利用纳米结构中的光能转化用于靶向诊断和治疗应用

《Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology》：Utilizing light energy transformation in nanostructures for targeted diagnostic and therapeutic applications

　　

摘要

诊疗一体化（Theranostics），即治疗与诊断的结合，代表精准医学范式的一次变革，它能够在实时监测疾病的同时实施靶向治疗。纳米材料是基于光能转化的治疗与诊断成像的前沿技术，其以光作为驱动力，具有卓越的时空精度。本综述重点介绍了此类纳米材料在将光转化为需求响应方面的最新进展，相关机制包括：光致发光（PL）、用于光热治疗（PTT）的光热转化、光声成像（PAI）、光电效应、基于SERS的检测以及光动力治疗（PDT）。这些光激活系统是多用途平台，可用于治疗关节炎、癌症、神经退行性疾病和视网膜退行性疾病等多种疾病。通过将多种治疗与诊断模式集成到单一纳米级系统中，光活性纳米材料有望以最少的副作用实现增强的治疗效果。然而，目前进展仍受到组织穿透深度最大化、生物相容性以及生理环境下激活等挑战的阻碍。尽管如此，基于光的科学与技术纳米技术的协同正在推动下一代精准诊疗一体化和个性化医学动态工具的发展。为使这些智能纳米平台在实际医疗应用中充分发挥潜力，仍需要更多跨学科研究和临床转化。

引言

癌症是对人类健康的严重威胁，长期以来一直是全球主要的死因之一。尽管传统治疗手段如放射治疗、化疗和手术在控制疾病方面取得了一定成功，但同时也伴随着严重的不良反应。化疗作为历史上药物治疗的主要手段，靶向快速分裂的细胞，遗憾的是，它无法区分健康细胞和癌细胞，导致严重副作用[1]。然而，过去20年来癌症治疗领域发生了重大变革。靶向疗法的发展带来了新的希望——这些药物能够特异性地靶向癌细胞，同时避免伤害健康细胞。2001年FDA批准伊马替尼（首个小分子酪氨酸激酶抑制剂）标志着这一转变的开始[2]。此后，获准上市的靶向疗法数量稳步增长。尽管取得了这些进展，癌症仍然是重大障碍。每年报告超过1400万新发病例和800万死亡病例，该疾病因其复杂性和多变性而难以完全控制。因此，仍然迫切需要开发更智能、更高效的癌症检测和治疗方法。精准诊疗一体化——一种将诊断和治疗整合为单一智能解决方案的个性化医疗方法——变得越来越迫切[3]。通过识别体内的特定生物标志物，它帮助医疗专业人员更精确地诊断疾病，并为每位患者提供个性化治疗，确保在正确的时间对正确的人给予正确的治疗。这在癌症治疗中特别具有前景，因为它可以提高治疗效果，同时减少健康细胞的损伤。纳米材料驱动的光能转化正在成为精准诊疗一体化方法中一种多用途平台[4],[5]。

纳米医学中许多新的治疗策略都基于能量守恒定律，即能量只能被转化而不能被创造或毁灭[6]。研究人员在细胞和分子层面捕获和转化各种能量形式，包括光、热、电、声和化学能，从而开发出新颖且高度精准的医学治疗方法[7]。这些精准的能转化，尤其是用于癌症等疾病的治疗，依赖于复杂的纳米材料和智能递送系统[8],[9]。在这一领域，一个重大挑战是在疾病位点实现精准治疗的同时保持健康组织。因此，"能量转化纳米医学"应运而生，即治疗剂在体内通过外部触发（如光、辐射、超声波、微波、磁场、电场或高效射频）进行激活[10]。随后，这些药物通过产热、活性氧（ROS）或其他效应（如有控制地释放化疗药物）导致癌细胞通过坏死或凋亡等方式死亡。这些方法能够提供精确的肿瘤靶向，不会危及邻近的健康区域，具有微创性和深层组织穿透能力[11]。此外，特定外部刺激可以调控肿瘤部位的药物释放，提高化疗疗效，同时降低全身毒性。总之，能量转化纳米医学在增强治疗效果和减少传统疗法（如化疗和手术）常见不良反应方面具有巨大潜力。

基于光能转化的纳米材料是非常灵活的器械，它们利用特殊的物理光化学过程将吸收的光转化为各种能量形式。这些转化使得众多生物医学应用成为可能，尤其是在生物传感、成像和诊疗一体化领域[5]。例如，光致发光在光子吸收后以新波长发射光线，使生物事件可视化成为可能。光热效应通过等离子体或无辐射过程将光转化为热，这是光热治疗和热触发药物递送等治疗的基础。光电效应产生的载流子形成光电流，有利于细胞刺激和生物传感。金属纳米结构中的光激活等离子体驱动表面增强拉曼散射（SERS），显著增强局部电磁场，使分子检测极其灵敏[12]。类似地，光声效应由光诱导热膨胀和声波产生所致，支持高分辨率深层组织成像。光动力效应是另一个重要机制，即在光动力治疗中，光激活物质产生活性氧以破坏病变细胞[13]。这些多样的光触发布效具有显著的医学应用价值，可以单独或联合使用。临床医生可以通过光激活精确控制治疗的位点和时机，减少对健康组织的损伤，实现非侵入性、高度靶向的治疗。光响应纳米材料还提供了一种简化和多功能的疾病管理方法，能够将多种功能——诊断、成像和治疗——集成到单一平台中[14]。为了确保纳米材料精确到达疾病位点，靶向可以通过被动或主动方式进行调整。荧光、拉曼散射或光声成像等成像方法实现了实时监测，生物相容性涂层表面修饰增强了体内稳定性和循环性。具有以极高灵敏度识别生物标志物能力的诊断功能由光触发布效实现。然后，治疗行为如基于ROS的细胞死亡和光热消融直接作用于病变组织[15]。基于光能转化的平台将这些能力整合到单一系统中，提高治疗效果和精度，同时简化诊断和治疗流程，实现更高效和个性化的患者护理[16]。本综述重点介绍了成像、治疗和诊断方面的光能转化纳米材料最新进展。除了根据转化类型对纳米材料进行分类外，还讨论了重要的光驱动机制，如光致发光、光热、光电、光声、SERS和光动力效应。综述还探讨了这些技术在癌症、神经退行性疾病、视网膜疾病和关节炎等精准诊疗一体化中的应用。与之前以材料为重点的综述不同，本工作专注于基本机制及其广泛的生物医学应用，提供了对当前临床进展、挑战和未来方向的见解。

