近紅外光學(xué)系統(tǒng)在循環(huán)腫瘤細(xì)胞檢測與腫瘤治療中的應(yīng)用

張燕珺，徐峰，鄭曉群

循環(huán)腫瘤細(xì)胞（circulating tumor cell，CTCs）是指從原發(fā)或轉(zhuǎn)移的實(shí)體腫瘤上脫落后，存在于人體外周血中腫瘤細(xì)胞的總稱[1]。CTCs 作為臨床上腫瘤潛在診斷生物標(biāo)志物，對其所攜帶的分子生物學(xué)信息性質(zhì)和數(shù)量的檢測對腫瘤治療、療效評價(jià)、預(yù)后評估和復(fù)發(fā)監(jiān)測具有重要意義[2]。目前，CTCs 分離方法主要分為物理篩分和生物親和兩類[3-4]，且聚焦于微流控技術(shù)[5]、納米技術(shù)[6-7]和免疫磁分離[8]等方向。但是，外周血中CTCs 含量極少且具異質(zhì)性，在轉(zhuǎn)移過程中易發(fā)生間充質(zhì)轉(zhuǎn)化[9]，故對CTCs進(jìn)行高活性、高純度和高靈敏度的分離檢測是當(dāng)前臨床腫瘤診斷技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一[10]。近紅外光（near infrared，NIR）是介于可見光和中紅外光之間的電磁波，波長范圍為700 ～2 500 nm，具有高分辨率、高穿透性、高生物安全性等特點(diǎn)。近年來，以NIR 為基礎(chǔ)的光聲成像與治療技術(shù)在腫瘤診療領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景[11]。相對于其他的CTCs 分離方法，NIR 對細(xì)胞活力和功能的損傷更小，不會(huì)影響后續(xù)的單細(xì)胞基因分析。此外，相比于常規(guī)治療（如化療和放療），NIR 介導(dǎo)的光學(xué)治療方法，可以增強(qiáng)靶向消除腫瘤的效率和特異性，干預(yù)腫瘤轉(zhuǎn)移，減少治療過程中的不良反應(yīng)。本文就NIR 系統(tǒng)在CTCs 的檢測成像、分離以及治療等方面的應(yīng)用作一綜述，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 NIR 系統(tǒng)在CTCs 檢測成像中的應(yīng)用

與傳統(tǒng)的放射成像技術(shù)相比，熒光成像技術(shù)在生物安全性和檢測分辨率方面的性能更佳，而其中的近紅外熒光成像技術(shù)更是為非侵入性成像技術(shù)提供NIR 系統(tǒng)理想的平臺(tái)[12]，如NIR 七甲川花菁染料IR783、MHI-148 以及IR780 等可以特異性地積聚在腫瘤細(xì)胞的線粒體上，展現(xiàn)NIR 系統(tǒng)優(yōu)異的腫瘤靶向成像能力[13-14]。Yuan 等[15]將IR783 應(yīng)用于人血液樣本中的CTCs 成像，利用流式和激光共聚焦技術(shù)發(fā)現(xiàn)在人血液樣本中最低檢測濃度為10 CTCs/ml，證實(shí)其在NIR 系統(tǒng)用于CTCs 檢測的可行性。Schikora 等[16]利用NIR 光敏劑吲哚菁綠（ICG）可在腫瘤細(xì)胞中積累的特點(diǎn)，將其用于乳腺癌循環(huán)腫瘤細(xì)胞簇的檢測和成像。當(dāng)ICG 孵育后的腫瘤細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞簇通過光場時(shí)，光譜儀可以檢測到830 nm處的熒光和磷光信號(hào)，從而對CTCs 進(jìn)行定量分析。該NIR 光敏檢測系統(tǒng)檢測時(shí)長短（45 min），對CTCs的敏感性約為98%。Xia 等[17]針對腫瘤細(xì)胞過表達(dá)的氨基肽酶N（APN）設(shè)計(jì)了一種NIR 系統(tǒng)，一種小分子NIR 染料MLP，并將該染料與納米磁珠、抗上皮細(xì)胞黏附分子（anti-EpCAM）抗體結(jié)合，制備雙靶向熒光納米磁珠用于CTCs 的檢測。MLP 可以特異性結(jié)合癌細(xì)胞的APN，在488 nm 波長光激發(fā)下發(fā)出明亮的紅色熒光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)CTCs 熒光成像。相同條件下，MLP 和anti-EpCAM 雙靶點(diǎn)識(shí)別提高納米磁珠的捕獲效率（＞85%），比單獨(dú)MLP 磁珠和anti-EpCAM 磁珠高35.5%和25.5%，能夠避免單一靶向的假陽性信號(hào)干擾。此外，該磁珠具有良好的生物安全性，捕獲后細(xì)胞活力＞90%。

