基于光敏劑的納米診療載體構(gòu)建的研究進(jìn)展

楊舜禹,田雪瑩,楊 敏*, 彭黔榮

(1.貴州大學(xué) 藥學(xué)院，貴州 貴陽 550025; 2.貴州中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，貴州 貴陽 550009)

癌癥是導(dǎo)致死亡的主要原因之一。癌細(xì)胞會使正常細(xì)胞失去功能并破壞它們，或者轉(zhuǎn)移到身體的其他健康器官進(jìn)而影響器官功能。因此，癌癥的早期發(fā)現(xiàn)、正確診斷和治療一直是一個關(guān)鍵問題[1]。

光敏劑(Photosensitizer，PS)是一種能被特定波長的光照射激發(fā)的物質(zhì)，同時也是光動力療法(Photodynamic therapy，PDT)的核心藥物,被激發(fā)光照射后產(chǎn)生具有細(xì)胞毒性的活性氧，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡以殺死癌細(xì)胞[2]。光敏劑被激發(fā)光照射時，核外電子由基態(tài)躍遷到激發(fā)單線態(tài)再恢復(fù)到基態(tài)，此過程釋放的能量會以光(熒光)的形式釋放，因此光敏劑具有熒光成像診斷的潛力[3-4]。與常規(guī)的癌癥診斷手段如計算機(jī)斷層掃描、磁共振成像、內(nèi)腔鏡相比，光敏劑作為癌癥的新型診療手段具有低耐藥性和微創(chuàng)性等優(yōu)點(diǎn)，因此在腫瘤診療中備受關(guān)注[5-6]。

1 納米載體的優(yōu)勢

光敏劑多是芳香共軛結(jié)構(gòu)的疏水分子，存在易聚集、熒光內(nèi)淬滅和溶解度差的問題[7]。為了改善光敏劑的上述缺陷，研究者們提出了構(gòu)建負(fù)載光敏劑的納米診療載體的思路，這主要?dú)w因于腫瘤組織的血管系統(tǒng)與正常組織的差異[8]。正常組織中的血管內(nèi)皮間隙致密、結(jié)構(gòu)完整；腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞形狀不規(guī)則、結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滲漏或缺損，血管壁間隙較寬(通常在200 nm到1.2 μm之間)[8]。這造成了大分子類物質(zhì)和脂質(zhì)顆粒具有高選擇性、高通透性和滯留性，也為粒徑小于200 nm的物質(zhì)進(jìn)入腫瘤組織提供了可能性[9]。這種現(xiàn)象被稱作高滲透長滯留效應(yīng)(Enhanced permeability and retention effect，EPR)。

納米載體在血液循環(huán)系統(tǒng)中停留時間較長，能有效地遞送被負(fù)載藥物到達(dá)目標(biāo)位置，以減少不良影響，同時因EPR效應(yīng)，促進(jìn)了目標(biāo)細(xì)胞對納米載體攝取[10]。光敏劑被負(fù)載在納米載體后，不僅能改善光敏劑的缺陷，而且促使光敏劑更好地進(jìn)入腫瘤細(xì)胞，延長了體內(nèi)滯留時間，提高了治療效果[11]。

2 納米診療載體的類型

2.1 微環(huán)境響應(yīng)型載體

腫瘤細(xì)胞在生長和轉(zhuǎn)移的過程中，周圍血管組織無法承擔(dān)腫瘤生長所需氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)[12]，同時缺氧誘導(dǎo)因子產(chǎn)生低氧反應(yīng)，導(dǎo)致腫瘤組織呈現(xiàn)低氧狀態(tài)[13]；不僅如此，缺氧誘導(dǎo)因子還誘導(dǎo)了腫瘤細(xì)胞代謝從氧化磷酸化到有氧糖酵解的改變[14]，這種代謝轉(zhuǎn)換導(dǎo)致乳酸向血管外部分泌，呈現(xiàn)微酸性[15]。這一特性被稱作腫瘤微環(huán)境。利用腫瘤組織的這一特性，研究人員開展了微環(huán)境響應(yīng)型載體的研究和開發(fā)。

