卟啉類光敏劑的合成以及在光動力療法中的研究進展

汪 彬，祖國平，孫迎凱，張 琰，王曉蓉，韓 蛟，張財順

（1.遼寧石油化工大學 石油化工學院，遼寧 撫順113001；2.新鄉(xiāng)醫(yī)學院 第二附屬醫(yī)院，河南 新鄉(xiāng)453002）

卟啉與人類以及大自然都有著極為密切的聯(lián)系，它廣泛存在于動植物體內(nèi)并扮演著重要角色。人們被卟啉的奇光異彩所吸引，卟啉化合物利用其光敏性在材料化學[1]、生物化學[2]、仿生學[3]、催化化學[4]、有機光伏電池[5]、分子識別[6]、分子靶向藥物[7]、癌癥的光動力學治療[8]等不同領(lǐng)域都有著廣泛的應用，在捕光和能量轉(zhuǎn)移方面有著優(yōu)異甚至不可替代的作用，這種被稱為“生命的染料”的活性物質(zhì)應用于光動力療法(PDT)被廣泛關(guān)注。

PDT 已經(jīng)成為治療癌癥的一項常規(guī)手段[9]，其主要原理是向身體里注射一種光敏劑，然后用特定波長的激光去照射腫瘤組織表面或者將光纖插入腫瘤內(nèi)部進行照射，光敏劑吸收激光能量產(chǎn)生活性氧，從而殺滅腫瘤細胞[10]。PDT 對癌細胞的選擇性較高，并對病人機體其他部位的傷害較小，因此相對于傳統(tǒng)的手術(shù)治療有著廣闊的發(fā)展前景與應用空間[11]。目前，全球許多科研工作者熱衷于該方面的研究，PDT 已經(jīng)應用于臨床醫(yī)學，對皮膚病、消化系統(tǒng)疾病、癌癥、風濕、胃部等病癥都有著較好的治療效果[12]。

PDT 的實施離不開三大要素：光敏劑(Photosensitizer)、光源(Optical)、活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS)。其中，光敏劑是產(chǎn)生活性氧的源頭，隨著科研工作者的不斷研究，卟啉類光敏劑的發(fā)展已經(jīng)進入第三代。但是到目前為止，同時具有純度高、性質(zhì)相對穩(wěn)定、光毒性強、暗毒性低、對病變組織有良好選擇性、可快速有效地從體內(nèi)清除等特點[13-14]的卟啉類光敏劑少之又少，因此研發(fā)具有高效選擇性地殺死癌變細胞能力的卟啉類光敏劑具有重大意義。鑒于近幾年越來越多出版物和學術(shù)論文的發(fā)表推動卟啉類光敏劑領(lǐng)域的發(fā)展[15-16]，本文將綜述此類型光敏劑的合成、發(fā)展以及近年來重要并有代表性的工作。

1 卟啉類光敏劑簡介

卟啉廣泛地存在于自然界中，例如葉片中所含的葉綠素、人體血紅蛋白中的鐵卟啉、身體中必不可少的維生素B12等，如圖1 所示。

卟啉化合物結(jié)構(gòu)（見圖2）中，3 個化合物有著共同的中心結(jié)構(gòu)，此為卟啉的核心結(jié)構(gòu)——卟吩（見圖2(a)），由亞甲基和吡咯形成的環(huán)型結(jié)構(gòu)雜環(huán)化合物，由于環(huán)內(nèi)雙鍵、單鍵交替排列形成了共軛體系，根據(jù)德拜休克爾公式計算滿足4n+2 規(guī)則，因此卟啉化合物屬于芳香族化合物[17]。圖2(b)是卟啉的衍生物，在亞甲基的位置上可以增加取代基，在4 個亞甲基位置上的取代基可以相同，也可以不同。圖2(c)為金屬卟啉結(jié)構(gòu)式，這類物質(zhì)具有部分金屬的性質(zhì)[18]。