利用NIR系統(tǒng)高分辨率、高穿透性、高信噪比的特點(diǎn)可增強(qiáng)CTCs 檢測的特異性和靈敏度，實(shí)現(xiàn)對腫瘤治療效果評估及腫瘤轉(zhuǎn)移進(jìn)程監(jiān)測。另一方面，由于NIR 高生物安全性，在CTCs 檢測過程中不會(huì)對細(xì)胞造成損傷，從而避免影響CTCs 后續(xù)的生物學(xué)功能分析。

2 NIR 系統(tǒng)在CTCs 分離中的應(yīng)用

除在熒光成像方面的應(yīng)用，NIR 系統(tǒng)還被廣泛應(yīng)用于CTCs 捕獲后的光控釋放，其基本原理是通過NIR照射，使化學(xué)基團(tuán)發(fā)生斷裂或結(jié)構(gòu)改變，或者是利用NIR 光熱效應(yīng)使溫度敏感的水凝膠溶解，從而實(shí)現(xiàn)CTCs 高效釋放。

Lv 等[18]以7-氨基香豆素作為光觸發(fā)器，在其兩端分別連接抗EpCAM 抗體和磁珠，設(shè)計(jì)一種光響應(yīng)免疫磁珠用于CTCs 捕獲和釋放：在NIR 光照下，香豆素部分的C-O 鍵斷裂，破壞近紅外光學(xué)系統(tǒng)抗體與免疫磁珠的連接，從而釋放CTCs。該體系可在1 ml 人血樣本中特異性識(shí)別102個(gè)CTCs，捕獲效率為90%，純度為85%，且在NIR 光照射下，CTCs 釋放效率為52%，存活率為97%。此外，結(jié)合金納米氧化物（GNRs）和熱響應(yīng)水凝膠，設(shè)計(jì)多功能NIR響應(yīng)平臺(tái)用于CTCs 的特異性識(shí)別和光熱分離[19]。從患者血液中捕獲CTCs 后，熱響應(yīng)水凝膠可在生理溫度下（37 ℃）迅速溶解，實(shí)現(xiàn)CTCs 的高活力釋放。大批量釋放時(shí)，可以將捕獲后的GNRs 凝膠置于細(xì)胞培養(yǎng)箱下5 min，（95±4）%MCF-7 被釋放，存活率為95%。此外GNRs 具有出色的NIR 光熱效應(yīng)，通過將NIR 激光光斑調(diào)節(jié)成細(xì)胞大小，照射GNRs 產(chǎn)生的熱量使水凝膠溶解，從而在20 s 內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)單個(gè)細(xì)胞的選擇性釋放，釋放后的存活率為90%，有助于隨后在單細(xì)胞水平上對CTCs 進(jìn)行測序分析。Wang 等[20]設(shè)計(jì)了一個(gè)NIR 開關(guān)生物平臺(tái)，用于CTCs 的高效分離和下游分析。該平臺(tái)將MUC1 適配體作為特定識(shí)別元件，通過偶聯(lián)反應(yīng)與水凝膠-二硫化鉬納米材料（PEG-MoS2NFs）連接，用于CTCs的特異性捕獲。最后利用MoS2NFs 作為光控元件，在808 nm NIR 照射下熱溶解水凝膠，釋放捕獲的CTCs。該平臺(tái)捕獲和釋放CTCs的效率分別為89.5%、92.5%，最低檢測限為15 CTCs/ml。

與傳統(tǒng)的免疫磁分離系統(tǒng)相比，NIR 光控釋放可以有效降低蛋白酶水解釋放CTCs 對細(xì)胞表面蛋白的影響，還可以避免紫外光照射引起的細(xì)胞功能損傷和基因突變，從而更有利于CTCs 信息的獲取。此外，通過調(diào)節(jié)NIR照射光斑大小，還可以實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞特定釋放，為單細(xì)胞分析提供有力工具。

3 NIR 系統(tǒng)在腫瘤治療中的應(yīng)用

NIR優(yōu)異的組織穿透能力和生物相容性使其不僅在熒光檢測與成像中重要作用，在光驅(qū)動(dòng)的腫瘤治療中也展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。NIR 動(dòng)力療法（NIR-PDT）主要依靠NIR照射來激活腫瘤組織中的光敏劑，產(chǎn)生具有生物學(xué)毒性的單線態(tài)氧、超氧自由基等活性氧物質(zhì)來殺傷腫瘤細(xì)胞[21]，如具有近紅外吸收的金屬納米顆粒[22]、基于氟硼吡咯或七甲川菁染料的小分子光敏劑[23-24]和上轉(zhuǎn)化納米材料[25]等。而NIR 熱療法（NIR-PTT）是利用光敏劑的光熱轉(zhuǎn)化性能，將NIR能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃縼泶龠M(jìn)腫瘤細(xì)胞死亡[15]，如結(jié)合靶向抗體的金納米棒[26]、黑磷納米材料[27]等。在此基礎(chǔ)上，研究人員還開發(fā)了NIR免疫療法（NIRPIT），將光療和免疫療法結(jié)合，通過腫瘤靶向免疫抗體或配體與光敏劑或/和藥物偶聯(lián)，選擇性地殺死腫瘤細(xì)胞，并誘導(dǎo)治療宿主免疫反應(yīng)[28]，最終通過免疫治療方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端腫瘤的治療。

