光動力療法治療神經膠質瘤的研究進展*

楊田田,常 婧,胡美純

(1.湖北科技學院醫學部藥學院,湖北 咸寧 437100;2.湖北科技學院醫學部基礎醫學院)

神經膠質瘤因其惡性程度高,并且無法治愈的特點使其已成為全世界癌癥死亡的主要原因之一[1]。神經膠質瘤患者平均生存期不超過1.5年[2]。目前主要的神經膠質瘤治療方案有手術切除、化療和放療等。由于手術切除不完全,長期使用替莫唑胺(temozolomide,TMZ)存在發生耐藥及放療毒性的局限性[3]。因此,針對神經膠質瘤急需尋找新的治療方案。已有臨床研究表明[3],光動力療法(photodynamic therapy,PDT)可以延長癌癥患者的生存期,提高病人的生活質量,已成為前景廣闊的腫瘤治療最新候選方案之一。本文將從PDT單獨治療、PDT聯合化療藥物、PDT聯合手術、PDT聯合其他治療方法這幾方面來綜述PDT治療神經膠質瘤的研究進展。

1 光動力療法概述

PDT由光敏劑(photosensitizers,PS)、光和氧三種基本成分組成。這些物質單獨存在時沒有毒性,但它們同時存在會引發光化學反應,以特定波長的光源激發光敏劑,隨后迅速與周圍的氧發生作用,產生可以攻擊靶細胞或組織等生物大分子的活性氧(reactive oxygen species,ROS),后者可迅速引起細胞毒性來促進細胞凋亡,從而達到治療目的[4]。所以PDT的關鍵在于光敏劑、光源和氧的協同作用。對于光動力治療,第一個不可缺少的因素是PS。PS是一種積聚在腫瘤組織中并選擇性地使其對光敏感的物質,單一的純化合物,成本低、穩定性好,600～800nm的高吸收峰(紅色到深紅色)是理想的光敏劑。第一代PS是一種血卟啉衍生物(hematoporphyrin derivatives,HPD),其純化形式為Photofrin,它應用最為廣泛。第二代PS是5-氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinic acid,5-ALA)、硼酸原卟啉(boric acid protoporphyrin,BOPP)。其中5-ALA可以口服或靜脈注射,5-ALA需要轉化為原卟啉才能有活性,它暗毒性低,并且從正常組織中清除速度快,從而減少光毒性副作用。第三代PS是光敏劑可以共價結合到幾種對腫瘤具有親和力的生物分子上,這些生物分子包括抗體、蛋白質、碳水化合物或其他物質,光敏劑也可以封裝在載體中,如金納米顆粒、二氧化硅納米顆粒、量子點、碳納米管或其他載體,以引導光敏劑進入腫瘤。光動力治療的另一個因素是應有相應波長的光源,通過光源可加強積累在腫瘤區域的PS。紅光和紅外輻射穿透率最高,藍光穿透組織率較低,也可以應用激光和白熾光源。PS的吸收程度和疾病的特征都與選擇的光源相關。光的劑量、暴露時間和光傳遞模式等決定了PDT的臨床療效。光動力治療最后一個必要的刺激是分布在整個組織中的氧氣,在PDT過程中氧對ROS的產生至關重要。PDT主要通過直接殺傷腫瘤細胞、誘導血管微循環損傷、刺激炎癥反應激活抗腫瘤免疫系統等機制抑制腫瘤,見圖1。

圖1 PDT治療神經膠質瘤的簡要機制圖

2 光動力單獨療法治療神經膠質瘤

Jiang等[5]通過MTT法和克隆實驗測定Photofrin對神經膠質瘤細胞的毒性,在定性球體對抗試驗中,腫瘤球體和腦聚集物之間共培養的亞細胞毒性,PDT沒有進行性腫瘤侵襲和腦聚集物的破壞。通過基質人工基底膜遷移實驗,細胞毒性研究結果表明Photofrin介導PDT對神經膠質瘤細胞具有劑量依賴的抗腫瘤和抗侵襲特性。當神經膠質瘤細胞被高劑量PDT處理時,部分細胞被殺死,抑制了細胞侵襲。然而,當細胞被低劑量PDT處理時即使不能達到顯著的細胞毒性,仍然可以顯著抑制腫瘤細胞的侵襲。因此,高劑量PDT具有細胞毒性可以抑制腫瘤,而低劑量PDT可以特異性地減少腫瘤侵襲。但此項研究尚缺乏體內實驗進一步驗證。