卟啉化合物的命名有兩種方式，即IUPAC 法和Fischer 法，如圖3 所示。兩者命名最大的不同是對亞甲基碳的命名不同，一個是用數(shù)字代替，一個是以希臘字母代替[19]。

卟啉類衍生物的顏色多為深色，吸光性能好，是一種優(yōu)良的光敏劑[20-21]。通過改變其母環(huán)上的取代基，可將卟啉類化合物的紫外可見吸收光譜紅移或波譜變寬，因此在生物和化學領(lǐng)域有較高的研究價值[22-23]。

2 卟啉類光敏劑的合成方法

2.1 卟啉衍生物的合成

卟啉衍生物的合成主要有4 種經(jīng)典方法：Paul R 法、MacDonald F 法、Adler A D 法、Jonathan S L法。隨著科研工作者的不斷探索，其合成方法也越來越多，如郭燦城合成法、微波合成法等。

2.1.1 Paul R 合成法 Paul R 法合成路線如圖4所示，吡咯和醛類化合物經(jīng)水浴加熱生成相應的卟啉化合物[24]。Paul R 合成方法只有少量的醛類適用，例如甲醛、芳香醛類化合物可以與吡咯生成相應的卟啉化合物；Paul R 反應產(chǎn)率較低，因此該合成方法現(xiàn)在幾乎不再使用。

2.1.2 MacDonald F 合成法 MacDonald F 法 合成路線如圖5 所示，此反應由2 個二吡咯甲烷縮合而成，又名[2+2]反應[25]。MacDonald F 合成法使卟啉化合物的取代基變得不再單一。但是，MacDonald F 合成法生成較多的副產(chǎn)物，在提純過程中需要注意，防止產(chǎn)物不純。

2.1.3 Adler AD 合成法 A.D.Adler 等[26-27]對Paul R 合成方法進行改進，吡咯與苯甲醛在丙酸中回流，合成出四苯基卟啉(TPP)，反應的產(chǎn)率比Paul R 合成法有所提高，如圖6 所示。由于反應在丙酸溶液中進行，因此原料與產(chǎn)物都要具有一定的耐酸性。

2.1.4 Jonathan SL 合成法 Jonathan SL 法對上述幾種合成方式進行了優(yōu)化和補充[28]。以合成TPP（如圖7 所示）為例，在氮氣保護或隔絕氧氣的條件下，在二氯甲烷溶液中加入相同物質(zhì)的量的吡咯和苯甲醛，再加入催化劑三氟乙酸，常溫攪拌后加入2,3-二氯-5,6-二氰基苯醌(DDQ)進行氧化，從而合成四苯基卟啉。Jonathan S L 法改進了反應環(huán)境，使反應不需要加熱便可進行。但Jonathan S L合成法在高濃度中不發(fā)生環(huán)化反應，因此需要嚴格控制濃度。

2.1.5 郭燦城合成法 郭燦城課題組對四苯基卟啉(TPP)的合成方法進行改良，在N,N-二甲基甲酰胺中加入相同物質(zhì)的量的吡咯和苯甲醛，以AlCl3作為反應的催化劑，使此反應的產(chǎn)率維持在25%～30%。郭燦城合成法擴大了卟啉化合物的合成范圍，但此反應需要避免與水接觸，否則AlCl3與水生成的Al(OH)3，難以去除[29]。

2.1.6 微波合成法 自A.A.Abdel-Shafi 等[30]發(fā)現(xiàn)微波可以促使化學反應發(fā)生后，微波合成法得到廣泛的關(guān)注。微波合成法通過微波輻射使反應進行，因反應過程綠色、高效，成為了近些年研究的熱門合成方法。

