光動(dòng)力腫瘤精準(zhǔn)治療的研究進(jìn)展

趙 旭， 趙凱超， 劉茄琳， 劉雨詩(shī)， 嚴(yán)秀平,

(1.江南大學(xué)食品科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫 214122； 2.江南大學(xué)國(guó)際食品安全聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫 214122； 3.江南大學(xué)食品學(xué)院，分析食品安全學(xué)研究所，江蘇無(wú)錫 214122； 4.江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214122)

1 引言

光動(dòng)力治療(Photodynamic Therapy，PDT)是一種溫和、局部和相對(duì)安全的治療模式，在癌癥精準(zhǔn)治療方面展現(xiàn)了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[1 - 3]。自1972年Diamond發(fā)現(xiàn)卟啉光敏活性可以殺死腫瘤細(xì)胞以來(lái)，涌現(xiàn)出了大量PDT在腫瘤治療領(lǐng)域的應(yīng)用研究。PDT的作用機(jī)制是在外界光源激發(fā)下，光敏劑吸收光能由基態(tài)躍遷至單重激發(fā)態(tài)，后經(jīng)系間竄越至三重激發(fā)態(tài)，處于三重激發(fā)態(tài)的光敏劑可與周圍的生物分子或氧氣等發(fā)生電子轉(zhuǎn)移或能量傳遞，生成對(duì)蛋白質(zhì)及核酸等生物分子具有損傷作用的自由基或活性氧(Reactive Oxygen Species，ROS)，從而發(fā)揮治療活性[4 - 5]?？梢?，光敏劑、光源以及氧氣是PDT的三個(gè)核心要素。然而，現(xiàn)有光敏劑分子的激發(fā)波長(zhǎng)大多處于紫外或可見光區(qū)，生物組織對(duì)該波長(zhǎng)范圍內(nèi)光的強(qiáng)吸收與散射使得該類光敏劑難以實(shí)現(xiàn)深層組織的有效治療[6 - 8]。這些大多為“always on”型光敏劑，缺乏腫瘤靶向性及特異性，對(duì)鄰近正常組織的非特異性損傷亦無(wú)法避免[9 - 10]。此外，傳統(tǒng)光動(dòng)力治療大多依賴于外光源的持續(xù)照射來(lái)激活光敏劑產(chǎn)生ROS等，易引發(fā)光毒性和組織損傷[7,9 - 10]。由于腫瘤生長(zhǎng)快速，其血管組織發(fā)育不全，導(dǎo)致實(shí)體腫瘤所處微環(huán)境呈乏氧狀態(tài)(氧分壓<5 mmHg)[11]，不充足的氧氣補(bǔ)給勢(shì)必會(huì)降低PDT效率。腫瘤細(xì)胞內(nèi)高濃度的還原型谷胱甘肽(Glutathione，GSH)(>10 mmol·L-1)也會(huì)消耗PDT產(chǎn)生的ROS等，亦會(huì)影響PDT效率[12]。因此，尋求高效可行的方法解決上述問(wèn)題，對(duì)推動(dòng)PDT的發(fā)展具重要意義。

本文從光敏劑、光源和氧氣三要素角度，綜述近年來(lái)發(fā)展的各類新型光動(dòng)力治療體系，以及它們?cè)谀[瘤精準(zhǔn)治療中的研究進(jìn)展。