2019年P(guān)AN等[16]制備了pH響應(yīng)型納米膠束。首先，研究人員合成了光敏劑BODIPY衍生物NHS-BODIPY-Br2，如圖1所示，通過連接重原子來改善了系間竄越能力[17]，并提高活性氧的產(chǎn)率，且在近紅外激發(fā)光的照射下產(chǎn)生熒光。光敏劑與酸敏多肽偶聯(lián)，之后自組裝得到了用于近紅外激發(fā)的納米膠束。自組裝的膠束被腫瘤組織攝取，受酸性環(huán)境去膠束化形成單分子鏈，這在一定程度上避免了光敏劑的聚集。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，光敏劑的熒光信號在癌細(xì)胞內(nèi)顯著增強(qiáng)，說明該納米膠束具有良好的細(xì)胞攝取率，有效地避免藥物在血液循環(huán)中的滲漏。因而，為了最大程度發(fā)揮光敏劑的診療特性，合成偶聯(lián)酸敏感多肽的光敏劑這一思路，是改善光敏劑的熒光自淬滅缺陷的極佳選擇。

圖1 納米膠束的合成制備和機(jī)制示意圖Fig.1 Schematic diagram of the synthesis and mechanism of nanomicelles

為了改善傳統(tǒng)癌癥診斷手段的局限性，2017年FENG等[18]開發(fā)了一種的具有微環(huán)境響應(yīng)和磁共振成像功能的納米診療載體。該課題組合成了兩親嵌段聚合物PCL45-b-PAEP35-Cya/DTPA，如圖2所示，將光敏劑二氫卟吩e6 (Chlorin e6，Ce6)和磁共振成像金屬Gd3+包封于內(nèi)。隨后，通過靜電相互作用，將合成的酸響應(yīng)型嵌段聚合物PPC-DA(如圖2所示)引入到載體表面，完成了制備。納米診療載體作為一個“開關(guān)結(jié)構(gòu)”，只對腫瘤的酸性環(huán)境做出響應(yīng)，因此Ce6可以穩(wěn)定存在正常組織血液系統(tǒng)中。結(jié)果顯示，載體在腫瘤組織中聚集后，因響應(yīng)腫瘤酸性環(huán)境導(dǎo)致納米載體分解，Ce6和Gd3+釋放。隨著細(xì)胞對Ce6和Gd3+攝取量增加，MR信號強(qiáng)度增大，熒光強(qiáng)度和PDT效果增強(qiáng)。該課題組的研究結(jié)合了傳統(tǒng)磁共振成像診斷，使得傳統(tǒng)診斷方法更為準(zhǔn)確。因此，PDT與傳統(tǒng)癌癥診斷結(jié)合的思路在癌癥診療中有著巨大潛力。

圖2 (A)響應(yīng)納米顆粒制備示意圖(B)納米顆粒治療原理圖；化合物1為PCL45-b-PAEP35-Cya/DTPA化合物2為PPC-DAFig.2 (A)Schematic diagram of response nanoparticle preparation(B)Schematic diagram of nanoparticle therapy；Compound 1 is PCL45-b-PAEP35-Cya/DTPA,compound 2 is PPC-DA

研究表明，癌癥與炎癥有著密不可分的關(guān)系[19]。針對這一特性，SADEGHI等[20]制備了可對腫瘤組織中過氧化氫成像納米脂質(zhì)體，利用脂質(zhì)體的親脂性提高藥物的生物利用度[21]。如圖3所示，納米脂質(zhì)載體由雙(2，4，6-三氯苯基)草酸鹽(Bis (2, 4, 6-trichlorophenyl)oxalate，TCPO)和疏水性光敏劑姜黃素組成。TCPO與H2O2反應(yīng)形成高能中間體，中間體分解后釋放能量激發(fā)姜黃素使其發(fā)出熒光。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，納米脂質(zhì)體對癌細(xì)胞中H2O2作出響應(yīng)，產(chǎn)生熒光，同時說明脂質(zhì)體具有較高的細(xì)胞攝取率和較高的生物利用度。通過活性氧指示劑，證實(shí)了姜黃素被激發(fā)產(chǎn)生了對細(xì)胞具有殺傷力的活性氧。總的來說，該研究在改善光敏劑PDT效能上做出了創(chuàng)新，使得氧依賴型PDT的光敏劑療效得到了較大的提高，因此對治療氧化應(yīng)激下產(chǎn)生的疾病[22-23]和腫瘤的診療具有重要意義。