2.1.7 其他方法 利用四吡咯、膽色烷自身成環(huán)這一特點也可以得到一系列對稱性不一樣的卟啉和在β-位有較多種取代基團的卟啉[31]，如圖8所示。

2.2 卟啉低聚物的合成及聚合方式

目前對于卟啉類PDT 光敏劑來說，關(guān)注點還是集中在對單卟啉主體的修飾上，對雙卟啉和多卟啉體系的研究很少。由于2 個甚至多個卟啉單體間相互作用能形成更好的共軛，使能級有了很大變化，從而相應的紫外和熒光等光物理性質(zhì)也會發(fā)生變化。例 如，M.K.Kuimova 等[32]、S.Achelle 等[33]設(shè) 計合成了一系列使光譜紅移、單線態(tài)氧產(chǎn)率增高的糖基鋅卟啉衍生物，因此卟啉低聚物也具有潛在的PDT 治療應用前景。

目前通過橋連基聚合形成卟啉低聚物的應用越來越廣泛，所謂橋連基就是將卟啉單體彼此隔離，但單體間仍具有相互作用。橋連基可分為3 類：(1)非金屬共價鍵橋連基：主要由C-O 和C-N、C-C 之間形成的共價鍵；其中有很多卟啉低聚物是通過在meso 位以C-C 聚合的方式形成的，但這種合成方法的缺點是產(chǎn)率比較低。到目前為止，通過C-C 直接鍵連的聚合物（含128 個卟啉單體）已被合成[34]，由于此類化合物結(jié)構(gòu)簡單，合成方法比較完善[35-38]，所以對于C-C 作為橋連基的卟啉聚合物應用較廣泛。(2)金屬配位鍵橋連基(例如M-N)：許多金屬離子可以與卟啉單體中吡啶上的氮原子進行配位，形成相應的金屬配合物。近年來，對于利用此方式連接合成金屬-卟啉聚合物已經(jīng)逐漸成為研究熱點。(3)非共價鍵橋連基(例如氫鍵等)：因為在生物體系的光捕獲系統(tǒng)中存在大量氫鍵，研究者們對以氫鍵等非共價鍵形式結(jié)合的卟啉二聚化合物的研究產(chǎn)生了非常濃厚的興趣。

3 卟啉類光敏劑的發(fā)展

3.1 第一代光敏劑

20 世紀80 年代，癌卟啉(HpD)作為第一代卟啉光敏劑問世[39]，這是第一個應用于光動力治療的光敏劑，它制備簡單并能夠產(chǎn)生大量的單線態(tài)氧，目前此類光敏劑在臨床的呼吸道腫瘤、上消化道腫瘤、腦瘤、膀胱癌、膽管癌、皮膚癌等多類型惡性腫瘤應用廣泛。雖然第一代光敏劑得到廣泛的應用并有顯著的療效，但仍有很多缺點無法避免，例如，因成分復雜導致在臨床上不同患者的表現(xiàn)差異較大；在特定波段的光線穿透能力較弱；代謝緩慢、停留時間較長等。

3.2 第二代光敏劑

基于對第一代光敏劑的性質(zhì)和缺點，人們又成功研究出第二代光敏劑，相比于第一代光敏劑，其選擇性更強，代謝速度也有了大大的提高，作用時間更短，產(chǎn)生活性氧產(chǎn)率更高。第二代光敏劑代表性的類型可以分為以下幾種。

3.2.1 四苯基卟啉及其衍生物 普遍來說，卟啉都具有較好的選擇性，能迅速地聚集在腫瘤細胞周圍繼而殺死癌細胞，并且在適當?shù)墓庠凑丈湎履苓M行熒光診斷。四苯基卟啉是卟啉類化合物中結(jié)構(gòu)最簡單的一種，同時不對稱的四苯基卟啉衍生物也具有生物活性，因而它是在進行PDT 研究中必不可少的。目前它們在膀胱癌、皮膚鱗癌、乳腺癌、胃癌治療等方面得到了廣泛應用。此類卟啉化合物還包括單天門冬酰基二氫卟酚，其單線態(tài)氧產(chǎn)率為0.77，不會引起生物體光敏反應，其結(jié)構(gòu)如圖9 所示[40]。

