碳納米管技術在胰腺癌臨床治療中的應用進展

邵 卓， 紀偉平， 劉安安， 歐陽柳， 馬洪運

海軍軍醫大學長海醫院普通外科，上海 200433

胰腺癌是一種起病隱匿、迅速惡化、治療預后很差的消化道惡性腫瘤[1]。2014年我國胰腺癌新發病例6.12萬例，占全部癌癥新發病例的第10位(2.42%)；同年胰腺癌死亡例數8.51萬例，占全部癌癥病例死因的第6位(3.4%)。1980至2000年的20年中，胰腺癌患者的發病率和病死率分別從第10位升至第8位和第6位，五年生存率僅約5%，其中4期胰腺癌患者的5年生存率甚至低于3%[1-2]。隨著胰腺外科技術和圍手術期處理的改進，越來越多的胰腺癌患者得到手術切除治療，圍手術期并發癥發生率也降低至10%或以下[3]。

化療是晚期胰腺癌患者最重要的治療手段之一。目前，胰腺癌化療藥物首選吉西他濱，其次為紫杉醇等。通過化療，可以使癌細胞進入凋亡、自噬狀態，從而延長患者生命。如何使化療藥物更精確地到達癌灶部位并更高效地殺傷癌細胞是目前研究的熱點。采用脂質體、納米材料或石墨烯等作為載體，可以將吉西他濱等化療藥物運載至癌灶，然后通過特異性抗原結合癌細胞，從而使其轉染自殺基因而啟動凋亡或自噬狀態。這一方法在體內轉運藥物使其進入細胞不需病毒協助，對機體無毒性，也沒有免疫原性，是基因治療載體研究的新方式[4]。

1 碳納米管的性質

納米碳材料是指分散相尺度至少有一維小于100 nm的碳材料，主要包括納米碳管、納米碳球及納米碳纖維，其中與醫學聯系最為緊密的是碳納米管。碳納米管是1991年1月由日本筑波NEC實驗室的物理學家飯島澄男使用高分辨透射電子顯微鏡從電弧法生產的碳纖維中發現的[5]。碳納米管根據結構的不同可分為單壁碳納米管(single-wall carbon nanotubes，SWCNTs)和多壁碳納米管(multi-wall carbon nanotubes, MWCNTs)，分別由單層或多層石墨片圍繞中心按一定的螺旋角卷曲而形成無縫的納米級管狀晶體。SWCNTs直徑一般介于1～6 nm，而>6 nm的SWCNT結構不穩定，容易發生塌陷。SWCNTs的長度可以達到幾百納米到幾十微米，并可根據其石墨層片的螺旋性分為非手性(對稱)和手性(不對稱)結構。SWCNTs能嚴重破壞大腸桿菌等細菌的細胞壁從而將其殺滅，有助于解決細菌抗藥性這一難題。MWCNTs的管壁上常布滿小洞樣缺陷，其外徑為幾納米到幾百納米，而長度一般在微米量級，最長者可達數毫米[6]。

在臨床上，碳納米管已經應用于胃癌、結腸癌及甲狀腺癌等疾病的術中示蹤[7]，并作為藥物載體和新型生物材料開始逐漸被關注。與以多聚乙烯基亞胺(polyethylenimine, PEI)為代表的陽離子多聚物載體相比，使用卵磷脂、膽固醇等物質制備的納米脂質體不僅具備藥物載體的作用，還因其磷脂雙分子層包覆水相囊泡后生物相容性優良、無毒、無免疫反應等優點，能大大提高載體的轉運效率。對納米脂質體進行磁化后制成的磁性納米脂質體，可以通過外界磁場引導其進入胰腺癌靶位，操作更為簡便，也更能有效地結合、濃縮和保護DNA。

2 碳納米管對胰腺癌的診斷價值

碳納米管能與某些生物分子特異性識別并結合。由于這一特殊的理化性質，使包括探針、傳感器等在內的生物電子元器件微型化成為可能。這些器件不僅在體積上而且在性能上都比現有的器件優越[8]。由于MWCNTs表面積大、傳導率高，并有化學穩定性好、機械強度高等理化性質，同時具有優良的生物兼容性和電子傳遞能力，因此被廣泛應用于生物電子傳感領域中。秦霞等[9]利用層層自組裝的方法在鉑電極上組裝了8層聚苯烯胺/聚磺化乙烯，然后再修飾上高分子聚合物聚二烯基甲基氯化銨和膽堿氧化酶，制備了基于MWCNTs的膽堿生物傳感器。

對于胰腺癌患者來說，腫瘤指標糖類抗原199(CA199)的檢測至關重要。由于SWCNTs對CA199的特異性顯示作用，其可作為生物傳感器用于胰腺癌患者早期篩查和診斷，在早期腫瘤診斷上被證明更迅速、便捷和有效[10]。目前這一傳感器已經進入臨床試驗階段。Xu等[11]利用基于1次成型殼聚糖多層碳納米管的直接導向性微電極排列完成了癌胚抗原(CEA)的高精度檢測。

