肺癌诊断和治疗的希望之路丨Engineering

作者：杨超月

本文选自中国工程院院刊《Engineering》2021年第11期

作者：尹伟，潘峰，朱俊杰，徐军武，Diego Gonzalez-Rivas，Meinoshin Okumura，唐志勇，杨洋

来源：Nanotechnology and Nanomedicine: A Promising Avenue for Lung Cancer Diagnosis and Therapy[J].Engineering,2021,7(11):1577-1585.

肺癌是全球最常见的癌症，五年总生存率非常低。纳米技术和纳米医学方法的发展为解决肺癌的常规诊断和治疗策略的内在局限性，提高早期诊断率并开发更有效、更安全的肺癌治疗方案，提供了一种有效的方法。纳米医学旨在根据每个患者独特的生理和病理特征来制定药物递送、诊断和治疗方案。尽管纳米医学技术在肺癌的科学研究中获得成功应用，但由于对纳米技术与生物学之间的相互作用知之甚少，以及毒理学、药理学、免疫学和纳米颗粒的大规模制造等方面的挑战，使得纳米医学方法的临床转化仍然具有挑战性。

中国工程院院刊《Engineering》2021年第11期刊发同济大学杨洋教授研究团队的《纳米技术和纳米医学——肺癌诊断和治疗的希望之路》一文。文章分析了用于肺癌治疗的纳米医学的发展和机遇，介绍了纳米技术在肺癌个性化诊断中的应用情况，总结了肺癌精准纳米医学在肺癌治疗中的具体策略，指出了使用纳米药物改善传统肺癌诊断方法和使用纳米药物改善传统肺癌治疗方法，并展望了该领域的前景，讨论了其在临床转化中面临的挑战。

肺癌诊断和治疗的希望之路丨Engineering

一、引言

尽管肺癌检测和治疗取得了长足进展，但由于未能及早检测肺癌的发生以及晚期患者缺乏有效的治疗方法，肺癌仍然是世界上最致命的癌症。肺癌是北美洲和亚洲最常见的新诊断癌症类型。肺癌检测的主要困难是现有的检测方法，包括支气管活检和计算机断层扫描（CT）在很大程度上取决于肿瘤大小，并且需要特定的医疗设备，使得检测成本过高。纳米技术为新的检测方法带来希望，因为纳米颗粒（NP）表面可以进行旨在增强与肿瘤细胞中过度表达受体结合的修饰，所以在用作癌症成像造影剂时，可以提高癌症检测方法的灵敏度和特异性。此外，使用纳米颗粒的微流体阵列和基于阵列的传感方法是有前途的新型癌症诊断方法，具有超低检测阈值以及测定时间短、通量高和样本用量少的特点。

纳米颗粒还可用于改善肺癌治疗。精准纳米药物具有独特的性质，包括纳米级尺寸、高表面积与体积比以及有利的理化特性，可用于调节癌症药物的药代动力学和药效学特征，提高其治疗效果。这些特性是当前精准药物（PM）所必须具备的，因为许多精准药物（如基于核酸的疗法和抗体）的靶向能力和血浆稳定性较差、药代动力学特性欠佳，以及药物产生的免疫毒性阻碍了药物的临床转化。

越来越多的研究表明，精准纳米医学技术对肺癌的早期诊断和靶向治疗具有潜在的益处。因此，有必要撰写一篇综述以更全面地了解这些新策略。

二、肺癌个体化诊断

（一）用于肺癌体内诊断的纳米技术

成功的肺癌早期诊断可以提高存活率。传统的医学成像技术，如磁共振引导聚焦超声手术（MRgFUS）受磁共振成像（MRI）对小肿瘤可视化不敏感的限制。纳米颗粒可用作成像造影剂，以提高分辨率并改善病变的解剖学定义。最近，Wang等构建了一个具有主动靶向能力、集治疗诊断于一体的超顺磁性氧化铁（SPIO）纳米材料，以提高临床MRgFUS系统的成像灵敏度和能量沉积效率。这些聚乙二醇（PEG）（胸腔积液G）化的SPIO纳米颗粒的表面修饰有抗表皮生长因子受体（EGFR）单克隆抗体，用于将纳米颗粒靶向递送至过表达EGFR的肺癌细胞。研究人员证明，使用这些纳米颗粒显著提高了MRI灵敏度，可以在大鼠模型中观察EGFR过表达的肺癌细胞。

