综述：用于光动力疗法与光热疗法的头颈部肿瘤体外模型

《SLAS Technology》：In vitro head and neck cancer models for photodynamic and photothermal therapies

　　

研究人员指出，头颈部鳞状细胞癌（head and neck squamous cell carcinoma, HNSCC）因高复发率和有限的长期生存率仍是重大临床挑战。光动力疗法（photodynamic therapy, PDT）与光热疗法（photothermal therapy, PTT）是极具前景的光基治疗策略：PDT依赖光激活光敏剂产生活性氧，而PTT通过光热剂诱导局部高热。尽管结果令人鼓舞，两种疗法均显著受肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME）特征影响，包括缺氧、基质屏障、药物渗透异质性及光/热分布不均。 本综述分析了用于HNSCC PDT/PTT研究的体外模型，重点评估其复现肿瘤复杂性的能力。与二维培养相比，三维体系能更好地模拟氧和营养梯度、细胞外基质相互作用及耐药相关表型。多细胞球体与共培养模型（尤其是含成纤维细胞或巨噬细胞的模型）可深入揭示基质与免疫细胞组分如何调控光敏剂摄取及治疗 efficacy。患者来源移植物与类器官通过保留肿瘤异质性提升了临床相关性，而新兴的三维生物打印与微流控肿瘤芯片平台则增强了对空间结构、灌注及动态微环境条件的控制能力。 然而，主要局限仍存：多数HNSCC模型仅包含有限细胞类型，极少同时整合功能性免疫与血管化。开发多细胞、血管化且具有免疫活性的体外模型，对更精准预测治疗反应、优化PDT/PTT联合方案及推动HNSCC个性化光疗发展至关重要。