圖3 過氧草酸鹽-姜黃素化學(xué)發(fā)光脂質(zhì)體的示意圖Fig.3 Schematic diagram of peroxyoxalate-curcumin chemiluminescent liposomes

2.2 靶向型載體

癌細(xì)胞或腫瘤上皮細(xì)胞表達(dá)了多種特異性分子，包括肽(例如精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸肽和表皮生長因子)[24-25]、蛋白質(zhì)(例如轉(zhuǎn)鐵蛋白和抗體)[26-27]、維生素(例如葉酸和生物素)[28-29]等。這些特異性分子與腫瘤細(xì)胞的生命活動(如營養(yǎng)物質(zhì)的攝取)密切相關(guān)。利用這一特殊性質(zhì)，研究人員開展了靶向型載體的研究和開發(fā)。

醌氧化還原酶NQO1是許多類型的腫瘤中所表達(dá)的酶之一。針對這一特異性酶，2020年YAO等[30]報道了NQO1酶響應(yīng)囊泡的制備。NQO1響應(yīng)聚合物囊泡是通過兩親性共聚物的自組裝制備的，如圖4所示，兩親性在疏水區(qū)有香豆素、尼羅藍(lán)光敏劑。由于光敏劑聚集引起的淬滅和光致電子轉(zhuǎn)移淬滅效應(yīng)，光敏劑的熒光發(fā)射處于被抑制狀態(tài)。囊泡被癌細(xì)胞內(nèi)化后，在NQO1酶的作用下，觸發(fā)疏水區(qū)化學(xué)鍵的斷裂同時光敏劑釋放。經(jīng)近紅外激發(fā)光照射后激活光敏劑，產(chǎn)生熒光和PDT效應(yīng)。為了探究酶響應(yīng)囊泡在體內(nèi)外的激活情況，將釓修飾在囊泡中。結(jié)果顯示，釓的核磁信號由進(jìn)入機(jī)體和細(xì)胞前的微弱到進(jìn)入后的增強(qiáng)，說明了囊泡完成了分解釋藥的這一過程?？偟膩碚f，NQO1酶響應(yīng)囊泡是一個優(yōu)秀的載體，負(fù)載光敏劑的NQO1酶響應(yīng)囊泡具有近紅外光動力治療和成像的潛力。

圖4 NQO1酶響應(yīng)型聚合物囊泡的制備示意圖和治療，成像原理圖Fig.4 Schematic diagram of preparation and treatment of NQO1 enzyme-responsive polymer vesicles, imaging schematic diagram

KE108肽作為神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤靶向配體，可以有效結(jié)合腫瘤細(xì)胞的生長抑素受體。為此，CHEN等[31]開發(fā)了光敏劑與生長抑素受體相結(jié)合的腫瘤診療載體。如圖5所示，納米載體是由對光敏感的兩親性嵌段共聚物PNBMA-PEG組成，包封了光敏劑Rose Bengal和抗癌藥物組蛋白去乙?；敢种苿笠隟E108肽和上轉(zhuǎn)換納米粒子，完成了制備。通過KE108肽納米載體內(nèi)化到腫瘤細(xì)胞后，上轉(zhuǎn)換材料利用“Anti-Stokes”原理[32]，將近紅外激發(fā)光轉(zhuǎn)換成激發(fā)光敏劑的激發(fā)光，光敏劑被激發(fā)產(chǎn)生熒光和PDT效應(yīng)，同時經(jīng)上轉(zhuǎn)換納米粒子轉(zhuǎn)換后的激發(fā)光還可光降解膠束的疏水段PNBMA，從而使藥物釋放，實(shí)現(xiàn)了藥物的可控釋放。結(jié)果顯示，引入KE108肽能夠顯著增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞攝取。近紅外光誘導(dǎo)藥物在腫瘤部位的快速釋放，并產(chǎn)生了PDT效應(yīng)；并且與單一化療藥物的對比實(shí)驗(yàn)說明了該納米診療載體降低了藥物的全身毒性。因此，這種獨(dú)特的納米釋藥載體系統(tǒng)有望成為近紅外腫瘤診療的優(yōu)異手段。