5-ALA與第一代光敏劑不同,它需要轉換成血紅素合成過程中的產物原卟啉,才能發揮光敏劑的作用,它在體內代謝快,副作用很小。5-ALA低濃度時,原卟啉的含量隨著5-ALA的濃度增高而增高;但在高濃度范圍內,原卟啉出現了飽和現象,所以PDT用低濃度的5-ALA更有效。研究表明神經膠質瘤U251細胞隨著激光劑量的增加而不斷凋亡。換言之,隨著激光劑量不斷增加,吸收的光敏劑越多,殺死的腫瘤細胞越多[6]。美國食品藥品監督管理局已經批準5-ALA用于PDT治療癌癥和惡性疾病[7]。

3 光動力聯合化療藥物治療神經膠質瘤

3.1 光動力聯合替莫唑胺

治療神經膠質瘤最常見的化療藥物是TMZ。目前臨床上神經膠質瘤對TMZ敏感性降低的問題仍然很棘手,有待解決[8]。細胞增殖周期分別為G1、S、G2、M期,其中腫瘤耐藥基因多發生在G1期向S期轉換過程中。有研究[9]結果表明光照射腫瘤細胞后會出現細胞核畸形、多核巨細胞、畸變的染色體等現象。TMZ和PDT聯合使用可以抑制腫瘤細胞增殖,防止耐藥基因由G1期向S期轉化,從而降低其耐藥性。PDT提高了胞內的血藥濃度,增強殺傷能力,進而降低耐藥性是因為破壞了腫瘤細胞膜上的蛋白,改變血腦屏障的通透性,拮抗藥物排出胞外的能力,使藥物更容易進入胞內。長期隨訪PDT聯合TMZ治療神經膠質瘤的患者,通過評估分析患者的臨床癥狀、預后及影像學指標等,表明患者術后臨床癥狀改善,沒有發生不良反應,治療效果明顯好轉[11]。

聯合治療的基本原理是通過靶向和TMZ不同藥理機制的其他關鍵分子或通路,從而增加TMZ的療效,降低神經膠質瘤細胞多重耐藥性(multi-drug resistance,MDR)的發生[12]。侯魁元等[13]發現PDT增強了TMZ對U251細胞的增殖抑制及細胞的局部侵襲,還發現PDT不僅增加了U251細胞對TMZ的敏感性,還增加了其細胞毒作用。眾所周知,PDT主要產生ROS,它可以破壞線粒體膜,誘導線粒體氧化應激,從而啟動線粒體途徑的Bax/細胞色素C/caspase-3經典細胞凋亡途徑。線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential,MMP)是線粒體膜兩側離子濃度差異所產生的跨膜電位差,它反映了線粒體功能狀態。ROS與MMP呈負相關?？傊?PDT作用下,TMZ增加了神經膠質瘤細胞內ROS,降低MMP水平;PDT也增強了神經膠質瘤細胞對TMZ的敏感性,延緩了MDR的發生。這為臨床應用奠定了基礎。

3.2 光動力聯合布美他尼

由于外科手術治療神經膠質瘤術后出現了瘤周水腫。NKCC-1是中樞神經系統最主要的Na-K-CL共轉運蛋白,參與多種細胞功能的調節,然而NKCC-1過度激活可能導致生理功能的紊亂及細胞腫脹。研究人員[14]猜想NKCC-1可能參與PDT誘導的瘤周水腫過程,所以采用了NKCC-1抑制劑布美他尼,檢測其能否減輕PDT誘導的瘤周水腫。在建立的大鼠神經膠質瘤模型中,將荷瘤成功的大鼠隨機分為空白對照組、PDT組、布美他尼組、聯合治療組,觀察大鼠生存期和腫瘤的重量、體積以及通過干濕重法測定腦組織瘤周水含量。Western blot實驗和免疫組化染色表明PDT組NKCC-1表達明顯增強,聯合組NKCC-1表達明顯減弱。聯合治療組的血腦屏障大量開放,裂隙增寬,聯合治療抑制了NKCC-1過表達,減輕了腫瘤周圍水腫;同時也發現布美他尼能通過抑制神經膠質瘤細胞DNA的合成來抑制腫瘤生長。因此,布美他尼與PDT聯合治療不僅增強了PDT抗腫瘤作用,而且減輕了瘤周水腫。

4 光動力治療及熒光引導手術

有研究[15]表明應用0.5mmol/L 5-ALA的濃度對培養的U251細胞進行PDT,明顯降低了腫瘤細胞的侵襲性,通過電鏡觀察到細胞結構發生明顯破壞,如膜狀偽足、絲狀偽足和微絨毛等。Li等[16]應用HPD介導PDT聯合手術治療惡性腦腫瘤,手術前24h避光注入5.0mg/kg的光敏劑,設置PDT治療儀輸出功率為500mW、總能量240J/cm2、波長628nm,治療效果明顯,減輕了腦水腫,控制了顱內壓,延長了腫瘤復發時間。在5-ALA應用于熒光引導的神經膠質瘤切除手術中,5-ALA增加了對高級別神經膠質瘤的辨識度,有利于完整切除腫瘤,從而有助于改善患者的預后。