2 光敏劑

傳統(tǒng)的光敏劑大多為有機(jī)小分子類，如已用于臨床的光卟啉、四-(間羥基苯基)二氫卟吩、內(nèi)源性卟啉Ⅸ及5-氨基乙酰丙酸等，缺乏腫瘤靶向性及特異性，易對(duì)正常組織等造成非特異性損傷[5,13]。利用腫瘤微環(huán)境較正常組織的差異，構(gòu)建的可激活型光敏劑，可有效降低上述非特異性損傷，受到了人們的廣泛關(guān)注。例如，Tian等[14]利用腫瘤細(xì)胞所處微環(huán)境具有弱酸性這一特性，設(shè)計(jì)并合成了pH激活型二乙胺基苯基及溴苯基修飾的BODIPY類光敏劑(圖1a)。該材料在正常體液pH=7.4下無(wú)光敏活性，當(dāng)其被腫瘤細(xì)胞內(nèi)吞進(jìn)入溶酶體后，被溶酶體所處酸性環(huán)境(pH=4.5～5.0)激活，在808 nm激光照射下可產(chǎn)生ROS，進(jìn)而殺傷癌細(xì)胞。隨后，Tang等[15]同樣以二乙胺基苯基為pH識(shí)別基團(tuán)，合成了另一類pH激活型BODIPY類光敏劑(圖1b)。該材料靶向聚集于溶酶體后被溶酶體的酸性環(huán)境激活，在氙燈照射下產(chǎn)生，發(fā)揮光動(dòng)力治療作用。然而，pH接近5.0的酸性環(huán)境是溶酶體這一細(xì)胞器所固有的，并非癌細(xì)胞的特有屬性，因此該類pH激活型光敏劑的腫瘤特異性還有待進(jìn)一步提高。如何得到pH響應(yīng)范圍與腫瘤所處弱酸性微環(huán)境相吻合、生物相容性好的特異性光敏劑，并提升其ROS產(chǎn)生能力，仍是亟待解決的難題。

圖1 pH激活型光敏劑的結(jié)構(gòu)式[14 - 15]Fig.1 Structures of pH-activatable photosensitizers[14 - 15]

除傳統(tǒng)的有機(jī)小分子外，新型納米光敏劑已悄然興起。腫瘤組織的高通透性和滯留(Enhanced Permeability and Retention，EPR)效應(yīng)使得納米光敏劑在腫瘤組織高效聚集，進(jìn)而有望提升治療效率。例如，Yang等[16]以商品化TiO2P25為原料，利用水熱法合成TiO2納米棒，并在其表面修飾金納米簇，制得Au25/B -TiO2-x復(fù)合光敏劑。該納米光敏劑不同于經(jīng)典無(wú)機(jī)納米光敏劑TiO2，可被650 nm光激發(fā)，發(fā)揮PDT抗腫瘤活性。此外，Wang等[17]通過(guò)簡(jiǎn)單剝離方法獲得厚度為2.0 nm的超薄黑磷納米片，其單線態(tài)氧量子產(chǎn)率高達(dá)0.91。0.5 W·cm-2的660 nm激光器照射10 min后(材料濃度為0.2 mg·L-1)，腫瘤細(xì)胞的凋亡率可高達(dá)71.5%，在皮下移植瘤的治療方面已表現(xiàn)出了良好應(yīng)用前景。然而，腫瘤組織所固有的乏氧、還原性物質(zhì)GSH過(guò)表達(dá)等特性對(duì)PDT的影響并未消除。如何設(shè)計(jì)制備性能更加優(yōu)異的新型光敏劑，進(jìn)一步提升其治療效率，仍是亟待解決的問(wèn)題。

Ju等[18]制備了Cu2+修飾的氮化碳納米片(Cu2+-g-C3N4)新型光敏劑。該光敏劑在可見光照射下產(chǎn)生多種ROS的同時(shí)，還可將腫瘤細(xì)胞內(nèi)的GSH氧化為氧化型谷胱甘肽(GSSG)，使得腫瘤細(xì)胞的抗氧化能力顯著降低，大大提升了其PDT抗腫瘤活性。此外，Xu等[19]設(shè)計(jì)合成了一個(gè)末端含有二硫聯(lián)吡啶的新型鋅酞菁類光敏劑(ZnPc-DTP)，并通過(guò)分子間π-π相互作用進(jìn)一步形成納米光敏劑(ZnPc-DTP NPs)，此時(shí)光動(dòng)力效率較低。經(jīng)尾靜脈注射后，ZnPc-DTP NPs經(jīng)EPR效應(yīng)在腫瘤組織靶向聚集，進(jìn)入腫瘤細(xì)胞后，二硫鍵與腫瘤細(xì)胞中過(guò)表達(dá)的GSH反應(yīng)，將腫瘤細(xì)胞中的GSH氧化為GSSG，降低GSH的濃度，進(jìn)而減弱其對(duì)PDT效率的影響。同時(shí)，二硫鍵被切斷，原有的納米結(jié)構(gòu)被破壞，釋放出末端含有巰基的鋅酞菁(ZnPc-SH)片段，游離的ZnPc-SH具有較高的ROS產(chǎn)生能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了腫瘤細(xì)胞內(nèi)原位激活的高效PDT(圖2)。

