鉍基納米材料在腫瘤診治和抗菌中的應用進展

李 軍，王 茜，繆煜清，李鈺皓，伏彩萍，崔靜濤

（1.湖南柿竹園有色金屬有限責任公司,郴州 423037；2.上海理工大學 材料與化學學院,上海 200093）

鉍（bismuth，Bi）作為一種金屬元素，原子序數是83，是元素周期表中的最后一個穩定元素。它和鉛一樣，屬于重金屬，但不一樣的是，它的單質和化合物常常低毒或無毒，這一特點使得Bi 成為公認的綠色金屬元素。鉍基納米材料主要是指材料組分中含有Bi 元素的納米材料。早在兩個世紀之前，Bi 的化合物已被用于治療胃腸道疾病和梅毒，作為一種口服藥物表現出了良好的治療效果和生物安全性[1]。如今隨著納米技術的飛速發展及其與生物工程等學科的廣泛交叉融合，鉍基納米材料因其低毒性、獨特的物理化學性質和易于表面化學修飾等特性，在生物醫學領域的應用也越來越廣泛，特別是在生物成像、癌癥治療以及抗菌等應用方面展現出了巨大潛力[2]。鉍基納米材料具有成本低、穩定性高、形狀和尺寸可控、抑菌性能好、較強的X 射線衰減系數和近紅外吸收能力強、獨特的光熱轉換效率、催化活性好、循環半衰期長等特點[3]，這些特性賦予了鉍基納米材料潛在的生物成像功能，包括計算機斷層掃描（computer tomography，CT）成像[4]、光聲（photoacoustic，PA）成像[5]，還使它具有腫瘤治療及抗菌的功能，包括光動力治療（photodynamic therapy，PDT）[6]，光熱治療（photothermal therapy，PTT）[7]以及放療增敏（radiotherapy，RT）[8]。圖1 為鉍基納米材料在腫瘤診治和抗菌中的應用。因此，腫瘤治療已經成為鉍基納米材料在現代醫學中的一個重大研究方向，并為未來的臨床應用開辟了新的機遇。本文重點介紹了鉍基納米材料在腫瘤診療中的研究進展，并對鉍基納米材料在生物醫學應用中的發展趨勢和挑戰進行了分析和展望。

圖1 鉍基納米材料在腫瘤診治和抗菌中的應用Fig.1 Application of bismuth-based nanomaterials in cancer theranostics and antibacterial

1 生物成像

1.1 CT 成像

生物成像在疾病治療中發揮著重要作用，通過生物成像可以準確診斷病變部位，使醫生和患者能夠更好地了解疾病、監測疾病和治療疾病，制定個體化治療方案，從而提高患者的生存率，降低治療成本。CT 成像是臨床上應用最廣泛的成像技術之一，它作為一種無創成像技術，可以對深部組織進行高分辨率成像，被認為是最受歡迎的成像方法之一。由于Bi 元素是高原子序數元素，與碘、釓、鐿、鉭、鎢等造影劑相比，Bi 具有更高的k 邊緣值（90.5 keV）和更大的X 射線衰減系數（5.74 cm-2/kg,100 keV），被認為是一種優良的造影劑[9]，因此鉍基納米材料在CT 成像中具有可觀的潛力。例如，Wang 等[4]報道了BiOI 量子點介導的CT 成像，并將BiOI 量子點與碘丙胺（一種臨床造影劑）進行比較，對腫瘤內注射和靜脈注射的體內成像能力進行了評估，已證明了腫瘤內注射的優勢。同樣，Zhen 等[10]也證明了 BiOI/BiOIO3優異的CT 成像性能。此外，由于一些患者對碘過敏，因此含碘分子作為造影劑有一些缺點。對此，Fang 等[11]報道了尺寸僅為5.5 nm 的Bi2S3納米顆粒作為一種潛在的造影劑，它可以克服傳統含碘分子作為造影劑的局限性，X 射線吸收系數測量結果表明，碘和Bi 在相同的摩爾濃度下，Bi2S3比現有的碘基造影劑的衰減要好得多，并且Bi2S3納米顆粒具有更好的生物相容性，這些研究進一步證實了含Bi 元素的納米材料具有更好的CT 成像特性。