王宏偉等[17]研究發現,在減緩出現新的神經功能缺失、改善患者生活質量等方面,神經導航顯微手術與PDT聯合治療功能區腦膠質瘤具有一定的優勢,可使殘余腫瘤體積縮小,減少神經功能缺失,從而有效抑制腫瘤生長。根據診斷收集65例患者臨床資料,其中治療組40例,對照組25例。結果顯示,治療組8周出現新的神經功能缺失率為2.5%,有31例水腫帶減輕,8例殘留腫瘤明顯縮小;對照組出現新的神經功能缺失率為8.0%,15例水腫帶減輕,4例術后殘留腫瘤沒有明顯變化。PDT主要是通過在術中對腫瘤殘腔或少量殘留腫瘤細胞進行治療,提前靜脈注射光敏劑可以選擇性地匯集在腫瘤細胞中,在有氧條件下,給予特定波長的光束照射腫瘤細胞內的光敏劑,使其產生單線氧和自由基殺傷腫瘤細胞,從而達到治療目的[17]。切除膠質瘤后行PDT其優越性在于侵入性小,對瘤細胞的選擇性高,毒性小和術后不良反應少,在保留神經功能的基礎上,有效殺傷腫瘤細胞。在現有的臨床研究中,PDT聯合外科手術已經成為治療神經膠質瘤的主流方案。

5 光動力聯合其他治療方法

5.1 光動力聯合聲動力學療法

卟啉鈉(sinoporphyrin sodium,DVDMS)是一種通過激光和超聲波激活的新型敏化劑。研究已經證實[18],DVDMS介導的PDT和聲動力學療法(sonodynamic therapy,SDT)通過生成ROS,損傷DNA,基質金屬蛋白酶下調,F-肌動蛋白絲崩潰和細胞凋亡等機制抑制腫瘤。結果表明DVDMS-PDT和DVDMS-SDT均在體外顯著抑制神經膠質瘤U-118 MG細胞的增殖并誘導細胞凋亡。此外,在裸鼠異種移植模型中靜脈注射DVDMS,24h后行PDT和SDT,治療前腫瘤大小無明顯差異,但治療后PDT組和SDT組腫瘤明顯減小,這兩組的腫瘤增殖也低于對照組,PDT聯合SDT后凋亡細胞比例隨時間延長而增加。另外,DVDMS具有良好的水溶性和穩定性,DVDMS可能是一種有希望的PDT和SDT增敏劑。DVDMS可作為熒光指示劑顯示腫瘤邊界并指導手術切除,然而血腦屏障可能會阻止DVDMS進入大腦。有研究[19-20]表明與錳離子螯合的DVDMS封裝到納米脂質體中,使用超聲靶向微泡破壞結合iRGD修飾的DVDMS脂質體治療神經膠質瘤可行,表明DVDMS介導的PDT和SDT增加了cleaved-caspase 3,抑制了增殖細胞核抗原和Bcl-xL的表達水平,并減少了PI3K/AKT/mTOR通路的蛋白質磷酸化來抑制神經膠質瘤細胞增殖并誘導細胞凋亡。綜上所述,DVDMS-PDT和DVDMS-SDT可能會成為治療神經膠質瘤的潛在方案。

5.2 光動力聯合高熱療法

Hermisson等[21]在人類和大鼠神經膠質瘤球體中進行了高熱療法(hyperthermia therapy,HT)和PDT聯合治療的研究,觀察到顯著的抑制反應,在49℃以下,反應程度明顯與溫度和光照有關,治療效果隨著溫度和光照影響的增加而提高?？偠灾?細胞凋亡是低通量PDT和HT+PDT聯合治療后細胞死亡的主要模式,通過熒光圖像顯示HT+PDT對細胞凋亡的誘導作用顯著,而HT單獨對細胞凋亡的誘導作用較差。在神經膠質瘤的治療中,同時添加HT也可能是增加ALA介導的PDT抗腫瘤作用的有效策略[22]。有研究發現[23]在HT中,將光敏劑注入體內可以很好的靶向富集在腫瘤附近,增強癌組織周圍的近紅外吸收,光能與熱能間轉換效率明顯提升,以實現殺死癌細胞的目的。通過上調Caspase-3、Caspase-8、Caspase-9、Bax和下調Bcl-2,HT可顯著促進PDT抑制神經膠質瘤細胞增殖,促進細胞凋亡。