圖2 ZnPc -DTP NP的抗腫瘤原理示意圖[18]Fig.2 Schematic illustration of the anticancer mechanism of ZnPc -DTP NP[18]

3 光源

現(xiàn)有光敏劑的吸收光譜大多在紫外-可見光區(qū)，生物組織對(duì)該波長(zhǎng)范圍內(nèi)光的強(qiáng)吸收與散射使得該類光敏劑難以實(shí)現(xiàn)深層組織的有效治療[6 - 8]。隨著材料科學(xué)和納米科技的蓬勃發(fā)展，具有吸收近紅外光、發(fā)出可見光性質(zhì)的上轉(zhuǎn)換納米材料(Upconversion Nanoparticles,UC NPs)的出現(xiàn)，在一定程度上彌補(bǔ)了這一不足，推動(dòng)了光動(dòng)力治療的發(fā)展[7,9 - 10]。例如，Li等[20]將光敏劑二氫卟吩(Chlorin e6，Ce6)與pH響應(yīng)型高分子聚合物偶聯(lián)，再與UCNPs(NaYF4∶Yb,Er@CaF2)和表面活性劑(Pluronic F68)自組裝制得復(fù)合納米材料。到達(dá)腫瘤微環(huán)境所處弱酸性環(huán)境后，復(fù)合材料解聚，使得原聚集淬滅的Ce6恢復(fù)活性，實(shí)現(xiàn)了980 nm 激光激發(fā)的PDT。Chen[21]等將光敏劑亞甲基藍(lán)(MB)與金納米棒(AuNR)修飾的UCNPs(NaYF4∶Yb/Er)結(jié)合，進(jìn)一步修飾靶向配體葉酸(FA)，構(gòu)建了UCNP@SiO2∶MB-AuNRs-FA復(fù)合材料。以UCNPs作為轉(zhuǎn)換光源激活MB產(chǎn)生1O2，用于口腔癌細(xì)胞的靶向治療，獲得了較好的PDT效果。上述研究克服了因需紫外-可見光照射而造成的組織穿透深度低等缺陷，但治療過(guò)程需外界激發(fā)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)照射引起的光毒性和組織損傷等問(wèn)題不可避免，限制了光動(dòng)力治療的進(jìn)一步發(fā)展與深入應(yīng)用。因此，發(fā)展近紅外吸收的光敏劑以及降低外光源連續(xù)照射引發(fā)的光毒性和組織損傷對(duì)推動(dòng)PDT的發(fā)展具有重要意義。