Atchison等[29]制備NIR系統(tǒng)兩個(gè)IR-783 的碘酸衍生物，通過近紅外激活PDT 來治療胰腺癌。他們在近紅外染料ICG的基本結(jié)構(gòu)骨架中添加碘原子以提高單線態(tài)氧的生成效率，增加光敏劑對胰腺癌細(xì)胞的細(xì)胞毒性。Zhou 等[30]針對腫瘤細(xì)胞上的特異性標(biāo)志物氨基肽酶N（APN），合成NIR 光敏劑APNCyl，實(shí)現(xiàn)NIR 系統(tǒng)腫瘤成像和光動(dòng)力治療的整合。該探針可以被腫瘤細(xì)胞上的APN識(shí)別并激活，然后水解為具有NIR 性能的半菁熒光團(tuán)CyI-OH。CyIOH可以特異性地結(jié)合到細(xì)胞內(nèi)的線粒體上，在717 nm 處有明顯的熒光發(fā)射，經(jīng)660 nm NIR 照射10 min，CyI-OH 顯示出高單線態(tài)氧產(chǎn)量，可有效誘導(dǎo)80%癌細(xì)胞死亡。同年，Wang 等[31]開發(fā)一種功能化的靜脈導(dǎo)管形式的NIR 系統(tǒng)，用于CTCs 體內(nèi)富集和光熱微創(chuàng)治療：導(dǎo)管表面用anti-EpCAM 抗體修飾，用于特異性捕獲體內(nèi)CTCs；導(dǎo)管內(nèi)部填充消光系數(shù)大、光熱轉(zhuǎn)換效率高的黑磷納米材料（BPNSs），BPNSs 介導(dǎo)的光熱效應(yīng)可有效殺死CTCs；5 min 內(nèi)對CTCs 的捕獲效率為2.1%，殺傷效率為100%。Yamaguchi 等[32]將NIR 光敏劑IR700 分別與人表皮生長因子受體2（HER2）親和體以及曲妥珠單抗偶聯(lián)（HER2 親和體-IR700 和曲妥珠單抗-IR700），通過針對HER2 蛋白的不同表位靶向治療HER2 陽性乳腺癌。在NIR 照射下，HER2 親和體-IR700 誘導(dǎo)靶細(xì)胞膜腫脹、起泡和破裂，造成免疫原性細(xì)胞死亡；同時(shí)，曲妥珠單抗刺激免疫細(xì)胞去摧毀腫瘤細(xì)胞。以上兩種IR-700 偶聯(lián)物聯(lián)合誘導(dǎo)CTCs 壞死，通過NIR-PIT增強(qiáng)對HER2 陽性癌細(xì)胞殺傷作用。

傳統(tǒng)的腫瘤治療方法如放療、化療等都有極大的不良反應(yīng)，會(huì)對患者的身體造成嚴(yán)重負(fù)擔(dān)。而NIR驅(qū)動(dòng)的腫瘤治療方法可以特異性地靶向殺傷目標(biāo)癌細(xì)胞，在提高治愈率和存活率的同時(shí)，不良反應(yīng)也較小，具有良好的臨床應(yīng)用潛力。

4 總結(jié)與展望

目前CTCs 的檢測技術(shù)大多仍局限于實(shí)驗(yàn)室研究，因此亟需發(fā)展新的診斷技術(shù)以提高腫瘤檢測分析的準(zhǔn)確性和靈敏度。NIR 系統(tǒng)因其優(yōu)異的組織穿透能力、高生物安全性和高靈敏度等特性，在腫瘤精準(zhǔn)診療領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。此外，NIR-PDT、NIRPTT、NIR-PIT等作為新型腫瘤治療手段，具有微創(chuàng)、靶向可控、無耐藥性等特點(diǎn)，能夠與化療、放療等傳統(tǒng)治療手段優(yōu)勢互補(bǔ)，為腫瘤治療提供新思路。通過NIR 系統(tǒng)可以將腫瘤診斷、成像以及治療整合到一起，為實(shí)現(xiàn)臨床腫瘤診療一體化提供新的可能性。

利益沖突 所有作者聲明無利益沖突