标题：基于金属纳米结构的癌症光热疗法：综述

作者与出版信息
作者：Xiaohua Huang, Prashant K. Jain, Ivan H. El-Sayed & Mostafa A. El-Sayed
单位：Georgia Institute of Technology（部分作者），University of California, San Francisco（部分作者）
期刊：Lasers in Medical Science
收稿日期：2007年4月26日，接受日期：2007年5月10日，在线发布日期：2007年8月3日
出版商：Springer-Verlag London Limited

论文主题与背景
本文是一篇综述性论述，主要围绕金纳米颗粒（gold nanoparticles, GNPs）在基于表面等离子体共振（SPR, surface plasmon resonance）效应的癌症光热疗法（plasmonic photothermal therapy, PPTT）的应用研究。文章讨论了从传统热疗法到当代纳米技术为基础的光热疗法的演变，同时详细介绍了PPTT的方法、原理、相关实验、及其在癌症治疗中的潜在价值。

传统热疗法（hyperthermia）是从公元前1700年初期使用的，通过局部加热来治疗肿瘤，但其局限性在于不能选择性破坏肿瘤细胞，容易损伤健康组织。随着激光技术的兴起，激光光热疗法逐渐为人所知。然而，由于高功率密度激光的非选择性，同样存在健康组织受损的问题。为了克服这些缺点，光动力疗法（photodynamic therapy, PDT）和光热疗法（photothermal therapy, PTT）相继发展起来。尤其是近年来，利用SPR增强光吸收特性的贵金属纳米颗粒（noble metal nanoparticles）作为光学介质，引入癌症光热治疗，为此领域带来了新机遇。

文章主要内容概述

1. 光热疗法的概述

• 光热疗法通过光热剂吸收光能后转化为热能来实现细胞的局部破坏。
• 传统光热剂如染料分子（例如吲哚菁绿或金属嵌合的卟啉类分子）存在光漂白等问题，光吸收强度较弱，不适合深层组织治疗。
• 金属纳米结构，尤其是金纳米颗粒，以高光吸收截面和有效光热转化被认为适合光热治疗，可有效减少激光能量需求，降低对健康组织的侵害。

2. 金纳米颗粒与表面等离子体共振的特性

• 金纳米颗粒因其表面等离子体共振（SPR）现象，表现出对可见光及近红外光（near-infrared, NIR）的极强吸收。
• SPR频率受金属类型、颗粒大小和形状、介质折射率等因素影响：
  • 球形金纳米颗粒的吸收最大波长随粒径增大略微红移。
  • 棒状金纳米颗粒的吸收频谱分裂为横向带（可见光范围内）和纵向带（NIR区域），其SPR吸收峰强烈依赖于长宽比。
  • 壳层纳米颗粒（nanoshell）由硅核心和金壳组成，通过调整金壳厚度和核心直径比值可极大调节吸收峰位置。

3. PPTT方法的光热特性

• 金纳米颗粒光加热的机理：
  1. 激光照射使电子跃迁至激发态，随后快速通过非辐射衰减将能量传递给粒子晶格。
  2. 晶格与周围介质通过声子-声子相互作用交换能量，导致局部快速加热。
• 实验数据表明，金纳米颗粒的光吸收截面比传统染料高4-5个数量级，仅需较低激光功率即可实现几千开尔文级的电子加热和局部组织破坏的高温条件。
• 特别是，对于金纳米棒和金壳粒子，其NIR吸收性质使其能够用于深层组织的癌症治疗。

4. 金纳米颗粒的生物功能化与靶向性

• 为实现癌症细胞的选择性靶向破坏，金纳米颗粒与聚乙二醇（PEG）或抗体结合：
  • PEG修饰用于“被动靶向”，通过肿瘤区域高渗透性和保留效应（EPR），优先积累在肿瘤组织内。
  • 抗体修饰用于“主动靶向”，如利用抗EGFR抗体与癌症中过表达的EGFR结合，或通过抗HER2抗体靶向乳腺癌细胞。
• 抗体与金纳米颗粒的结合方式包括静电吸附、非特异性相互作用或通过化学键合（例如利用二硫键发生共价结合）。

5. 可见光波长的PPTT

• 采用可见激光（514 nm）和抗EGFR抗体修饰的金纳米球选择性破坏表皮癌细胞。
• 实验证明金纳米颗粒可以特异性结合癌细胞，癌细胞需要的激光能量低于正常细胞，健康细胞保持功能完好。

6. 近红外波长的PPTT

• 对于体内深层或皮下肿瘤，需要NIR光源以实现组织的深层穿透。
• 使用抗EGFR修饰的金纳米棒（SPR峰值800 nm）结合NIR激光（800 nm），实验表明癌细胞在较低激光能量下被有效破坏。
• 采用PEG修饰或抗体修饰的金壳（SPR峰值820 nm），在多种癌症模型中均成功实现体内杀伤肿瘤效果。

论文的意义与价值 本文全面回顾了基于金纳米颗粒的PPTT的工作进展，并首次为该疗法提出了“PPTT”这一术语，区分于传统PTT和以光敏剂为主的PDT。工作不仅展示了金属纳米结构的光热特性及其在癌症治疗中的选择性靶向能力，还凸显其深层组织治疗的可能性。

从基础科学意义来说，此技术发展为贵金属纳米颗粒在生物医学领域的应用提供了新方向；从应用意义来说，为癌症这一重大疾病提供了低侵入性和高选择性的治疗手段。

亮点与创新 - 利用金纳米颗粒的SPR效应，提高光吸收效率并增强肿瘤破坏选择性。 - 通过调控金纳米颗粒的大小、形状及表面功能化，优化了其光热疗效及肿瘤靶向能力。 - 突出了NIR区域光学性质在深层组织肿瘤治疗中的重要作用。 - 开展了多种体外与体内模型实验，验证了不同金属纳米结构在PPTT中的作用。

结论 PPTT技术有巨大的研究和医用潜力。未来需进一步优化纳米颗粒的稳定性、生物相容性及体内转运性能，并通过临床试验证实其广泛使用的可行性。