5.3 光動力聯合納米技術

Chen等[24]報道[Ru(bpy)2(tip)]2+(RBT)是PDT治療腫瘤的高效光敏劑。通過負載RBT藥物的納米載體對神經膠質瘤進行靶向化療和PDT是一種合理可行的治療方案。為了克服血腦屏障和靶向性低,提高納米藥物的抗神經膠質瘤活性,科學界已開發具有雙重靶向功能的介孔釕納米體系RBT@MRN-SS-Tf/Apt。該療法有助于特異性靶向腫瘤類型,同時確保對神經膠質瘤的高度特異性。而且納米藥物遞送系統可以穩定地包裹RBT,克服血腦屏障并深入腫瘤組織,通過熒光成像可以觀察納米藥物靶向腦腫瘤的遞送及其組織分布。同時研究結果也表明與Tf和AS1411協同偶聯的納米顆粒對神經膠質瘤的療效顯著提高,這可以為抗神經膠質瘤治療提供潛在的藥物遞送系統。在異種裸鼠模型中注射RBT、RBT@MRN-SS-Tf+激光治療20d后觀察小鼠體重分別為14.6、18.99g,存活的時間分別為26、56d。顯然,RBT@MRN-SS-Tf/Apt+激光治療可以顯著提高裸鼠的生存時間,改善體重。隨后,在PDT過程中通過觀察模型小鼠的日常行為,如飲食、飲水、梳理、探索行為、排便或神經狀態,小鼠沒有死亡或明顯的毒性反應。因此,這種化學PDT納米系統可以作為一種高效、強大的協同系統,用于治療腦腫瘤和其他中樞神經系統的腦疾病[25]。

Wang等[26]為了解決神經膠質瘤組織中光敏劑濃度低和缺氧微環境阻礙PDT的問題,構建了PB@PMO-5-ALA來增強PDT治療。體內實驗結果表明PB@PMO5-ALA在注射后12h在腫瘤組織中高度積聚,與5-ALA相比,原卟啉I X(protoporphyrin I X,PpI X)濃度顯著增加了75%。PBS治療的小鼠出現了腫瘤增大,5-ALA組腫瘤生長適度抑制,而PB@PMO-5-ALA介導的PDT對腫瘤生長延遲的影響最為明顯。體外實驗表明PB@PMO-5-ALA在激光照射下誘導了大量ROS的產生,與5-ALA組相比,PB@PMO-5-ALA細胞的活力12h時降至45%以下。激光照射PB@PMO-5-ALA引起顯著的氧化應激、腫瘤細胞凋亡和抑制細胞增殖,成功延緩腫瘤生長。體外和體內的結果表明PB@PMO-5-ALA可以通過增加光敏劑的積累和氧氣供應來增強對PDT治療效應?？傊?5-ALA結合PB@PMO納米顆粒無明顯毒性,并在腫瘤細胞中將5-ALA轉化為足夠的PpIX,從而協同增強PDT抗腫瘤活性。PB@PMO-5-ALA協同PDT在治療神經膠質瘤方面具有治療潛力[26]。

6 總結與展望

PDT與傳統的癌癥治療方法相比,具有治療效果較好、副作用較低、耗時短、愈合后幾乎沒有疤痕等優點。PDT治療無需大手術,顯微手術切除后僅配合內鏡或其他介入技術將光源引導到顱內進行治療,盡可能避免手術造成的創傷和痛苦。但是,治療侵襲性神經膠質瘤的挑戰仍然艱巨,比如中樞神經系統腫瘤位置較深,需要手術后再進行光源照射,在治療的可重復性、手術風險、治療的安全性與便利性及患者經濟負擔方面均存在較多挑戰。此外,PDT治療后可能會出現光敏性。PDT治療效果取決于照射的準確性,所以很難用于播散性轉移瘤。組織氧合對于光動力效應的發生至關重要,因此,被壞死組織或致密腫瘤腫塊包圍的腫瘤會導致PDT無效。而且,由于可見光對組織的滲透率低,深部腫瘤如果不進行手術干預,不易進入,難以治療。這些臨床應用上的不便也促進了廣大研究人員對PDT的不斷探索。當然,腫瘤切除是保障PDT治療效果最大化的重要前提。綜上所述,PDT為診斷和治療神經膠質瘤提供了重要的臨床選擇方案。尤其是對于不能接受傳統治療或治療效果不佳的患者,PDT可以高度選擇性地治療腫瘤,準確度高,恢復期快,顯著改善病人生活質量。PDT隨著分子生物學、光學和其它交叉學科的不斷融合與深入發展,相信在未來的臨床治療中將扮演重要角色,為神經膠質瘤臨床治療策略提供新選擇。