3.2.2 酞菁類光敏劑 酞菁是卟啉的類似物，可以通過改變?nèi)〈椭行慕饘匐x子來調(diào)整其結(jié)構(gòu)，以及軸向配體的空間位阻，上述變化可以使酞菁的最大吸收峰提高到700～800 nm。此外，酞菁因其穩(wěn)定的理化性質(zhì)在PDT 中的治療效果是某些卟啉的100 多倍。酞菁作用時間非常短，注射13 h 后腫瘤細胞處的含量達到峰值，24 h 內(nèi)就可以在體內(nèi)徹底清除，以免皮膚發(fā)生光敏性反應。酞菁類化合物（見圖10）在750～900 nm 有較強的吸收峰，在PDT治療中可以有效殺死深處的腫瘤細胞[41]。陳耐生等[42]合成了一種新型酞菁類光敏劑——“福大賽因”（見圖11），現(xiàn)已進入了臨床試驗階段，并取得了理想效果。

3.2.3 稠環(huán)醌類光敏劑 稠環(huán)醌類光敏劑廣泛存在于自然界植物中，應用于PDT 作用時可直接產(chǎn)生單線態(tài)氧或自由基等離子。這類化合物大致可分為3 類：（1）竹紅菌素。竹紅菌素具體可分為竹紅菌甲素和竹紅菌乙素兩類。竹紅菌甲素在堿性條件下可轉(zhuǎn)化成乙素[43]，竹紅菌素產(chǎn)生的活性氧產(chǎn)量高、光毒性低、代謝迅速，是一種有巨大發(fā)展前景的光動力學藥物。（2）金絲桃素。金絲桃素可作為抗抑郁藥使用，具有抑制中樞神經(jīng)的作用，并且它在抗病毒(包括HIV)、淋巴癌等各種腫瘤的治療中起了很大作用。（3）姜黃素。姜黃素可以有效地治療宮頸癌，另外對口腔內(nèi)的病原體也有很強的抗菌作用。此3 類化合物均為天然光敏劑，既減少了人工卟啉類光敏劑全合成過程中大量化學藥品的浪費，同時自身也具有較高的單線態(tài)氧產(chǎn)率。

3.3 第三代光敏劑

雖然第二代光敏劑在第一代光敏劑的基礎(chǔ)上有了很大的提升，但是在區(qū)分腫瘤細胞和正常細胞時，還是根據(jù)其生理特性，不能定向殺死腫瘤細胞。因此，在第二代光敏劑的基礎(chǔ)上，通過引入具有靶向性的官能團或化合物（多聚體、糖類、抗體等），以此來增加在腫瘤細胞中的選擇富集作用。例如，當血卟啉和具有靶向作用的單克隆抗體結(jié)合時，殺傷力非常強[44]；帶有多胺修飾的硅酞菁，隨著酸堿性的變化，產(chǎn)生單線態(tài)氧的產(chǎn)率是未配合酞菁的1.5～9.5 倍[45]；糖類是生物體中不可缺少的重要成分，供給細胞大量的能量，癌細胞同樣也需要糖類來提供大量的能量使其增殖，并且糖類良好的水溶性能中和光敏劑的難溶特性。研究表明，用糖類進行修飾的卟啉類化合物的分子識別能力明顯提高。

4 卟啉類光敏劑在光動力療法中的應用

目前，卟啉光敏劑得到了飛速發(fā)展，為了提高卟啉類光敏劑在PDT 中生物相容性和單線態(tài)氧量子產(chǎn)率，可以對卟啉進行修飾，即從meso-位的苯基（硝基卟啉、糖苷化卟啉、羥基卟啉、陽離子卟啉）、β-位、卟啉中心金屬化以及與納米材料結(jié)合等方面進行研究。

4.1 對單卟啉進行改性

P.Henke 等[46]合成陽離子5,10,15,20-四（1-甲基吡啶）卟啉光敏劑（見圖12），其單線態(tài)氧產(chǎn)率為0.74，可以用來殺菌，但其單線態(tài)氧的壽命較短，限制了它的應用。