1.2 PA 成像

除了CT 成像，鉍基納米材料用于PA 成像的研究也較多。PA 成像是一種利用光聲效應成像的新型診斷技術，當光照射具有高光熱轉換效率的材料時，會引起局部的光吸收并發生光熱轉換使使附近的組織發生熱彈性膨脹，從而產生超聲波，然后聲探測器接收聲波形成光聲圖像[12]。與其他成像方法相比，PA 成像能產生更高分辨率的活體圖像。一些鉍基納米材料例如Bi2S3、Bi2Se3、Bi2Te3等對近紅外光的吸收能力強，光熱轉換效率高，因此有望發揮其作為造影劑的優勢。Gao等[5]合成的Bi2S3-MoS2異質結可以吸收近紅外光并將其轉化為熱量，即使在低濃度（6.25 mmol/L）下也能觀察到光聲信號。Ma 等[13]合成的Bi2Te3-PEG 納米粒子在近紅外區具有較寬的吸收帶以及較高的光熱轉換效率（48.7%），在體內采用4T1 荷瘤小鼠對Bi2Te3-PEG 納米顆粒進行成像測試，808 nm 激光照射后，光聲信號強度增加了6.2 倍，結果表明，Bi2Te3-PEG 納米顆粒是高效的PA 成像顯像劑，這些成像實例為鉍基納米材料在腫瘤治療中的實際應用提供了依據。

1.3 多模態協同成像

隨著分子成像技術的快速發展，能夠同時實現多種成像要求的多功能造影劑受到了研究人員的高度關注。任何單一的成像方法都不足以獲得所有的相關信息從而全面防治腫瘤。例如，CT 成像具有高分辨率，但代謝較快。磁共振成像不受組織深度的限制，但存在靈敏度及分辨率低的缺點。熒光成像具有高分辨率，但由于光的快速衰減，難以獲得深部組織的定量信息。PA 成像穿透力較強，但軟組織成像效果較差，反映的功能信息較少。結合各種成像技術，相互彌補缺陷，發揮各自優勢，可以獲得更多有利于腫瘤治療的信息。不幸的是，鉍基納米材料僅具有固有的CT 成像和PA 成像的能力，因此需要對其進行修飾，實現多功能成像。

熒光成像因其操作簡單、安全、成本低、靈敏度高等優點，已成為一種流行的成像方法。二氫卟吩e6（chlorin e6，Ce6）以其獨特的明亮熒光和光敏劑特性成為生物成像領域的熱門材料。Sun 等[14]合成了介孔Bi2S3，阿霉素（doxorubicin，DOX）和Ce6 可以加載到高孔隙度結構中形成Bi2S3@PEG/DOX/Ce6。所獲得的材料不僅因Bi2S3具有CT 成像效果，而且因負載Ce6，具有顯著的熒光特性。對4T1 荷瘤小鼠靜脈注射該復合物 24 h 后，實體瘤區域可見強熒光信號，表明其在腫瘤特異性積累和滯留。將CT 和熒光成像結合的多模態成像為癌癥診斷提供了更精確的信息，從而更好地指導治療。

磁共振成像作為一種無創成像方法，因其具有良好的3D 軟組織對比效果而被廣泛應用于診斷成像[15]。通常，磁共振成像中的造影劑是順磁性材料，如鐵、錳和釓元素構成的材料。為了使鉍基納米材料具有磁共振成像性能，需要將其與順磁性材料結合，或通過離子摻雜實現磁共振成像造影。Cheng等[16]通過陽離子交換法制備了FeSe2/Bi2Se3-PEG納米片。并在4T1 腫瘤小鼠靜脈注射后進行磁共振、CT 和光聲三模式成像。磁共振成像結果顯示，注射24 h 后，腫瘤出現明顯的變暗效果；CT 成像結果顯示，注射后肝臟及腫瘤的HU 值明顯升高，與磁共振成像結果一致。PA 成像結果顯示，隨著時間的推移，腫瘤組織中的光聲信號逐漸增強。這種多模態成像實現了參數互補，提供了更全面的信息，使診斷結果更準確（見圖2）。