長(zhǎng)余輝納米材料(Persistent Luminescence Nanoparticles,PLNPs)是一種新興的光學(xué)材料，可在激發(fā)停止后持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間發(fā)光[7,22 - 23]。尤其是近來(lái)研發(fā)的Cr3+摻雜鎵酸鋅和鎵鍺酸鋅等近紅外PLNPs，其發(fā)射波長(zhǎng)處于“生物光學(xué)窗口”內(nèi)，且近紅外光能夠重復(fù)激發(fā)其余輝。這種獨(dú)特的免連續(xù)激發(fā)、長(zhǎng)時(shí)間近紅外磷光發(fā)射特性使得近紅外PLNPs除在生物傳感、腫瘤診斷及成像指引的治療等領(lǐng)域頗具優(yōu)勢(shì)外[23 - 24]，在免外光源連續(xù)激發(fā)的光動(dòng)力治療方面亦嶄露頭角[7,25 - 27]。本課題組[7]將長(zhǎng)余輝發(fā)光激活光敏劑的策略引入基于近紅外發(fā)光PLNPs的PDT體系。設(shè)計(jì)了一種新型808 nm近紅外光激勵(lì)性近紅外發(fā)光PLNPs(ZGGO∶Cr3+) 作為PDT的內(nèi)光源，并將光敏劑硅酞菁(Si-Pc)化學(xué)鍵合在其表面，利用PLNPs的近紅外余輝來(lái)激活其表面的Si-Pc，持續(xù)產(chǎn)生ROS殺死癌細(xì)胞，獲得了很好的治療效果。此外，為進(jìn)一步改善長(zhǎng)余輝納米材料的光學(xué)性能和可控形貌，我們系統(tǒng)研究了影響長(zhǎng)余輝發(fā)光的關(guān)鍵因素，發(fā)展了表面活性劑輔助水熱/短時(shí)間高溫煅燒/煅燒后水熱再處理方法，成功制備了三元素?fù)诫s的小尺寸單分散超PLNPs(ZGGO∶Cr3+,Yb3+,Er3+)[28]。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展了仿生多功能長(zhǎng)余輝納米平臺(tái)及其轉(zhuǎn)移瘤成像和光動(dòng)力學(xué)/化療聯(lián)合治療(DSPLNPs@hSiO2@CCM)(圖3)[26]。以ZGGO∶Cr3+,Yb3+,Er3+為成像單元及內(nèi)置激發(fā)光源，將光敏劑Si-Pc偶聯(lián)在其表面，為增強(qiáng)材料的治療效率，在所得材料表面進(jìn)一步生長(zhǎng)介孔硅用以包載化學(xué)治療藥物DOX，隨后用腫瘤細(xì)胞細(xì)胞膜包裹以防止藥物泄露并賦予材料腫瘤主動(dòng)靶向識(shí)別能力。在無(wú)外光源連續(xù)激發(fā)下，復(fù)合材料對(duì)腫瘤細(xì)胞及荷瘤小鼠模型均表現(xiàn)出了很好的治療效果。此外，F(xiàn)an等[27]將長(zhǎng)余輝發(fā)光材料與聚乳酸-羥基乙酸共聚物(Poly Lactic-co-glycolic Acid，PLGA)制得復(fù)合物，并將其植入腫瘤組織作為內(nèi)光源。尾靜脈注射光敏劑HPPH，并在第1 d及第8 d對(duì)腫瘤部位照射進(jìn)行照射(白光LED，每次15 min)，亦取得了較好的治療效果。但受限于現(xiàn)有PLNPs的余輝強(qiáng)度以及生理環(huán)境等因素對(duì)余輝發(fā)光效果的影響，完全利用余輝發(fā)光作為內(nèi)光源難以實(shí)現(xiàn)較好的體內(nèi)治療效果，仍需借助外光源的再次照射。因此，高性能、長(zhǎng)時(shí)間發(fā)射的新型長(zhǎng)余輝材料仍有待開發(fā)。

圖3 DSPLNPs@hSiO2@CCM用于轉(zhuǎn)移瘤成像和光動(dòng)力學(xué)/化療聯(lián)合治療示意圖[26]Fig.3 Schematic illustration of DSPLNPs@hSiO2@CCM for in vivo metastases imaging and chemophototherapy[26]

4 氧氣

氧氣是PDT發(fā)揮活性的關(guān)鍵要素之一。實(shí)體腫瘤組織部位的乏氧微環(huán)境勢(shì)必會(huì)會(huì)降低PDT治療的效果。因此，尋求有效途徑緩解腫瘤乏氧狀態(tài)，對(duì)提升PDT效率有重要意義。為此，已有大量研究著眼于如何增加腫瘤組織部位的含氧量，進(jìn)而提升PDT效率[29 - 31]。如與光熱治療(Photothermal Therapy，PTT)合用，通過(guò)升溫加快腫瘤部位血流速度增加氧氣供給；共載攜氧劑，實(shí)現(xiàn)腫瘤組織部位氧氣自補(bǔ)給；催化腫瘤細(xì)胞內(nèi)高濃度的H2O2分解釋放氧氣等。

