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  • 癌症纳米技术

    时间: 2015年9月10日  浏览:15648次  来自:盛诺一家 返回上页

    相比一般药物,基于纳米技术的治疗可使化疗药物活性时间更长、靶向效率更高、副作用更小。临床上,科学家已经在化学纳米医学方面取得进展。多个药物已经在不同的临床研发阶段,或已经获得FDA批准上市。

    一、概述

    纳米技术——利用新型化学、物理和或生物性质,在分子水平控制物质、创造装置的科学和工程——有望变革人类诊断和治疗癌症的方式。虽然至到最近(上世纪80年代),人类才发展出大规模制造纳米产品的能力,但在将基于纳米技术的癌症诊断和治疗手段转化到临床应用方面,人类已经取得了长足的进展,而且有更多的技术尚在研发当中。

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    二、纳米技术介绍

    纳米物体——典型宽度小于100纳米,要么独立发挥作用,要么作为更大设备的部件实现功能。纳米技术已经被应用几乎所有可以想到的领域:生物科学、电子、电磁学、光学、信息技术、材料研发等,所有这些又将影响生物医学。

    物质的大小

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    纳米设备比人体细胞要小一百到一千倍。他们与大型生物分子如酶和受体的大小相当。举个例子,位于血红细胞内携带氧气的分子的血红蛋白,其直径大约只有5纳米。小于50纳米的纳米设备能轻易进入大多数细胞,而小于20纳米的设备能在随血液循环时移出血管。

    凭借极小的尺寸,纳米设备可以直接和细胞表面和里面的生物分子发生相互作用。纳米设备可以去到身体的大部分区域,他们有潜力以前所未有的方式检测疾病,递送治疗。

    癌症领域的纳米技术举例

    Nanowires纳米导线,可以检测到癌症相关的变异基因,且有可能帮助研究者准确定位这些改变的位置。

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    在一个微流通道中放置纳米大小的感应导线,这些纳米导线具有非凡的敏感性和特异性。当粒子流经微流通道时,纳米导线就能检测这些粒子的分子特性,并立即将这些信息通过电极传递出来。

    Cantilevers纳米悬臂——显微弹性梁——可以快速准确的发现癌症相关分子。

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    纳米悬臂采用半导体平板技术建造,覆盖上可结合DNA或蛋白的抗体。当癌症细胞分泌分子产物后,悬臂指板上覆盖的抗体可以特异性结合这些蛋白,悬臂性质随之改变,研究者可以实时读取这些改变,如特定蛋白是否存在,甚至他们的浓度。

    Nanoshell纳米壳,可以选择性结合癌症细胞,递送治疗药物,直接杀死肿瘤细胞,而不伤害周围的健康细胞。

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    纳米壳由一个二氧化硅核心和金属外层。研究显示,纳米壳可安全注射到动物模型中。借助癌症细胞的渗透滞留增强效应(EPR),纳米壳可以选择性地凝聚在癌症病灶。进一步,科学家让纳米壳携带上可识别癌症细胞的分子,纳米壳便拥有了结合肿瘤而不粘附健康细胞的第二种特异性。纳米壳具有较强的能量吸收能力,接受外部能量后能剧烈产热,从而特异性杀死肿瘤细胞。外部能量可以是机械振动、无线电波和光,但疗效作用是一样的。

    三、对癌症的影响

    无论是维持生命所必需的生物过程,还是那些导致癌症的生物过程,都是发生在纳米级别的。因此,人体其实是由大量的生物纳米机器组成的。借助纳米技术,研究人员能够在癌症进展的早期阶段,实时地研究和操控大分子。纳米技术可以帮助研究人员快速精确地检测到肿瘤相关分子。即使只有一小部分细胞发生了分子变化,研究人员也能敏锐地检测出来。此外,纳米技术还可催生全新的高效治疗药物。

    3.1 纳米技术之于癌症诊断

    在抗击癌症的斗争中,如果能够及早检测,就已经赢了一半。纳米技术提供了新的分子造影剂和材料,让我们能够更早、更准确地作出初步诊断,以及持续监测癌症患者的治疗过程。

    影像检查

    传统的影像检查只能在机体遭受明显改变时检测出癌症,而那时成千上万的癌细胞已经发生了增殖甚至转移。而即使可见,也还是必须通过活检才能确定肿瘤的性质(恶性或良性)以及对于治疗反应性的特征。想象一下:癌细胞或癌前细胞可以被标记出来,并让传统的扫描设备检测到。这需要两点:可特异性识别癌细胞的东西,和让癌细胞显像的东西。纳米技术便可以实现这两点。