S.Tada-Oikawa 等[47]設(shè)計并合成了給體-受體型的卟啉衍生物——內(nèi)消旋-（1-蒽基）-三（N-甲基-對-吡啶基）卟啉（見圖13），其與DNA 結(jié)合后進入細胞，然后通過釋放單線態(tài)氧使目標細胞的DNA 損傷。因此，卟啉分子的設(shè)計與修飾對新藥的開發(fā)具有重要意義。

張濤等[48]合成兩親性卟啉化合物(ZnTP-TP)，該化合物可以產(chǎn)生大量的單線態(tài)氧，并具有兩親性、低毒性等優(yōu)點。ZnTP-TP 可以高效地殺死肺腺癌細胞A549，其結(jié)構(gòu)如圖14 所示。

紀?，揫49]對其課題組合成的化合物5,10,15,20-四{4-[(S)-2,6-二氨基已酰氨基]苯基}卟啉（LD4）進行了光動力學研究。結(jié)果表明，該化合物對外傷感染的治療有一定作用，尤其是對銅綠假單胞菌作用明顯，其結(jié)構(gòu)如圖15 所示。

F.Li 等[50]把卟啉光敏劑IR700（見圖16）、聚乙二醇(PEG)、人血清蛋白(HAS)與RDG 肽進行結(jié)合，構(gòu)成對細胞無毒的多價納米聚合物，并通過光動力療法對卵巢腺癌細胞(SKOV3 細胞)進行滅活，效果明顯。

4.2 與金納米結(jié)合

金納米顆粒在不同的研究領(lǐng)域中起著重要的作用，例如納米電子、非線性光學、生物標記和氧化催化等[51-52],尤其是金納米顆粒的光學性質(zhì)和電子性質(zhì)引起了廣泛關(guān)注[53]。金納米顆粒的摩爾吸光系數(shù)很大（ε＞105L/(mol·cm)）,它的光電性質(zhì)與其大小、形狀和表面性質(zhì)有關(guān)[54]。此外，文獻[54]還報道卟啉/酞菁小分子與5 nm 的金納米以共價鍵方式連接后，染料分子熒光淬滅，自激發(fā)的染料分子向金納米發(fā)生了有效的能量轉(zhuǎn)移。金納米顆粒具有非常大的摩爾吸光系數(shù)，可以作為一種優(yōu)秀的天線材料（有效地吸收和轉(zhuǎn)移能量給其他組分，這種行為也可以是可逆的）。當金納米與適當?shù)陌l(fā)色團結(jié)合后（如卟啉、酞菁、富勒烯），金納米可作為電子供體或受體。金納米是有效的能量受體，也可以作為能量供體。在能量轉(zhuǎn)移和光誘導電荷轉(zhuǎn)移過程中，金納米顆粒的參與，使整個組分成為極具潛力的光敏基元。

J.Xie 等[55]使用巰基吡啶，將錳-四苯基卟啉成功地固定在Au/SiO2上，采用巰基和吡啶基作為橋聯(lián)劑，在環(huán)己烷氧化反應中提高了轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物的選擇性。

李蘇含[56]將合成的巰基化卟啉（見圖17）與金納米棒，通過Au-S 進行結(jié)合，合成出GNRs-Porphyrin，再與抗癌藥物進行結(jié)合，實現(xiàn)三位一體抗癌功效。該課題組合成的藥物對BT474 乳腺癌細胞有一定的殺傷效果。

H.Imahori 等[57]等合成出與金納米結(jié)合的卟啉化合物(見圖18)，把其放入C60 分子孔穴中，能量轉(zhuǎn)化率達到1.5%。

4.3 卟啉類光敏劑的封裝與釋放

S.Patachia 等[58]把系列卟啉類化合物（見圖19）——5,10,15,20-四磺酸根苯卟啉(TSPP)、5,10,15,20-四吡啶卟啉(TPyP)和5,10,15,20-四苯基卟啉(TPP)分別用聚乙烯醇PVA30-98 和PVA90-98進行封裝，并證實聚乙烯醇(PVA)相對分子質(zhì)量越高時，包裹效果越好，并可以實現(xiàn)持續(xù)的釋放。

