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結合光熱與化療,精準殺死癌細胞

傳統化學藥物治療通過抑制體內細胞DNA的複製殺死癌細胞,但同時也會傷害到正常細胞,引發各種副作用。如果能夠標記癌細胞、並準確釋放藥物,便可以避免此情況。張家耀教授團隊以光熱敏感材料上的玻尿酸分子鎖定癌細胞,再藉由其吸收紅外線升溫的性質,有效殺死癌細胞。若結合化療藥物順鉑,則殺癌效果更佳。
 
 

癌症連續37年蟬聯國人十大死因之首,根據衛福部統計,2018年國人死於癌症人數已逼近5萬人,占所有死亡人數28.2%,即平均每3名往生者中,就有1人死於惡性腫瘤,可見癌症治療研究之迫切。


傳統化學藥物、手術及放射性治療等主要治療方式,雖能有效抑制癌細胞生長及擴散,但常引發許多副作用,例如免疫系統受損或噁心、食慾不振等。以傳統化學藥物治療為例,雖然含鉑的化療藥物——順鉑(Cisplatin)進入體內後可抑制癌細胞DNA的複製過程,從而殺死癌細胞,但也難免毒害到部分正常細胞;且隨著藥物使用時間增長,患者產生抗藥性,疾病便會再度復發。

 

用光熱敏感材料精準鎖定癌細胞!
 

近年光熱療法逐漸興起,由臺灣科技大學化學工程學系教授張家耀領導的團隊,採用光熱敏感奈米材料——銅鐵硫當吸光物質,在經過紅外光照射後,吸附於癌細胞表面的銅鐵硫會產生熱量,造成局部高溫殺死癌細胞,提升癌症治療功效。

然而,要避免殺害正常細胞,光熱敏感材料需要懂得如何辨識癌細胞。德國化學家赫爾曼・埃米爾・費歇爾(Emil Fischer)提出「鎖鑰理論」(Lock and Key Theory),認為分子和生物細胞間存在高度專一性,配體與受體就像鎖頭和鑰匙般,每種受體只能結合某些特定形狀的配體。

 

圖為配體與受體概念示意圖。配體與受體就像鎖頭和鑰匙般,每道鎖都必須利用某把特定的鑰匙才能夠打開。由於受體與配體結合並未生成共價鍵結及任何化學反應,是由分子間作用力產生,因此結合可被拆解或取代。(圖/彰師大林泱蔚教授提供)
▲圖為配體與受體概念示意圖。配體與受體就像鎖頭和鑰匙般,每道鎖都必須利用某把特定的鑰匙才能夠打開。由於受體與配體結合並未生成共價鍵結及任何化學反應,是由分子間作用力產生,因此結合可被拆解或取代。(圖/彰師大林泱蔚教授提供)

 

張家耀團隊在其製造的光熱敏感材料——銅鐵硫表面結合玻尿酸分子(配體),針對黑色素腫瘤細胞表面蛋白質(受體)結合,達到高度專一性,有效殺害癌細胞,而幾乎不影響正常細胞。

 
光熱療法結合傳統化療,更具殺癌效果
 

為了增強毒殺效果,張家耀團隊也將抗癌藥物順鉑用於光熱敏感性材料中。當紅外線照射,吸附於癌細胞的光熱敏感性材料便會發生光熱效應,使該癌細胞局部升溫,過程中也釋放順鉑,達到光熱治療與化學治療的加乘效果。光熱治療產生的熱量還可增進細胞代謝,促進抗癌藥物吸收。

 
 
張家耀團隊以小鼠為實驗對象,測試小鼠體內的黑色素腫瘤細胞存活率。在沒有紅外線照射、僅有光熱敏感材料下,無論藥物用量如何提升,腫瘤細胞存活率仍高達95%以上。

 

若光熱敏感性材料結合順鉑,即便沒有照射紅外線,藥物用量增加仍可使腫瘤細胞存活率剩50%,造成一定程度的殺傷力。若照射紅外線長達10分鐘,腫瘤細胞存活率則隨著藥物用量增加而下降至15%,顯示光熱化療相較於單獨治療,更具殺癌效果。

 
圖為未照光和照射紅外線10分鐘的狀況下,小鼠黑色素腫瘤細胞的存活率比較。(圖/臺科大張家耀教授團隊提供)
▲圖為未照光和照射紅外線10分鐘的狀況下,小鼠黑色素腫瘤細胞的存活率比較。(圖/臺科大張家耀教授團隊提供)
 
張家耀團隊所開發的奈米材料,兼具光熱效應、專一性及化學治療等三種功效,未來有望朝向標靶藥物投藥方式,精準殺死癌細胞,提升治療效果同時降低副作用。

 
來源:
  • 科技部107年度「科轉計畫:前沿科技轉化暨教育應用推廣」專案計畫
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