//近紅外納米海綿載藥助腫瘤治療

近紅外納米海綿載藥助腫瘤治療

文、圖:劉子銘‧中文翻譯:葉浩男

很多科技背後都運用了近紅外有機分子。我與研究團隊最近與多間院校的研究人員合作,開發了一種近紅外有機納米海綿和裝載有機近紅外染料的方法,有望改進癌症光動力治療和醫學成像技術。

PSMA納米粒子可用於摧殘實體腫瘤和醫學影像掃描

近紅外有機分子應用廣泛

近紅外光是指介乎可見光和中紅外光之間的電磁波。近紅外有機分子經過激活後能吸收、反射或釋放近紅外光,在短距離無線通訊、遙距溫度感知、太陽能發電等領域廣泛使用。此外,近紅外有機分子細小,容易進入生物體內和細胞,因此常用於癌症診療和醫學成像。

屬於「染料」的近紅外有機分子可以作為「光敏劑」在癌症的光動力療法使用。光敏劑被注射到患者體內會在癌細胞中積聚。醫療人員其後會向癌細胞的位置發射特定波長的光線,從而激活光敏劑,產生帶有毒性的活性氧,藉此消滅癌細胞。

掃描醫學影像時,醫療人員經常用近紅外有機染料作為熒光標記物。熒光標記物進入患者體內後,會聚集在目標分子並發出熒光。進行電腦斷層掃描時,一些染料也會被用作「造影劑」來提升影像的對比度,從而更清晰地顯示患者的血管和器官結構。

以納米粒子裝載近紅外染料

近紅外有機染料在醫學的應用仍面對不少限制。首先,很多染料會在生物體內產生毒性或引起免疫反應(即生物相容性低)。此外,染料大多較難在水中溶解(即疏水性強、親水性低)。解決方法之一是合成生物相容性較高、疏水性較低的「近紅外有機納米粒子」,以它們作為載體裝載這些近紅外有機染料,將染料送達目標位置。

然而,由於每種染料的分子結構都不同,裝載它們的納米粒子通常要量身定製,費時費力。另一方面,合成納米粒子和裝載染料的過程相當繁複,合成的條件很嚴格,以一般的技術大規模生產時,很難確保不同批次的產品保持相同的性質。因此,研究團隊希望針對一些能裝載不同染料的納米粒子,開發出簡單的染料裝載方法。

合成新的納米海綿

我們研究團隊運用了簡稱PSMA的聚(苯乙烯-馬來酸),合成出一種近紅外有機納米粒子。這種粒子是一種納米海綿聚合物,能夠透過吸附作用裝載多種近紅外有機染料。我們用新合成的PSMA納米粒子裝載了10種染料,部分染料來自市面,部分由我們新合成出來。新的染料包括用於製作有機發光二極管的424、製作有機太陽能電池的YI‐1、YI‐3和YI‐8,以及製作染料敏化太陽能電池的ADF‐1‐3和DTDPTID。結果顯示,相比傳統的載體,PSMA納米粒子可以裝載更多染料,對細胞的毒性也較低。

癌症光動力治療

PSMA納米粒子能在光動力治療時摧殘實體腫瘤。我們在一組有膀胱癌的實驗組小鼠身上,注射裝載了YI‐1染料的PSMA納米粒子,然後每5日用808nm鐳射或660nm鐳射進行一次光動力治療,每次30分鐘。兩輪治療後,小鼠的腫瘤明顯縮小,用808nm鐳射進行治療時效果尤其顯著,癌細胞活性下降超過50%。與此同時,沒有使用PSMA納米粒子治療的對照組小鼠的腫瘤不斷增大,到了第20日幾乎佔據整個膀胱。解剖了實驗組小鼠後,發現牠們的心、肝、脾、肺、腎都沒有明顯損傷或炎症,可見裝載了YI‐1染料的PSMA納米粒子沒有產生全身性的毒性,是有效、可靠的光敏劑。

經過多次使用裝載了YI‐1染料的PSMA納米粒子的光動力治療後,實驗組小鼠(下方)的膀胱腫瘤在20日間大幅縮小,沒有接受治療的對照組小鼠(上方)的膀胱腫瘤則顯著增大。

此外,為了驗證PSMA粒子用於醫學成像時的效能,我們將三種染料分別裝載到PSMA粒子,再將粒子放到有MB49膀胱癌細胞的小鼠身上。透過單光子發射斷層掃描,24小時後觀察到三種染料均發出了熒光信號,呈現腫瘤位置。因此,我們相信不同強烈特性的紅外光有機染料有望取代目前常用的一些小分子染料,帶來新的免疫熒光染色技術。

這張熒光圖像呈現了小鼠體內被裝載了242、YI‐1、ADF1這三種染料的PSMA納米粒子所標記的癌細胞

我們也以裝載了染料的PSMA納米粒子作為造影劑,對小鼠進行體外和體內的多光子激光掃描。結果顯示,PSMA納米粒子的生物相容性高、疏水性低,毋需穿越細胞膜(學界稱之為胞吞作用)就能進入小鼠的細胞並發出熒光信號。我們也將PSMA納米粒子注射到小鼠的尾靜脈,其後發現粒子能通過血液循環流動到小鼠耳朵的血管。由此可見,PSMA納米粒子可作為多光子造影劑,用於深層組織的醫學成像。

改進化療方案

透過以上研究,研究團隊證實了PSMA納米海綿可以裝載多種有機近紅外染料,用於光動力治療和醫學成像。這項發現為有機光電材料在生物醫學治療的應用提供了新的視角,成果已獲《納米生物技術雜誌》刊登。我們相信,這種納米粒子也可加載額外的癌症化療藥物,降低化療所需的藥物劑量,因此我們將來可能會朝著這個方向繼續探究,進一步了解近紅外有機分子的潛能。

PSMA納米粒子可以裝載各種近紅外有機染料

劉子銘是澳大健康科學學院副教授,擁有台灣大學光電工程學博士學位,研究聚焦生命科學,使用超快鐳射技術探索納米光子學研究癌症生物學,以及創造光的新診斷和治療用途。

「學術研究」為投稿欄目,內容僅代表作者個人意見。

第25期 | 2022年

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2022-11-23T18:50:44+08:0021 11 月, 2022|學術研究|