虽然近期的其他综述主要将光热和光动力纳米材料按光能转化机制或治疗应用分为若干类别，但本综述通过整合纳米结构设计、光能转化、物理光化学机制、生物反应和诊疗功能，提供了更多见解。我们深入探讨了这些相互关联的性质如何转化为癌症、类风湿关节炎、神经退行性疾病和视网膜退行性疾病背景下的药物递送、靶向、成像和治疗效果应用。通过桥接基础物理光化学过程与其在多种疾病中的应用，本综述阐述了设计和工程策略，讨论了当前局限性和转化障碍，并确定了在光响应纳米诊疗系统中实现多功能性的机遇。

章节摘要

纳米技术在光能转化中的作用

纳米医学正在改变我们发现和治疗癌症的方式，提供了智能、靶向的选择[17]。其最突出的特点之一是能够精确地将药物直接递送到肿瘤部位，全球各地的研究人员现在正在努力实现单一纳米设备既能早期发现癌症又能安全进行治疗的目标。这些一体化系统旨在提高治疗效果、减少副作用、改善患者预后并降低医疗成本。这些

基于光的治疗策略用于关节炎

类风湿关节炎（RA）是一种自身免疫性疾病，患者的免疫系统错误地攻击关节衬里，这种炎症最终可能导致永久性损伤和残疾。除了关节外，它还可能攻击心脏、肺部和眼睛等器官。RA影响全球约每200名成年人中的1名，主要影响女性（比男性多2-3倍），可在任何年龄发病，但高峰期通常在50至59岁之间[53]

基于光的治疗策略用于神经退行性疾病

神经退行性疾病（NDD）是影响中枢神经系统的一组多样化疾病，包括大脑、视网膜和脊髓，可在整个生命周期中表现。从早期发病的疾病如先天性脑白质营养不良到与年龄相关的疾病如阿尔茨海默病、帕金森病和其他痴呆症，这些疾病随着人口老龄化日益普遍[71]。这些疾病的特点是进行性神经元……

放射能量治疗癌症

癌症死亡仍然是当今世界最大的死因之一，这在很大程度上归因于相当比例的肿瘤对标准治疗产生了耐药性。尽管化疗、放疗、免疫治疗和靶向治疗取得了进展，但超过半数的癌症死亡归因于治疗耐药性的发展。一般来说，癌症耐药性分为内在耐药和获得性耐药[77]。内在耐药发生在肿瘤本身对特定……时

用于视网膜退化的光激活纳米平台

视网膜是一种复杂的多层组织，是中枢神经系统的直接延伸，以光感受器作为主要感觉神经元来介导视觉。由于光转导、外节更新和膜电位维持的需求，这些细胞的代谢率极高，导致大量ROS产生。氧化应激是由ROS产生与内源性抗氧化防御之间的不平衡所致，促进了……的进展

光疗面临的挑战和作者观点

光治疗药物是光疗中的关键组成部分，包括用于PDT的光敏剂（PS）和用于PTT的光热剂。早期光敏剂受到严重限制，主要原因是短波长激活导致组织穿透力低、摩尔吸收率低下需要高剂量、肿瘤积累差、溶解度低导致聚集以及过度滞留引起光毒性。第二代光敏剂（卟啉和非卟啉类化合物）通过功能化修饰……

结论

多功能纳米颗粒正在被越来越多地开发，以提高光疗的精度和治疗多功能性，通过可调光吸收、深层组织穿透以及同时递送不同类型治疗药物来实现。这些进展拓宽了应用范围，从肿瘤学延伸到骨关节炎、神经退行性疾病和视网膜退行性疾病（尽管仍需进一步优化）。利用纳米颗粒的光疗是一种独特策略，它……

CRediT作者贡献声明

Koyeli Girigoswami：调查、形式化分析、数据整理、撰写初稿。Agnishwar Girigoswami：验证、项目管理、方法学、形式化分析、数据整理、概念化、审稿与编辑。

资金支持

在撰写本文期间未获得任何资金支持。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢CARE提供的设施支持。

Koyeli Girigoswami | Agnishwar Girigoswami

医学生物纳米技术实验室，产科学与妇科学系，塞维萨医学学院，塞维萨医学与技术科学研究所，印度钦奈檀达兰602105