1. 1.
   引言
   头颈部鳞状细胞癌（HNSCC）是全球第六大常见癌症，5年生存率仅为40%–50%，且复发率高。传统治疗以手术联合放疗为主，部分辅以化疗，但近年来光动力疗法（PDT）与光热疗法（PTT）在HNSCC中的应用受到广泛关注。由于HNSCC发生于解剖与功能关键区域，治疗相关并发症常严重影响言语、吞咽、呼吸及外观，而光疗具有微创、空间选择性高的优势，较破坏性局部治疗更能保护周围健康组织与器官功能。PDT利用光敏剂在特定波长光照下产生单线态氧等活性氧（reactive oxygen species, ROS）引发氧化损伤，其机制分为I型（直接与生物分子反应）与II型（能量转移至氧分子）；PTT则将近红外光能量转化为热能，通过蛋白质变性、膜损伤等途径杀伤肿瘤，效应取决于温度与暴露时长。PDT已获批用于部分HNSCC适应证，如Photofrin?（卟啉钠）用于食管癌根治、Foscan?（间四羟基苯基二氢卟酚，meta?tetrahydroxyphenylchlorin, mTHPC）用于早期HNSCC及晚期姑息治疗，临床研究显示早期病例缓解率达79%–91%，切缘阳性辅助治疗2年总生存率为51%。PTT仍处于临床前阶段，金纳米壳介导的AuroLase?疗法已在难治性头颈肿瘤（NCT00848042）及前列腺癌中开展早期试验，证实了其可行性，但尚未常规应用。两者具有互补性：PDT临床证据更充分且可诱导免疫原性细胞死亡，但受限于光穿透深度与氧依赖性；PTT作用快速、局灶且无需氧参与，但光热剂的优化与安全性仍需验证。联合应用可克服单一疗法局限，并通过诱导凋亡、坏死、铁死亡、铜死亡等多种调控性细胞死亡途径拓宽抗肿瘤谱，尤其对耐药HNSCC具有潜在价值。
2. 2.
   模拟肿瘤微环境的重要性
   肿瘤微环境（TME）由细胞与非细胞组分构成：细胞组分包括癌症相关成纤维细胞（cancer?associated fibroblasts, CAFs）、肿瘤相关巨噬细胞（tumor?associated macrophages, TAMs）、调节性T细胞（regulatory T cells, Tregs）、髓源抑制细胞（myeloid derived suppressor cells, MDSCs）、肿瘤相关中性粒细胞（tumor?associated neutrophils, TANs）、组织驻留记忆T细胞（tissue?resident memory T cells, Trm）、自然杀伤（natural killer, NK）细胞及树突状细胞（dentritic cells, DCs）等；非细胞组分涵盖细胞外基质、基底膜及其蛋白成分。TME的异质性是HNSCC治疗失败的核心因素，缺氧与酸性环境直接影响PDT疗效（依赖氧生成ROS），而PTT受血管分布不均与组织成分差异导致的热分布不均限制。CAFs占HNSCC间质细胞的60%–70%，通过分泌胶原、纤连蛋白及基质金属蛋白酶重塑ECM，促进肿瘤增殖、免疫逃逸、转移及化疗耐药，并可改变光敏剂与纳米颗粒的渗透与滞留；TAMs以促肿瘤的M2表型为主，可 sequestrate 治疗剂并调控炎症应答，低强度PTT甚至可能逆转其极化状态；Tregs、MDSCs及TANs则通过免疫抑制、促血管生成及上皮?间质转化（epithelial?mesenchymal transition, EMT）支持肿瘤进展。因此，复现TME的细胞互作与物理化学梯度是体外模型预测光疗响应的关键。
3. 3.
   三维细胞培养模型
   多细胞肿瘤球体（multicellular tumor spheroids, MCTS）是最常用的三维模型，直径约500 μm，包含中心缺氧坏死层、中间静止层及外层增殖层，可通过悬滴法、液相覆盖法、超低吸附板等方式构建。与二维培养相比，MCTS能模拟氧/营养梯度与EMT、干性标志物（SOX2、NANOG、CDH1）的上调，更接近体内肿瘤行为。为弥补单一肿瘤细胞球体的不足，共培养异质球体被广泛应用：①成纤维细胞富集模型：Yakavets等采用FaDu细胞与人皮肤CAFs（MeWo）共培养，发现CAFs增加mTHPC的渗透与PDT efficacy，但降低二氢卟吩e6的蓄积；脂质体mTHPC的摄取在基质丰富球体中显著升高，但PDT效应无显著差异；β?环糊精纳米海绵则提升了mTHPC的分布均匀性。②巨噬细胞富集模型：Fran?ois等将FaDu与极化M1/M2巨噬细胞共培养，显示巨噬细胞对Foslip?的摄取是肿瘤细胞的6倍，虽未显著提升总体PDT efficacy，但条件培养基处理的球体光杀伤效应明显增强，提示巨噬细胞通过微环境信号与球体通透性调控治疗响应。③干细胞富集模型：目前尚无用于PDT/PTT测试的报道，Gorican等构建了富含癌干细胞（cancer stem cells, CSCs）的FaDu球体，证实其高表达干性标志物，可作为耐药靶点筛选平台。④支架模型：将球体嵌入胶原、藻酸盐等支架中以模拟ECM，但HNSCC相关研究较少。⑤特殊模型：TRACER平台可实现细胞空间排布的可控设计；组织仿体模型则整合了光吸收与散射特性，用于评估PTT的能量穿透深度。总体而言，FaDu液相覆盖球体是当前最主流的HNSCC三维模型，但多细胞共培养（尤其是三细胞及以上体系）仍有待开发。
4. 4.
   患者来源模型
   患者来源移植物（patient derived explants, PDEs）通过体外培养手术切除的小块肿瘤组织，保留原始结构与间质互作，存活时间通常小于7天，部分研究通过添加基质延长至10天，但尚未用于PDT/PTT评估。患者来源类器官（patient?derived organoids, PDOs）则从活检或手术组织中提取细胞，在Matrigel等半固体基质中形成三维结构，可长期扩增并冻存，保留原发肿瘤的病理与分子特征。Driehuis等利用HNSCC类器官验证了表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor, EGFR）靶向PDT的个体差异，证实高EGFR表达者对治疗更敏感。类器官还可整合CAFs以模拟ECM刚度对药物扩散的影响，但其缺乏血管与免疫细胞，限制了免疫原性死亡的评估。生物样本库的建立使PDOs成为个性化光疗筛选的重要工具，但仍需标准化培养流程以提升重现性。
5. 5.
   三维生物打印
   三维生物打印通过逐层沉积负载细胞的生物墨水，精确构建包含多种细胞、ECM及空间结构的仿生组织。Kort?Mascort等采用猪舌脱细胞ECM复合藻酸盐/明胶生物墨水，以2:1比例混合人声带成纤维细胞与UM?SCC?38细胞，成功打印出肿瘤中心为癌细胞、外周为成纤维细胞的模型，培养16天后观察到胶原分泌增加与基质重塑。该技术可实现血管化结构的构建——既可直接打印血管壁，也可先打印中空通道再内皮化，这对PDT（氧输送）与PTT（热消散）至关重要。目前尚无HNSCC生物打印模型用于光疗测试，但其在乳腺癌、胶质母细胞瘤中的初步应用已证实可行性，未来有望成为高生理相关性平台。
6. 6.
   肿瘤芯片/微流控模型
   微流控肿瘤芯片（tumor?on?chip, ToC）通过精确控制流体、氧梯度及细胞互作，克服了静态模型的代谢废物积累与血管化缺失缺陷。El?Samadi等构建了全人源化芯片，整合患者肿瘤细胞、免疫细胞、血清及人源基质，用于免疫治疗评估，该平台同样适用于PDT/PTT诱导的免疫原性细胞死亡研究。Nashimoto等开发了带灌注血管网络的微流控球体模型，实现了长期灌注与药物响应评估，可直接观察血管对光热剂分布、热消散及氧供应的调控。尽管HNSCC微流控模型尚未用于光疗研究，但其在放疗领域的成功应用已证明其在动态微环境监测中的独特优势，是未来模拟光疗时空效应的理想工具。
7. 7.
   结论
   三维模型（球体、类器官、生物打印、微流控）通过复现缺氧、TME互作及药物扩散梯度，已成为HNSCC光疗临床前研究的核心工具。如表3所示，模型复杂度与生物学相关性正相关，但可及性与通量下降。当前局限在于多数模型仅涵盖有限TME组分，缺乏免疫与血管整合，多细胞共培养体系仍稀缺。生物打印与微流控是未来重点方向，前者可实现多细胞精准排布，后者能模拟淋巴引流与血流动力学。亚消融PTT（42–45°C）可逆转肿瘤缺氧并增敏PDT，此类联合策略应优先在血管化模型中验证。此外，光敏剂的荧光成像与光热剂的声光成像特性使光疗兼具诊疗一体化潜力，需进一步开发能同时评估疗效与成像引导的先进体外模型，最终推动HNSCC个性化光疗的临床转化。