗光动 力 治 疗 宫 颈 癌 的 基 本 原 理 是 光 敏 剂（，）优先聚集于肿瘤细胞中，用特定波长的光照射肿瘤部位后，光敏剂吸收光子的能量后部分电子被激发，受激发的光敏剂将能量传递给氧，生成一些活性氧分子，产生细胞膜或蛋白的氧化损伤，当氧化损伤的积累超过一定的阈值时，肿瘤细胞便开始死亡，从而实现肿瘤治疗。等利用低带隙的基团 作为强电子受体设计了一种用于 激活双光子光动力治疗的 光敏剂。它通过细胞内吞作用进入细胞溶酶体中，在 激光激发下，细胞溶酶体内的 能够产生足够的，发挥有效的光动力作用从而消融宫颈癌细胞。为了比较和 对组织的穿透能力，通过模拟生物组织证明了 具有更深的组织穿透能力和更好的双光子光动力治疗效果。.联合治疗目前光学治疗技术虽展现出了较大的潜力，但由于肿瘤复杂多变的微环境，单一模式的治疗效果在许多情况下是不令人满意的，因此开发用于 荧光成像指导的肿瘤联合治疗体系显得十分重要。等将金纳米星（）作为 的光热剂，以可生物降解的 甲基咪唑锌盐（）为壳层，构建了一种刺激响应型的多功能蛋黄 壳型纳米颗粒。将化疗药物盐酸阿霉素（，）包裹在金纳米星和 之间的空腔中形成金纳米星（）。它可通过典型的吞噬过程进入 细胞中诱导细胞凋亡；在 激光照射下，因 的降解过程而在 细胞内释放，当 浓度达到 时，宫颈癌细胞的存活率下降到，这可能是其光热性能和促进药物释放的特性表现出的协同抗癌效果。与单独的光热治疗或化疗相比，纳米复合材料具有独特的生物相容性以及协同抗肿瘤效果。等为了将光动力疗法与光热疗法和化学疗法相结合以增强抗癌活性，合成了纳米粒子，在 的 激发光触发时，产生协同增强的治疗效果。即使在较低的 辐射（.）和较低的剂量（）下，在体外 细胞系上也验证了其协同治疗效果。结论与展望近年来，荧光成像凭借组织穿透性强、组织光损伤小、组织散射小等优点，被越来越多地应用于肿瘤组织的成像与治疗，且已经成为一种很有前途的、替代常规使用的可见光和 荧光成像的方法。本文概述了几种典型的 荧光探针及其辅助的 荧光成像技术在宫颈癌成像和治疗的应用。其中包括单壁碳纳米管、半导体量子点、稀土掺杂纳米颗粒、有机小分子染料等近红外二区荧光探针。其具有独特的物理和光学特性，经表面修饰后荧光材料具有很高的特异性，能够应用于宫颈第 期 古丽妮尕尔阿里木，等：近红外二区荧光探针在宫颈癌成像与治疗中的应用癌的原发性 转移性肿瘤成像，和成像引导的前哨淋巴结切除，肿瘤光热、光动力及联合治疗。目前，荧光探针仍存在许多不足，例如，有机荧光材料的量子产率较低，聚集状态易诱导荧光猝灭；量子点和稀土掺杂纳米颗粒易在体内滞留和聚积；单壁碳纳米管的生物相容性和水溶性差等。因此，合成高灵敏度、高量子产率、低漂白性、高