    例如,癌细胞具有某些过表达的特异性受体,我们就可以将能够识别这些受体的抗体涂覆在金属氧化物等纳米颗粒上,纳米颗粒有恰好能在磁共振扫描(MRI)图像或计算机断层扫描(CT)图像上产生高对比度的信号。这些纳米颗粒进入体内后,上面涂覆的抗体就会选择性地结合癌细胞,让他们在扫描图像上显现出来。同样,金粒子可以用来增强结肠内镜等内窥镜技术的光散射效果。借助纳米技术,医生将能够看到用于确定癌症分期和类型的分子标志物,以及看到传统影像检查所无法检测到的细胞和分子。

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    癌症筛查

    纳米技术还会改进和革新通过筛查组织和体液中的生物标志物来诊断癌症的方法。在几十到几百个分子的表达和分布变化方面,每个肿瘤彼此各异,它们与正常细胞也不相同。随着治疗方法不断改进,可能需要同时检测几种生物标志物,才能确定某个癌症的治疗选择。不同大小的量子点等纳米颗粒可以发出不同颜色的光,从而使得同时检测多种标志物成为可能。抗体涂覆量子点所发出的荧光信号可以用于筛查某些类型的癌症。不同颜色的量子点会携带靶向癌症生物标志物的抗体,让肿瘤科医生能够通过光谱来区分癌细胞和健康细胞。

    3.2 纳米技术之于癌症治疗和临床疗效

    目前,癌症的主要治疗方法是手术、放疗和化疗。这三种方法都有可能损害正常组织,或无法完全根除癌症。纳米技术可携带化疗药物选择性打击癌细胞和肿瘤组织,引导肿瘤切除术,以及提高放疗等治疗方式的临床疗效。所有这些都将降低患者的风险并提高生存率。

    1)纳米载体

    传统的化疗药物能够有效地杀死癌细胞。但是,这些具有细胞毒性的药物在清除肿瘤细胞的同时,也会杀死健康细胞,引发副作用,如恶心、神经病变、脱发、疲劳和免疫功能受损等。纳米颗粒可以作为药物载体,将化疗药物直接传递到肿瘤组织,同时避开健康组织。与传统的化学疗法相比,纳米技术具有以下几个优点:

    ●防止药物在到达肿瘤之前被降解;

    ●促进肿瘤组织和癌细胞对药物的吸收;

    ●更好地控制药物达到组织的时间和分布,从而简化药物疗效的评估;

    ●防止药物与正常细胞相互作用,从而避免副作用。

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    2)被动靶向

    目前市场上已有的几种纳米载体药物主要通过“渗透滞留增强效应”来进行被动靶向。凭借特定的尺寸和表面性质,某些纳米颗粒可以逃逸血管壁,进入组织内部。此外,肿瘤组织的新生血管容易渗漏和淋巴引流也存在缺陷,导致纳米颗粒在其内部积聚,同时纳米颗粒上携带的细胞毒性药物也就集中在病灶中,从而保护了健康组织,显著减少副作用。

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    被动靶向(左):纳米颗粒借助“渗透滞留增强效应”被动渗出易漏的血管,并倾向性地积蓄在肿瘤中。

    主动靶向(中):纳米颗粒表面的靶向配体引发由受体介导的细胞内吞作用,从而增加细胞摄取。

    联合递送(右):两个或多个治疗物质抑制不同或相同的疾病通路,以期实现协同作用。

    3)主动靶向

    研究人员正在研发一种“主动靶向型”纳米颗粒,它们能够根据癌细胞表面的分子表达,将药物准确输送到肿瘤组织。这些纳米颗粒携带着可以结合特定细胞受体的分子,以便靶向到具有这种受体的细胞。主动靶向甚至可以诱导癌细胞吸收纳米载体,从而携带药物进入癌细胞内部。主动靶向技术可以与被动靶向技术相结合,以进一步降低纳米颗粒携带的药物与健康组织的相互作用。主动和被动靶向纳米技术还可以提高化疗的疗效,使用更低剂量的药物,更显著地缩小肿瘤。