圖2 鉍基納米材料用于腫瘤診斷 [16]Fig.2 Bismuth-based nanomaterials for tumor diagnosis[16]

總之，通過對鉍基納米材料進行修飾，可以將鉍基納米材料固有的成像方式與其他成像方式相結合，提供更精準的癌癥診斷方式。

2 腫瘤治療

2.1 光動力治療

鉍基納米材料作為催化材料在解決當今社會環境污染方面起到重要作用。研究發現，鉍及其化合物在光催化等方面表現出較高的催化活性，使許多新的應用領域如污染物降解成為可能。當一束光照射到材料表面時，價帶電子會被激發，躍遷到導帶，并在價帶留下一個“空穴”，從而發生電子—空穴對的分離。遷移到材料表面的光生空穴能與水發生反應生成羥基自由基（·OH），而遷移到表面的光生電子能與溶液中的溶解氧發生反應生成超氧陰離子（·O2-），這些強氧化劑具有較高化學活性，可以有效降解有機污染物甚至破壞細胞、細菌等，因此這一概念被廣泛應用到抗腫瘤和抗菌領域，被稱之為光動力治療[17]。與常用的化療方法相比，光動力治療具有全身毒性低、細胞選擇性強等優點。在沒有光激活的情況下，鉍基納米材料的毒性較小，僅在光照射腫瘤組織時會釋放高毒性的活性氧，因此光動力治療是一種安全有效的方法。目前，已經開發出一些光敏藥物用于光動力治療。然而，由于光敏藥物在體內容易聚集等固有缺陷，導致活性氧產率顯著降低。因此，迫切需要開發裝載光敏劑的納米載體，將其輸送到靶組織。近年來，鉍基納米材料與光敏劑的結合在光動力治療領域受到了廣泛的關注。例如，Akbarzadeh 等[6]合成了5-ALA/Bi2O3-FA 納米顆粒，5-ALA 是一種光敏劑，該復合納米材料不僅具有良好的生物相容性，還能可向腫瘤細胞定向輸送5-2ALA。它發揮光敏藥物和鉍基半導體催化性能的協同作用，提高了活性氧生成效率。此外，由于鉍基納米材料電子遷移率低、空穴電子復合快，因此通常采用構建異質結和金屬摻雜等方法對其進行修飾，以提高光動力治療效率。Wang等[18]利用陽離子交換法制備了一種帶隙更窄（1.17 eV）的三明治狀Bi2Se3/MoSe2/Bi2Se3。這種Z 型異質結構由于光生電子和空穴對的有效分離比純Bi2S3納米顆粒更高，因此能產生更多的活性氧，從而促進腫瘤細胞死亡。

和抗腫瘤的原理相似，鉍基半導體的光動力治療也廣泛應用于抗菌領域。例如，Sun 等[19]通過簡單的超聲輔助方法合成了缺陷的BiOI 納米片，由于具有獨特的幾何效應，其對細菌細胞壁的主要成分脂多糖和氧氣的吸附能力更強，活性位點也更多。因此，氧氣到活性氧的轉化效率提高，抗菌性能更好。Ma 等[20]為了提高光催化性能，制備了鈷摻雜的具有花狀結構的Bi2O3。由于其電子和空穴的激發速率高于復合速率，光催化性能明顯提高，顯著增強對大腸桿菌的殺滅能力。該結果為提高新型鉍基材料光催化抗菌能力提供了啟示。此外，除了摻雜元素和構建異質結，還可以通過引入氧空位等手段調控鉍基納米催化劑活性氧產率，提高腫瘤治療和抗菌效果。