量子点（QD）是半导体纳米晶体（尺寸为2~100 nm），具有独特的光学和电学特性。与有机染料分子相比，量子点的荧光强度高和光化学耐受性好的特点使其有望用于荧光成像领域。近红外（NIR）发射量子点具有高摩尔激发系数，特别适用于体内全身成像技术，因为NIR光比可见光谱中的光能更深地穿透身体。Papagiannaros等制备了一种靶向肿瘤的近红外光成像剂，该成像剂由肿瘤特异性单克隆抗核小体抗体2C5与含量子点的聚合物胶束偶联而成。他们证明这种荧光成像分子表现出优异的成像特性，注射后1 h，肿瘤荧光强度是非靶向、量子点负载的胸腔积液G-聚乙烯胶束的两倍。

除了探索开发单一、强大的成像模式外，研究人员还尝试通过集成多种成像技术来开发多模式方法，以克服每种技术的缺点。例如，Xiao等将钆掺杂的介孔二氧化硅纳米粒子（MSN）和金纳米粒子（Au纳米颗粒）整合到单个纳米系统（Gd2O3@MCM-41@Au）中，发现Gd2O3@MCM-41@Au是有效的MRI成像剂，并成功靶向EGFR分子，用于表面增强拉曼散射（SERS）检测。

（二）用于肺癌体外诊断的纳米技术

准确的诊断需要确定如何以及在何处收集活检组织样本。分子生物学的重大进展已经允许从体液中捕获和分析肿瘤衍生物。现在可以在DNA、RNA和蛋白质水平上识别临床相关的变化。因此，医生在评估肺癌患者时有多种活检选择，包括肺部病变、外周血和胸腔积液（PE）。对于人群筛查，首选无创分析，如外周血检测，因为可能无法获得每个人的组织进行检测。近年来，纳米技术为实现准确诊断所必需的高灵敏度和高特异性做出了巨大贡献。纳米颗粒具有大的表面积，可以与多种诊断试剂连接，提高了诊断的效率和灵敏度。与传统的基于聚合酶链反应（PCR）的测序技术相比，使用纳米颗粒的微流体技术和基于阵列的传感技术是癌症诊断的替代方案。

1. 外周血肿瘤来源DNA

在外周血中检测到的与宿主共享遗传信息的细胞外DNA被称为无细胞DNA（cfDNA），而源自肿瘤细胞的cfDNA被称为循环肿瘤DNA（ctDNA）。目前，ctDNA释放到血液中的确切机制仍然未知。ctDNA被认为是从凋亡和坏死的肿瘤细胞中释放出来的，或者是从活的肿瘤细胞中分泌出来的。与健康对照相比，癌症患者的cfDNA和ctDNA含量均增加。由于ctDNA携带了肿瘤进化过程中出现的基因组变异和异质性，因此ctDNA监测为监测癌症患者的肿瘤状态、进展和治疗耐药性的发生提供了一条可行途径。

为了实现使用ctDNA监测肿瘤进展的目标，首先必须从外周血样本中富集ctDNA。外周血中的cfDNA和ctDNA分子量都比较小，从外周血中分离和提取DNA的常规方法更适合中等和高分子量的DNA分子，因此需要改进富集技术。此外由于个体差异，cfDNA中ctDNA的比例差异很大。因此，还需要分离方法来区分ctDNA和cfDNA。幸运的是，技术进步已经促进了ctDNA的富集。已经开发出使用特定标记物的纳米材料来富集ctDNA，如上皮细胞黏附分子（EpCAM）和细胞角蛋白（CK）。

针对该方案，研究人员开发了具有生物相容性的、与聚合物纳米颗粒和免疫磁珠相结合的金纳米颗粒。此外，具有更大表面积的纳米结构材料，如纳米管、纳米柱、纳米线和纳米纹理表面，可以促进与生物分子的相互作用，从而形成能够捕获或分离ctDNA的生物传感平台。例如，在与适配体连接后，纳米形貌底物获得功能，能够选择性地捕获超过90%的癌细胞。纳米结构的电子材料，如电活性导电聚合物聚吡咯和涂有聚吡咯的金（Au）纳米线，也能够高效率地分离ctDNA，产率高、纯度好。

早期肺癌检测只是ctDNA分析的一种潜在应用。ctDNA可以揭示与肺癌相关的遗传变异，并提高诊断的可靠性。迄今为止，一些研究人员已经成功地富集了ctDNA，用于在肺癌患者中进行分子基因分型分析。嵌入微流控芯片中的硅纳米线材料（SiNS）（图1），结合合理设计的、基于细胞的、通过指数富集（SELEX）的衍生适配体的配体系统进化，成功增强了差异捕获非小细胞肺癌（NSCLC）患者的循环肿瘤细胞的能力。