    4)由内而外消灭肿瘤

    传统的化疗药物通过激活诱导细胞死亡的正常分子机制来杀死癌细胞。研究人员正在探索新的方法,依靠物理方式由内而外地摧毁癌细胞。纳米壳(Nanoshell)就是这样一种技术,目前正处于实验室研究阶段。纳米壳经过特殊设计,可以吸收不同频率的光,并将其转化为热量,在肿瘤内部释放出来,从而摧毁肿瘤组织。在这个过程中,首先借助主动靶向机制让癌细胞摄取纳米壳。然后,研究人员会释放近红外光,纳米壳吸收这种光后,会在肿瘤内部产生高热量,从而选择性地杀死肿瘤细胞,而不干扰邻近的健康细胞。类似地,研究人员正在研发一种新型靶向磁性纳米颗粒,该技术也可以通过高温破坏癌细胞,同时还可以通过磁共振成像(MRI)来观察治疗效果。

    四、纳米技术的研究进展

    纳米技术在医学方面已得到了较为广泛的应用,包括采用精密的加工材料研制能够减少毒性、提高有效性以及改善给药方式的新型疗法和医疗设备。凭借此项新技术的优势,纳米技术在癌症的预防、检测和治疗方面取得了许多进展。目前,首个以纳米技术为基础的抑癌药物已经通过了监管审查,并已获批上市,如Doxil?和Abraxane?等,见下表。

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    近些年来,许多纳米制剂的试验性新药申请已获得了美国食品与药品监督管理局(FDA)的批准,将纳米制剂用于乳腺癌、妇科肿瘤、实体瘤、淋巴瘤、中枢神经系统和泌尿生殖系统肿瘤治疗的临床试验中。

    美国国立癌症研究中心纳米技术联盟(NCI Alliance for Nanotechnology)也对新技术的研发给予了资助,进而推动下一代癌症疗法早日进入临床治疗。

    NCI纳米技术联盟专门指定了多家医学机构作为“癌症纳米技术优秀中心(CCNE)”,具体实施纳米技术在临床肿瘤领域的研发和应用。其中就包括盛诺一家的合作医院:约翰霍普金斯大学、麻省总医院、德克萨斯大学MD安德森癌症中心等。

    纳米技术的相关临床试验

    目前,许多纳米技术相关的诊断技术和治疗药物已进入了临床试验阶段,并且将会有越来越多的新药从实验室研究向临床应用迈进。这些具有前景的临床研究将为全世界的各类癌症患者带来曙光。

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    ●BIND生物科技公司(由MIT-哈佛CCNE联合创立)研发的BIND-014是一种靶向PSMA(前列腺特异膜抗原)的包含多西他赛的新型靶向纳米颗粒。临床前试验表明,BIND-014的活性高度区别于并且优于多西他赛。已经有超过150位晚期或转移性癌症患者接受了BIND-014治疗,安全性良好,疗效充满前景。目前,BIND-014正在进行两个2期临床试验,iNSITE 1试验研究KRAS突变或鳞状NSCLC,iNSITE 2试验研究尿道上皮癌、胆管癌、宫颈癌和头颈癌。

    ●在加州大学的圣地亚哥CCNE中心,NANO-TUMOR项目的Thomas Kipps博士研发了一种经化学加工的腺病毒纳米颗粒,以传递一种可以刺激免疫系统的分子。此种技术正在用于治疗慢性淋巴细胞性白血病,处于I期临床试验阶段。该研究对用于静脉内注射的化学加工病毒进行评估,研究人员观察到系统性临床疗效,且单独静脉内注射腺病毒纳米颗粒使白细胞计数显著降低、淋巴结和脾脏显著缩小。该注射疗法耐受性良好,可能产生的毒性作用为2级或更轻。注射后毒性作用持续时间低于48小时。研究中有1例患者获得完全缓解。

    ●纳米系统生物癌症中心(Caltech/UCLA CCNE)的研究人员研发了一系列正电子发射断层显像(PET)制剂。这些制剂是[18F]-FAC家族,被用于接受化疗药物治疗的(转移性乳腺癌、非小细胞肺癌、卵巢癌、胰腺癌、白血病和淋巴瘤等)癌症患者,如吉西他滨、阿糖胞苷、氟达拉滨和其他化疗药物。当患者被首次给予[18F]-FAC时,对这些化疗药物有应答的肿瘤会在PET扫描中显现出明亮的图像。这项生物分布性研究已在8例健康受试者中开展。


    参考来源:

    http://nano.cancer.gov/learn/now/

    http://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/39488/title/Fighting-Cancer-with-Nanomedicine/

    http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016836591400827X

    http://bindtherapeutics.com/pipeline/BIND014.html