此外，基于碳納米材料的磁共振成像造影劑研究[12]提示，通過將GdCI3沉積到超短的SWCNTs內部，能使磁共振的成像性能得到很大提高。借助良好的傳遞能力和對造影劑分子特殊的空間限制作用，碳納米管在胰腺癌早期磁共振診斷成像中有廣闊的應用前景。

3 碳納米管作為胰腺癌化療藥物載體的應用進展

2004年，Pantarotto等首次報道了對熒光標記的SWCNTs使用共聚焦熒光顯微鏡觀察發現其將小肽段帶進細胞的過程[13-14]；進一步研究[15]提示，SWCNTs表面可以通過共價作用力和非共價作用力連接蛋白質，并通過表面活性劑和聚合物使碳管功能化，從而抑制蛋白質非特異性吸附在SWCNTs表面。通過這些研究證實，碳納米管能通過內吞作用進入細胞，從而進一步發揮功能。

碳納米管也可作為質粒和RNA的載體，其中功能性碳納米管能通過靜電作用與質粒結合穿透細胞膜進入細胞。其結合DNA的量與碳管表面積及其所帶靜電荷有密切關系，但是這一結合并不穩定，其轉染效率與碳管表面的化學基團性質密切相關。Liu等[16]利用PEI使DNA更牢固地結合在MWCNTs表面，使其轉染效率較單獨PEI轉染高3倍，比單獨DNA轉染高4個數量級。由于RNA聚合物通過非特異性作用與碳管結合，因此能在細胞內釋放以SWCNTs為載體的RNA。Kam等[17-18]利用裂解二硫鍵的方法，在碳納米管表面對DNA和siRNA等生物分子進行修飾，在細胞內實現DNA的轉移、釋放及轉染，從而通過高效傳遞siRNA，起到對細胞內特殊蛋白的基因沉默作用。

同樣，作為藥物分子的載體，碳納米管對于改善藥物的藥理學性質具有重要意義[19]。在胰腺癌的治療上，Chen等[20]將紫杉醇類藥物通過SWCNTs攜帶進癌細胞，并利用可斷裂的化學鍵在細胞內釋放，起到了特異性細胞毒作用。Lahiani等[21]證明，碳納米管作為人參代謝物載體，能夠增強人參皂苷Rb1的細胞毒性，從而降低達62%的乳腺癌細胞活性，并增強耐藥胰腺癌細胞達61%的抗增殖能力。Saeed等[22]則發現， SWCNTs和石墨烯納米載體能夠提高藤黃酸在乳腺癌和胰腺癌中的細胞毒性。Razzazan等[23]通過羧基化、酰基化、氨基化和聚乙二醇化，將聚乙二醇包裹的碳納米管作為吉西他濱載體，使吉西他濱在裸鼠體內獲得了更高效的分布。Yang等[24]通過使用磁性功能化碳納米管作為吉西他濱的載體，證實吉西他濱在磁場作用下能夠成功逆轉和抑制胰腺癌淋巴結轉移的發生，具有高效和低毒的特點。同時，使用聚乙二醇MWCNTs還能觸發細胞線粒體膜去極化，導致腫瘤細胞的凋亡[25]。Mahmood等[26]研究發現，SWCNTs能提高胰腺癌細胞對依托泊苷的吸收率，從而增強其殺傷癌細胞的能力。

此外，碳納米管提高藥物對癌細胞殺傷效率的同時，其產生的熱破壞效能可進一步對癌細胞進行破壞[27]。Mocan等[28]利用人血清白蛋白功能化的MWCNTs在體外注射入胰腺癌細胞后，除能引起胰腺癌組織廣泛壞死外，還能獲得選擇性光熱消融。體外實驗及動物實驗結果表明，碳納米管對癌細胞及正常細胞并不會造成明顯傷害；使用無線電波對碳納米管進行加熱，可獲得更高效的瘤體射頻消融效果[29]。

4 碳納米管的不足

碳納米管在合成過程中需要純化、表面存在缺陷，因此純碳納米管的合成較為復雜。自2004年成功地從石墨中剝離石墨烯以來，石墨烯和氧化石墨烯(GO)以其獨特的理化性質被廣泛應用于各領域。與碳納米管相比，GO細胞毒性較小。Yin等[30]利用多功能膜GO作為基因遞送系統，來高效載送HDAC1和K-ras基因的siRNA(分別靶向g12c HDAC1基因和K-ras基因突變)，靶向MIA PaCa-2胰腺癌細胞，結果表明：HDAC1和K-ras基因失活，導致細胞凋亡；而處理MIA PaCa-2細胞可導致細胞周期停滯，抑制體內腫瘤體積生長(>80%)。石墨烯在胰腺癌中的應用尚未見報道，其與碳納米管間的細胞毒性檢測比較尚有待進一步研究。

綜上所述，碳納米管作為一種新型分子載體，能夠高效地將藥物、造影劑及生物活性物質傳動到腫瘤細胞位置，同時能吸收特殊的射線或電波并轉化為熱量進一步破壞腫瘤細胞。然而，在進行人體試驗前，必須進一步開展動物實驗，確認納米材料的安全性和毒性。