圖5 (A)UCNPs膠束的治療示意圖和熒光成像(B)近紅外引導(dǎo)疏水到親水的轉(zhuǎn)變 (C)近紅外控制的聯(lián)合療法示意圖和熒光成像Fig.5 (A) Schematic diagram of treatment and fluorescence imaging of UCNPs micelles (B) Near infrared guides the transition from hydrophobic to hydrophilic (C) Schematic diagram of near-infrared controlled combination therapy and fluorescence imaging

病毒粒子(病毒體)是平均直徑約為150 nm的球形單層囊泡。它們由重組的病毒包膜組成，沒有源病毒的遺傳物質(zhì)，可以作為靶蛋白的天然靶向載體[33]。具有中性磷脂雙分子層的病毒體可用作為藥物載體，它們通過血凝素附著于靶細(xì)胞[34]，隨后，病毒體被細(xì)胞內(nèi)吞吸收。為此，LOW等[35]制備了一種基于病毒體的診療載體用于包載光敏劑Ce6。該載體上有表皮生長因子受體(Epidermal growth factor receptor，EGFR)的配體，因此可特異性識別口咽部鱗狀細(xì)胞癌(Oral squamous cell carcinoma，OSCC)表達(dá)的EGFR受體。該研究進(jìn)行了體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)，評估了OSCC細(xì)胞中的細(xì)胞攝取率、熒光成像效果和光動力效應(yīng)。結(jié)果顯示，與游離Ce6相比，被載體包封后的Ce6能更好地被OSCC細(xì)胞攝取，說明了該載體的腫瘤特異性；OSCC細(xì)胞中Ce6高于正常細(xì)胞，表明載體可成功靶向OSCC細(xì)胞，正常細(xì)胞與癌細(xì)胞的熒光成像對比結(jié)果突顯了其優(yōu)秀的成像診斷潛力。這項(xiàng)研究展示了病毒粒子作為載體的優(yōu)越性，為Ce6相關(guān)納米制劑的研究做出了貢獻(xiàn)。

2.3 改善熒光淬滅型載體

光敏劑存在易聚集性，導(dǎo)致了熒光內(nèi)淬滅的問題。如何改善這一問題，提高光敏劑熒光量子產(chǎn)率，是一個值得去思考的問題。為此，研究人員開展了改善熒光淬滅型載體的研究和開發(fā)。

2020年LIN等[36]提出了脂質(zhì)體可改善光敏劑熒光內(nèi)淬滅的理論。課題組制備了葉酸偶聯(lián)的脂質(zhì)載體，該脂質(zhì)體用于包封光敏劑鋅酞菁衍生物PcN。如圖6所示，以二棕櫚酰磷脂酰膽堿，膽固醇，葉酸修飾的二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇為材料，采用薄膜分散法制備了脂質(zhì)載體并負(fù)載PcN，對包封率載藥量、光學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行了考察。體外熒光成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，制備的葉酸偶聯(lián)脂質(zhì)載體具有對腫瘤細(xì)胞的靶向性；同時，光學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了脂質(zhì)體可改善光敏劑的聚集性，不僅提高了光敏劑的熒光強(qiáng)度和熒光量子產(chǎn)率，也保證了在水溶液中的光活性，進(jìn)而提高了光敏劑熒光成像診斷的效果。小鼠實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對腫瘤抑制率高達(dá)98%。因此，該研究不僅證實(shí)了脂質(zhì)體可改善光敏劑內(nèi)淬滅的缺陷，且有望成為腫瘤診斷和靶向PDT重要手段。