2.2 光熱治療

光熱治療是一種使用700～1 100 nm 范圍的近紅外光照射納米材料，光熱轉換后產生高強度熱量，從而誘導腫瘤細胞死亡及破壞細菌的治療方法。生物組織因富含的水分子、血紅蛋白等生物分子在近紅外光學窗口的吸收和散射都較小，使得近紅外光具有更大的穿透深度。因此，基于鉍基納米材料的近紅外光熱轉換試劑在腫瘤治療和抗菌領域引起了極大地興趣。根據已有的文獻報道，Bi 單質的光熱轉換效率是32.2%[7]，Bi2S3納米花的光熱轉換效率高達64.3%[21]，Cu3BiS3納米晶的光熱轉換效率為27.5%[22]等等。這些部分鉍基納米光熱轉換試劑在受到808 nm 激光照射時，能在腫瘤部位集中產生大量的熱量，在短時間內使腫瘤組織的溫度升高到42 ℃以上，誘導蛋白的不可逆變性，從而消融腫瘤細胞和組織，實現腫瘤的光熱治療。例如，Guo 等[23]通過牛血清白蛋白包覆BiOI@Bi2S3得到BiOI@Bi2S3@BSA，利用光熱治療手段在活體腫瘤模型上得到了較好的腫瘤治療效果。為了提高光熱轉換效率，基于Shockley-Read-Hall 復合理論，具有深層缺陷的納米材料可以通過光照射促進電子和空穴的非輻射復合產生聲子和熱，Cheng 等[24]合成了具有深能級缺陷的Bi2S3-Au 異質結，金原子與硫原子之間的強結合使得Bi2S3納米材料中的原子偏離了Bi2S3的晶格，這一過程有利于Bi 原子占據硫原子位置，產生更多的缺陷。此外，金可以促進光激發電子從Bi2S3轉移到金的費米能級，最終在缺陷上引入更多電子，提高缺陷密度，使光熱效率提高，從而誘導4T1 細胞發生嚴重凋亡。

此外，利用缺陷工程，Ma 等[25]還實現了高效光熱轉換，并最大限度地利用光能用于抗菌應用。他們設計了帶有氧缺陷的BiOI 納米片，然后和Bi 形成了異質結用作抗菌劑。特殊的氧空位和異質結結構促進了光生電子和空穴的分離，增強了活性氧的生成，同時擴大了光吸收范圍，提高了光的利用率。與單獨的BiOI 相比，Bi-BiOI 還具有出色的光熱轉換性能，金屬Bi 的局部表面等離子體共振促進了熱的產生。因此，通過合理的結構修飾，制備的Bi-BiOI 能同時實現光熱療和光動力治療，實現抗菌功能。

此外，光熱轉換性能和材料的形狀也有很大的關系，與零、一、二維材料相比，三維花狀結構的納米材料可觀察到光的多重反射，這一結構與中國折紙相似，光進行多重反射的面積隨著折疊花瓣結構的增多而增大，可以獲得高的光吸收率，提高光熱轉換效率。

2.3 放射治療

放射治療是癌癥治療中最常用的治療技術之一。它利用X 射線等電離輻射以極低的成本摧毀惡性腫瘤細胞。照射腫瘤組織后，X 射線會破壞分子中的化學鍵，直接損傷DNA 或蛋白質，或通過光電效應使腫瘤組織中的水分子和氧氣離子化，產生大量活性氧，間接損傷蛋白質和DNA，從而殺死腫瘤細胞[26]。由于光電效應與原子序數的四次方成正比，Bi 作為高原子序數元素的重金屬，具有較高的X 射線吸收率，能沉積更多的能量，并能有效降低輻射劑量。因此，鉍基納米材料被廣泛用作放療的敏化劑。如Du 等[7]利用一鍋法研制出HA-Bi2O3納米顆粒，由于HA-Bi2O3納米顆粒具有較強的吸收高能光子的能力和較高的二次電子生成能力，可以克服腫瘤細胞固有的輻射抗性，具有顯著的輻射敏化性能。因此，HA-Bi2O3作為放療增敏劑具有廣泛的應用前景。放療可以在保證患者局部組織器官完整的前提下起到抗癌作用。然而，由于輻射能量沉積不足，X 射線在破壞和殺傷腫瘤細胞的同時，也對周圍正常組織具有破壞性作用。新一代放射增敏劑不僅可以增強腫瘤的放射增敏性，還可以保護健康組織免受損傷。Du 等[27]報道了硒代半胱氨酸修飾Bi2Se3作為放射增敏劑，可同時增強放療療效，減少副作用。它在體內是可生物降解的，釋放的微量硒可以與蛋白質結合，催化電子轉移，從而增強免疫功能，減少輻射對正常組織的副作用。X 射線照射后血清超氧化物歧化酶活性和抗氧化能力下降，引發炎癥反應，免疫功能下降。然而，Bi2Se3的加入可以使其恢復正常，說明這種納米材料可以增強生物體的抗氧化能力、免疫功能，修復X 射線照射引起的骨髓DNA 損傷。這些獨特特性表明它是一種潛在的增敏劑，這促使研究者開發增敏劑進行進一步研究。

