趙 旭， 趙凱超， 劉茄琳， 劉雨詩， 嚴秀平,

(1.江南大學食品科學與技術(shù)國家重點實驗室，江蘇無錫 214122； 2.江南大學國際食品安全聯(lián)合實驗室，江蘇無錫 214122； 3.江南大學食品學院，分析食品安全學研究所，江蘇無錫 214122； 4.江南大學化學與材料工程學院，江蘇無錫 214122)

1 引言

光動力治療(Photodynamic Therapy，PDT)是一種溫和、局部和相對安全的治療模式，在癌癥精準治療方面展現(xiàn)了獨特優(yōu)勢[1 - 3]。自1972年Diamond發(fā)現(xiàn)卟啉光敏活性可以殺死腫瘤細胞以來，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的三個核心要素。然而，現(xiàn)有光敏劑分子的激發(fā)波長大多處于紫外或可見光區(qū)，生物組織對該波長范圍內(nèi)光的強吸收與散射使得該類光敏劑難以實現(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，對鄰近正常組織的非特異性損傷亦無法避免[9 - 10]。此外，傳統(tǒng)光動力治療大多依賴于外光源的持續(xù)照射來激活光敏劑產(chǎn)生ROS等，易引發(fā)光毒性和組織損傷[7,9 - 10]。由于腫瘤生長快速，其血管組織發(fā)育不全，導致實體腫瘤所處微環(huán)境呈乏氧狀態(tài)(氧分壓<5 mmHg)[11]，不充足的氧氣補給勢必會降低PDT效率。腫瘤細胞內(nèi)高濃度的還原型谷胱甘肽(Glutathione，GSH)(>10 mmol·L-1)也會消耗PDT產(chǎn)生的ROS等，亦會影響PDT效率[12]。因此，尋求高效可行的方法解決上述問題，對推動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，綜述近年來發(fā)展的各類新型光動力治療體系，以及它們在腫瘤精準治療中的研究進展。

2 光敏劑

傳統(tǒng)的光敏劑大多為有機小分子類，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]利用腫瘤細胞所處微環(huán)境具有弱酸性這一特性，設(shè)計并合成了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下無光敏活性，當其被腫瘤細胞內(nèi)吞進入溶酶體后，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，進而殺傷癌細胞。隨后，Tang等[15]同樣以二乙胺基苯基為pH識別基團，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)境是溶酶體這一細胞器所固有的，并非癌細胞的特有屬性，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復合光敏劑。該納米光敏劑不同于經(jīng)典無機納米光敏劑TiO2，可被650 nm光激發(fā)，發(fā)揮PDT抗腫瘤活性。此外，Wang等[17]通過簡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)，腫瘤細胞的凋亡率可高達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過表達等特性對PDT的影響并未消除。如何設(shè)計制備性能更加優(yōu)異的新型光敏劑，進一步提升其治療效率，仍是亟待解決的問題。

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，還可將腫瘤細胞內(nèi)的GSH氧化為氧化型谷胱甘肽(GSSG)，使得腫瘤細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)計合成了一個末端含有二硫聯(lián)吡啶的新型鋅酞菁類光敏劑(ZnPc-DTP)，并通過分子間π-π相互作用進一步形成納米光敏劑(ZnPc-DTP NPs)，此時光動力效率較低。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，進入腫瘤細胞后，二硫鍵與腫瘤細胞中過表達的GSH反應(yīng)，將腫瘤細胞中的GSH氧化為GSSG，降低GSH的濃度，進而減弱其對PDT效率的影響。同時，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，進而實現(xiàn)了腫瘤細胞內(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)，生物組織對該波長范圍內(nèi)光的強吸收與散射使得該類光敏劑難以實現(xiàn)深層組織的有效治療[6 - 8]。隨著材料科學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)，在一定程度上彌補了這一不足，推動了光動力治療的發(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)自組裝制得復合納米材料。到達腫瘤微環(huán)境所處弱酸性環(huán)境后，復合材料解聚，使得原聚集淬滅的Ce6恢復活性，實現(xiàn)了980 nm 激光激發(fā)的PDT。Chen[21]等將光敏劑亞甲基藍(MB)與金納米棒(AuNR)修飾的UCNPs(NaYF4∶Yb/Er)結(jié)合，進一步修飾靶向配體葉酸(FA)，構(gòu)建了UCNP@SiO2∶MB-AuNRs-FA復合材料。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，但治療過程需外界激發(fā)長時間連續(xù)照射引起的光毒性和組織損傷等問題不可避免，限制了光動力治療的進一步發(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推動PDT的發(fā)展具有重要意義。