D.K.Deda 等[59]合成5,10,15-三苯基-20-（3-N-甲基吡啶鎓基）卟啉，如圖20 所示，把其包裹在杏仁油、黃原膠、吐溫20、海洋去端膠原組成的膠囊中，通過改變吐溫20 的含量，可以對膠囊的尺寸進行調(diào)控。把膠囊放到人宮頸上皮樣癌細胞(HeLa)的培養(yǎng)皿中，采用光動力療法進行照射，發(fā)現(xiàn)對癌細胞的滅活率較高。

金屬有機框架（MOFs）是通過帶正電荷的金屬離子或金屬團簇之間的強配位鍵周期性組裝的結(jié)晶多孔支架[60]。卟啉化合物通過橋聯(lián)配體或嵌入的方式包覆在金屬有機框架中[61-62]。Y.Ma 等[63]把鋅金屬化的5,10,15,20-四（4-甲氧基羰基苯基）卟啉通過水熱微乳液法與Cu(NO3)2·3H2O 結(jié)合，形成納米銅鋅混合金屬有機骨架{Cu2(ZnTcpp)·H2O}n（見圖21）。{Cu2(ZnTcpp)·H2O}n對于能夠產(chǎn)生H2S 的癌細胞有著較好的消滅效果，并能根據(jù)H2S 濃度進行單線態(tài)氧的可控釋放。

W.Zhang 等[64]合成出納米金屬有機骨架(Cu(II))MOF{CuL-[AlOH]2}n（MOF-2，H6L=內(nèi)消旋-4（4-羧基苯基）卟啉），如圖22 所示，在一些癌細胞中谷胱甘肽(GSH)含量較大，谷胱甘肽可以吸收細胞中的單線態(tài)氧，降低單線態(tài)氧的濃度從而降低了治療效果，但在設(shè)計的化合物中Cu(II)可以吸收癌細胞中的谷胱甘肽，從而增加單線態(tài)氧的濃度，加強了光動力治療的效果。

F.Schmitt 等[65]把卟吩封裝在水溶性的金屬籠（六核金屬棱柱[Ru6(η6-p-PriC6H4Me)6(tpt)2(dobq)3]6+和八核金屬立方[Ru8(η6-p-PriC6H4Me)8(tpvb)2(donq)4]8+）中，并在釋放卟吩的過程中金屬籠不會破裂，并做到了可逆的封裝與釋放。在致病細胞外沒有檢測到光毒性，因此不會讓患者全身光敏感，是一種較優(yōu)的光動力治療化合物。

5 以卟啉為光敏劑的PDT 發(fā)展趨勢和前景

光敏劑作為PDT 中的一個重要因素，經(jīng)歷了從最開始的血卟啉光敏劑到現(xiàn)在種類豐富的卟啉衍生物類光敏劑的過程，在很多腫瘤類治療中被廣泛應用，并取得了預期的效果。理想的光敏劑一般具有以下的特性[66]：(1)純度高，理化性質(zhì)穩(wěn)定，不被消耗或損壞，同時具有親水性和親脂性基團；(2)在無光條件下表現(xiàn)為高效低毒性；(3)具有精確的選擇靶向性；(4)有較高的單線態(tài)氧量子產(chǎn)率；(5)在長波長區(qū)（600～850 nm）具有較高的摩爾吸光系數(shù)；(6)方便合成且容易儲存，在光動力治療結(jié)束后，藥物可在體內(nèi)迅速代謝完全，不會對身體造成傷害。但是，要實現(xiàn)此目標依然具有很大挑戰(zhàn)，筆者認為首先可在以下兩個方面努力：一是在修飾卟啉衍生物的過程中，通過引入易保持三線態(tài)激發(fā)態(tài)的受體來改善其單線態(tài)氧的產(chǎn)率；二是適當加大親水性取代基的比例，來解決目前絕大部分卟啉化合物親水性有限的問題。最后，相信隨著新型光敏劑的陸續(xù)開發(fā)，光動力療法在臨床治療方面將會有突出的應用前景。