鉍基納米材料的放療增敏效果和其形貌有很大的關系，不同形貌的納米材料展現出的性能有顯著差別，產生的活性氧類別也不同，因此探究形貌對鉍基納米材料的放療功能的影響是有必要的，在未來需要開發者進行深入的對比研究。

2.4 多模態協同治療

每一種治療方法都有其缺點。例如，腫瘤部位的缺氧降低了對電離輻射的敏感性，導致放療效果降低。腫瘤細胞在長期接受化療藥物后出現耐藥性，導致化療效果降低。單次治療不能完全根除腫瘤或有效防止腫瘤轉移。因此，為了克服單一治療的缺點，研究人員提出將多種治療方法結合來治療腫瘤。同時，這種多模態協同治療在抗菌領域也被廣泛應用。協同治療不是簡單的聯合方法，而是兩種方法相互實現效果增強。因此，多模態協同治療受到越來越多的關注。

鉍基納米材料固有的光熱轉換和放射增敏能力對腫瘤的聯合治療具有典范作用。如果對其進行修飾使其具有多種治療方式有助于進一步放大對腫瘤的治療效果。例如，通過將Ce6 和DOX 共同加載到空心Bi2Se3中，形成一個納米系統，實現了光動力治療、光熱治療與化療的協同治療。首先，局部熱增加了腫瘤細胞對納米材料的攝??；隨后，化療誘導的腫瘤細胞DNA 損傷增加了光動力治療的療效。該納米系統在光照射下產生的活性氧與光熱效應在短時間內實現了較好的抗腫瘤效果[28]（見圖3A）。

此外，鉍基納米材料的協同治療也被應用于抑菌。例如，Qi 等[29]開發了一種釓摻雜Bi2S3和銅咪唑酸硼框架復合物，用于治療耐藥細菌感染和促進傷口愈合。在808 nm 激光照射下，納米材料的光熱轉換效率達到了52.6%。釋放的銅離子首先消耗谷胱甘肽，并進一步發生芬頓反應產生大量活性氧，破壞炎癥微環境中的氧化還原平衡。與單藥治療相比，光熱治療和化學動力學的協同作用不僅起到了有效的抑菌作用，而且促進了內皮細胞的血管生成和成纖維細胞的遷移，加速了傷口愈合。此外，Bi3+和Gd3+作為計算機斷層掃描和磁共振成像造影劑可以準確診斷細菌感染的膿腫，這種納米制劑實現了診斷和治療的相結合（見圖4）。

圖4 具有多種治療模式的鉍基納米材料用于抗菌治療的示意圖[29]Fig.4 Schematic diagram of bismuth-based nanomaterials with multiple treatment modes for antibacterial therapy[29]

3 結論

綜上所述，鉍基納米材料由于具有特殊的物理化學性質，所以在腫瘤診療和抗菌等生物領域有眾多應用。盡管在這些方面已經取得了重大進展，但僅處于研究階段，尚未實現臨床轉化。因此需要研究和解決仍存在的問題，以促進鉍基納米材料應用于臨床實踐。該類材料的研究可從一下幾方面展開，包括：（1）設計鉍基納米材料時需要考慮操作工藝的簡單性和可重復性，以及是否可以實現宏量制備。（2）研制生物安全性好的材料，確保材料不損傷正常組織，并能通過代謝排出體外。（3）設計功能性材料以提高治療效果，特別是免疫治療和基因治療。在鉍基納米材料應用于臨床之前，研究人員需要耐心地對其生物安全性進行全面和長期的監測。我們相信，未來鉍基納米材料將實現臨床轉型，從實驗室走向臨床和市場，在生物醫學領域發揮作用。