長余輝納米材料(Persistent Luminescence Nanoparticles,PLNPs)是一種新興的光學材料，可在激發(fā)停止后持續(xù)長時間發(fā)光[7,22 - 23]。尤其是近來研發(fā)的Cr3+摻雜鎵酸鋅和鎵鍺酸鋅等近紅外PLNPs，其發(fā)射波長處于“生物光學窗口”內(nèi)，且近紅外光能夠重復激發(fā)其余輝。這種獨特的免連續(xù)激發(fā)、長時間近紅外磷光發(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)勢外[23 - 24]，在免外光源連續(xù)激發(fā)的光動力治療方面亦嶄露頭角[7,25 - 27]。本課題組[7]將長余輝發(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)計了一種新型808 nm近紅外光激勵性近紅外發(fā)光PLNPs(ZGGO∶Cr3+) 作為PDT的內(nèi)光源，并將光敏劑硅酞菁(Si-Pc)化學鍵合在其表面，利用PLNPs的近紅外余輝來激活其表面的Si-Pc，持續(xù)產(chǎn)生ROS殺死癌細胞，獲得了很好的治療效果。此外，為進一步改善長余輝納米材料的光學性能和可控形貌，我們系統(tǒng)研究了影響長余輝發(fā)光的關(guān)鍵因素，發(fā)展了表面活性劑輔助水熱/短時間高溫煅燒/煅燒后水熱再處理方法，成功制備了三元素摻雜的小尺寸單分散超PLNPs(ZGGO∶Cr3+,Yb3+,Er3+)[28]。在此基礎(chǔ)上進一步發(fā)展了仿生多功能長余輝納米平臺及其轉(zhuǎn)移瘤成像和光動力學/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，為增強材料的治療效率，在所得材料表面進一步生長介孔硅用以包載化學治療藥物DOX，隨后用腫瘤細胞細胞膜包裹以防止藥物泄露并賦予材料腫瘤主動靶向識別能力。在無外光源連續(xù)激發(fā)下，復合材料對腫瘤細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對腫瘤部位照射進行照射(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的余輝強度以及生理環(huán)境等因素對余輝發(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、長時間發(fā)射的新型長余輝材料仍有待開發(fā)。

圖3 DSPLNPs@hSiO2@CCM用于轉(zhuǎn)移瘤成像和光動力學/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。實體腫瘤組織部位的乏氧微環(huán)境勢必會會降低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，進而提升PDT效率[29 - 31]。如與光熱治療(Photothermal Therapy，PTT)合用，通過升溫加快腫瘤部位血流速度增加氧氣供給；共載攜氧劑，實現(xiàn)腫瘤組織部位氧氣自補給；催化腫瘤細胞內(nèi)高濃度的H2O2分解釋放氧氣等。

圖4 HAOP NP用于乏氧腫瘤細胞的高效光動力治療示意圖[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，得到了相互增強的治療效果。Luo等[30]選用近紅外熒光探針I(yè)R808作為光動力治療劑，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，復合材料的聯(lián)合治療效果優(yōu)于單獨使用NGO時產(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PDT/PTT相結(jié)合可實現(xiàn)相互增強的治療效果，但這種基于兩類不同材料實現(xiàn)的光熱/光動力聯(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)分布和對靶向區(qū)域的選擇并不完全相同，因此很難實現(xiàn)真正的精準的聯(lián)合治療；亦或需要兩種波長的激發(fā)光刺激，延長了治療時間，增加了副作用及操作難度。因此，發(fā)展兼光熱及光動力兩種功能于一體的新興治療劑將更有利于實現(xiàn)腫瘤精準治療。

Chen等[31]將亞甲基藍(MB)與過氧化氫酶同時包覆于聚合物納米粒內(nèi)部，并引入腫瘤靶向肽(RGDfK)以增強復合材料的腫瘤靶向識別及富集能力。所得復合藥物HAOP NP進入腫瘤細胞后，過氧化氫酶催化細胞內(nèi)高濃度H2O2分解產(chǎn)生氧氣，為PDT供氧，實現(xiàn)了乏氧實體腫瘤的高效治療(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、黑磷/氧化錳復合材料等。

5 結(jié)語

如何實現(xiàn)癌癥的早期精準診斷及高效的個性化治療，是當前醫(yī)學和生命分析化學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治療的需求。光動力治療的出現(xiàn)為腫瘤精準治療提供了新希望?，F(xiàn)有研究也證實了光動力治療無論是在體外細胞層面還是體內(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，光動力治療在腫瘤精準治療領(lǐng)域仍處于起步階段，構(gòu)建生物安全性好、腫瘤主動靶向能力強、治療效率高、毒副作用小的新型光動力治療體系，推動PDT的進一步發(fā)展及臨床轉(zhuǎn)化是該領(lǐng)域未來研究的主要方向。