圖4 HAOP NP用于乏氧腫瘤細(xì)胞的高效光動(dòng)力治療示意圖[31]Fig.4 Schematic illustration of HAOP NP for efficient PDT against hypoxic tumor[31]

Guo等[29]選用近紅外菁類染料Cypate作為光熱治療劑，二氫噻吩作為光動(dòng)力治療劑，與兩親性分子mPEG/b-PAsp自組裝形成微球，用于熒光/光聲雙模態(tài)成像指引的PDT/PTT治療，得到了相互增強(qiáng)的治療效果。Luo等[30]選用近紅外熒光探針I(yè)R808作為光動(dòng)力治療劑，將其鍵合于聚乙二醇及樹枝狀聚乙烯亞胺修飾的氧化石墨納米片(NGO)上，復(fù)合材料的聯(lián)合治療效果優(yōu)于單獨(dú)使用NGO時(shí)產(chǎn)生的PDT效果及IR808產(chǎn)生的PTT治療效果。上述研究雖已證實(shí)PDT/PTT相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)相互增強(qiáng)的治療效果，但這種基于兩類不同材料實(shí)現(xiàn)的光熱/光動(dòng)力聯(lián)合治療仍存在一些不足。兩類材料不同的理化性質(zhì)易造成兩類材料在體內(nèi)分布和對(duì)靶向區(qū)域的選擇并不完全相同，因此很難實(shí)現(xiàn)真正的精準(zhǔn)的聯(lián)合治療；亦或需要兩種波長(zhǎng)的激發(fā)光刺激，延長(zhǎng)了治療時(shí)間，增加了副作用及操作難度。因此，發(fā)展兼光熱及光動(dòng)力兩種功能于一體的新興治療劑將更有利于實(shí)現(xiàn)腫瘤精準(zhǔn)治療。

Chen等[31]將亞甲基藍(lán)(MB)與過(guò)氧化氫酶同時(shí)包覆于聚合物納米粒內(nèi)部，并引入腫瘤靶向肽(RGDfK)以增強(qiáng)復(fù)合材料的腫瘤靶向識(shí)別及富集能力。所得復(fù)合藥物HAOP NP進(jìn)入腫瘤細(xì)胞后，過(guò)氧化氫酶催化細(xì)胞內(nèi)高濃度H2O2分解產(chǎn)生氧氣，為PDT供氧，實(shí)現(xiàn)了乏氧實(shí)體腫瘤的高效治療(圖4)。此外，還有多種催化劑催化H2O2分解產(chǎn)氧的研究報(bào)道，并取得了較好的治療效果[32 - 35]。如，鉑包鈀納米片(Pd@Pt)、MnO2、錳碳量子點(diǎn)、黑磷/氧化錳復(fù)合材料等。

5 結(jié)語(yǔ)

如何實(shí)現(xiàn)癌癥的早期精準(zhǔn)診斷及高效的個(gè)性化治療，是當(dāng)前醫(yī)學(xué)和生命分析化學(xué)研究者所面臨的重要課題。傳統(tǒng)的治療方法已不能滿足腫瘤精準(zhǔn)治療的需求。光動(dòng)力治療的出現(xiàn)為腫瘤精準(zhǔn)治療提供了新希望?，F(xiàn)有研究也證實(shí)了光動(dòng)力治療無(wú)論是在體外細(xì)胞層面還是體內(nèi)荷瘤小鼠模型水平，都具有良好的治療效果和應(yīng)用前景。然而，光動(dòng)力治療在腫瘤精準(zhǔn)治療領(lǐng)域仍處于起步階段，構(gòu)建生物安全性好、腫瘤主動(dòng)靶向能力強(qiáng)、治療效率高、毒副作用小的新型光動(dòng)力治療體系，推動(dòng)PDT的進(jìn)一步發(fā)展及臨床轉(zhuǎn)化是該領(lǐng)域未來(lái)研究的主要方向。