圖6 PcN@lip-FA的制備Fig.6 Preparation of PcN@lip-FA

金屬-有機(jī)骨架(Metal Organic Framework，MOF)是由金屬離子或金屬氧化物與有機(jī)配體在合適的溶劑中配位而成。它們具有許多優(yōu)點(diǎn)，如高比表面積、易于修飾等[37]。為此，DING等[38]報道了以2-甲基咪唑，乙酸鋅為MOF原料，細(xì)胞色素C(Cytochrome C)作為過氧化氫催化劑，和透明質(zhì)酸共同制備了MOF納米診療載體，并負(fù)載Ce6。通過對光學(xué)性質(zhì)，體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)等的探究，來證實(shí)載體的診療效果。光學(xué)性質(zhì)結(jié)果顯示MOF的包封使得Ce6聚集問題得到了良好改善，并且在酸性水介質(zhì)中熒光強(qiáng)度比中性環(huán)境要強(qiáng)，說明該MOF載體是一種酸性響應(yīng)釋藥的載體。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該MOF響應(yīng)酸性微環(huán)境后解體釋放Ce6，并且細(xì)胞色素C通過分解過氧化氫產(chǎn)生氧氣，改善了腫瘤缺氧環(huán)境，提高了Ce6的PDT的效應(yīng)。因而可以看出，利用pH響應(yīng)MOF負(fù)載藥物思路，為改善光敏劑缺陷，是一種具有前途的治療策略，為制備高效PDT納米診療載體提供了參考。

2017年DUO等[39]提出了聚集誘導(dǎo)發(fā)光(Aggregation-Induced Emission, AIE) 與化學(xué)發(fā)光相結(jié)合的診療理念，規(guī)避了常規(guī)光敏劑的聚集淬滅問題。首先，合成了聚集誘導(dǎo)發(fā)光的光敏劑TBD，如圖7所示，以泊洛沙姆407為納米膠束材料，Soybean oil為化學(xué)發(fā)光延遲劑，制備了包封TBD的化學(xué)發(fā)光膠束，并進(jìn)行化學(xué)發(fā)光性能和體內(nèi)外PDT的考察。光學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該TBD具有優(yōu)秀的化學(xué)發(fā)光性能，能被過氧化氫-草酸酯體系所激發(fā)。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該納米膠束具有優(yōu)秀的腫瘤抑制效果，并且小鼠腫瘤轉(zhuǎn)移模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了該化學(xué)發(fā)光膠束能夠精準(zhǔn)定位轉(zhuǎn)移后的腫瘤細(xì)胞和組織。綜上所述，該課題組研究成果不僅改善了常規(guī)光敏劑的聚集熒光淬滅問題，并且在腫瘤轉(zhuǎn)移診斷上做出了巨大突破，為影像引導(dǎo)腫瘤治療提供了一種新的策略。

圖7 C-TBD納米粒的制備Fig.7 The preparation of C-TBD NPs

3 總結(jié)與展望

本文介紹了近5年基于光敏劑的腫瘤微環(huán)境響應(yīng)型、靶向型、改善熒光淬滅型的納米診療載體的研究成果。它們的優(yōu)點(diǎn)為：1) 通過納米載體的包封負(fù)載或合成新的光敏劑，改善了光敏劑疏水性、易聚集性、熒光淬滅的缺點(diǎn)；2) 響應(yīng)腫瘤微環(huán)境并釋放藥物，達(dá)到提高PDT和成像診斷效果的目的；3) 可靶向腫瘤細(xì)胞，通過與靶點(diǎn)結(jié)合將光敏劑內(nèi)化到細(xì)胞，達(dá)到精準(zhǔn)成像診斷和治療的目的。這些納米診療載體優(yōu)勢促使光敏劑具備了優(yōu)秀的診療潛力，但目前仍然缺少臨床實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給予證明。堅信隨著光敏劑和納米材料等其他學(xué)科的融合與發(fā)展，光敏劑或?qū)⒊袚?dān)癌癥診療的重要角色。