楊宇鑫，趙學(xué)澤，樊江莉，2，彭孝軍

（1 大連理工大學(xué)精細(xì)化工國家重點實驗室，遼寧大連116024； 2 大連理工大學(xué)寧波研究院，浙江寧波315016）

引 言

光動力治療是一種基于光子誘發(fā)光敏劑產(chǎn)生活性氧的新型癌癥治療方法[1]。治療過程如下：首先給患者局部或靜脈注射光敏劑，經(jīng)過一段時間后光敏劑在腫瘤組織中富集。然后使用特定波長的光照射腫瘤部位，光敏劑能夠吸收光子產(chǎn)生大量的活性氧物種?；钚匝跷锓N攻擊細(xì)胞，使生物分子和細(xì)胞發(fā)生形態(tài)或功能上的異變，造成直接的細(xì)胞損傷來致死細(xì)胞，從而殺死癌細(xì)胞并抑制其生長[2-4]。

傳統(tǒng)的光敏劑對正常組織和腫瘤組織的區(qū)分能力有限，在殺傷腫瘤細(xì)胞的同時會對正常組織造成毒副作用[5]。當(dāng)前光動力治療研究的熱點領(lǐng)域之一是如何進一步提高光敏劑的腫瘤靶向性[6-7]。構(gòu)建靶標(biāo)型光敏劑和可激活光敏劑是提高光敏劑腫瘤靶向性的有效策略。靶標(biāo)型光敏劑是將光敏劑分子共價連接靶標(biāo)基團，通過靶標(biāo)基團特異性識別癌細(xì)胞，提高光敏劑的靶向能力。而可激活光敏劑能夠被腫瘤微環(huán)境內(nèi)特定的靶向因子激活，特異性識別并殺傷腫瘤組織。本文分別介紹了靶標(biāo)型光敏劑和可激活光敏劑的研究進展，并對未來光動力治療面臨的挑戰(zhàn)進行了展望。

1 光動力治療的原理

光動力治療(photodynamic therapy, PDT)是一種使用光敏劑(photosensitizer,PS)進行預(yù)處理，并在腫瘤區(qū)域使用激發(fā)光源照射，產(chǎn)生活性氧物種(reactive oxygen species, ROS)以破壞癌細(xì)胞的腫瘤治療方法[8]。在特定波長的光源照射下，光敏劑會吸收光子，從基態(tài)(S0)躍遷到單重激發(fā)態(tài)(S1)[9]。激發(fā)態(tài)的分子極其不穩(wěn)定，它可通過非輻射躍遷回到基態(tài)，放出熱量；或通過輻射躍遷回到基態(tài)，發(fā)出熒光；也可以通過系間竄越(intersystem crossing,ISC)到達壽命相對較長的三重激發(fā)態(tài)(T1)。T1態(tài)光敏劑的兩種失活途徑對應(yīng)了光動力治療的兩種機理（圖1）。

一種是Ⅰ型反應(yīng)機理：光敏劑在細(xì)胞微環(huán)境中和生物分子發(fā)生電子或質(zhì)子轉(zhuǎn)移，形成自由基。自由基與氧氣發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，生成超氧陰離子自由基(O2-?)，最終通過歧化作用或者單電子還原過程生成具有生物毒性的羥基自由基(OH?)，導(dǎo)致細(xì)胞氧化性損傷[11-12]。另一種是Ⅱ型反應(yīng)機理：三重激發(fā)態(tài)的光敏劑與基態(tài)氧(3O2)發(fā)生直接能量轉(zhuǎn)移，生成毒性極強的單線態(tài)氧(1O2)，從而導(dǎo)致癌細(xì)胞凋亡或壞死[13]。Ⅱ型機理的光敏劑在治療過程中高度依賴氧氣濃度，并且會消耗大量的氧氣，加劇腫瘤乏氧程度。而研究表明，一些Ⅰ型PDT 即使在乏氧環(huán)境下也能表現(xiàn)出有效的治療效果[14]。對于兩種機理的光敏劑來說，活性氧量子產(chǎn)率都是決定光動力治療效果的重要因素之一。

相比于手術(shù)切除、放療、化療等傳統(tǒng)的癌癥治療方法，光動力治療具有微創(chuàng)、極低的耐藥性、低副作用和時空選擇性高等優(yōu)點。

2 光敏劑

光動力治療的三大要素是激發(fā)光、氧氣和光敏劑。其中，光敏劑是光動力治療中最為關(guān)鍵的因素。

卟啉類光敏劑是光動力治療中的第一代光敏劑。早在1975 年，血卟啉衍生物（HpD）就已成功用于光動力治療。Photofrin[15]——從HpD 分離的卟啉二聚體和低聚物的混合物，已被批準(zhǔn)用于淺層腫瘤的治療。但是，該類光敏劑存在化學(xué)純度低、組織穿透深度低、毒副作用大等缺點[16]。第二代光敏劑以酞菁類化合物、卟吩及其衍生物、竹紅菌素等為代表[17-19]。第二代光敏劑具有更高的化學(xué)純度，最大吸收波長紅移至600～800 nm 范圍內(nèi)，可用于相對深層腫瘤的治療[10]。

圖1 光動力治療的機理示意圖[10]Fig.1 Schematic illustration of the mechanism of photodynamic therapy[10]

但是，傳統(tǒng)的光敏劑對腫瘤的選擇性有限，在光輻射條件下發(fā)揮光療作用的同時，也會對周圍的正常組織產(chǎn)生光毒性，嚴(yán)重限制了光動力治療的臨床應(yīng)用。提高光敏劑的腫瘤靶向性以實現(xiàn)對腫瘤組織的特異性診斷與治療，具有重要的意義。因此，目前正在發(fā)展的第三代光敏劑是在第二代光敏劑的基礎(chǔ)上，將光敏劑與靶標(biāo)基團共價連接，或者將光敏劑包載在納米載體中，以提高光敏劑的腫瘤組織靶向性[20]。

理想的光敏劑應(yīng)具有以下特征：（1）極低的暗毒性和高的光毒性；（2）在長波長處具有大摩爾消光系數(shù)；（3）對腫瘤組織具有高選擇性；（4）優(yōu)良的兩親性。表1介紹了目前常用的幾種光敏劑母體。

表1 常用光敏劑母體簡介Table 1 Introduction of commonly used fluorophores as photosensitizers

3 靶標(biāo)型光敏劑

靶標(biāo)型光敏劑是將光敏劑分子共價連接腫瘤靶標(biāo)基團（如單克隆抗體[12]、多肽[21]、糖類等），利用靶標(biāo)基團與癌細(xì)胞表面特異性受體結(jié)合靶向遞送光敏劑，實現(xiàn)光敏劑對癌細(xì)胞的殺傷高于對正常細(xì)胞的損害[22]。當(dāng)前研究常用的腫瘤靶標(biāo)基團有抗癌藥物、葉酸、生物素、核黃素等。下文從常用靶標(biāo)基團進行分類，介紹了目前靶標(biāo)型光敏劑的研究進展。

3.1 抗癌藥物靶向

近年來，研究者們開發(fā)了許多將臨床批準(zhǔn)的化療藥物引入分子結(jié)構(gòu)的光敏劑。將抗癌藥物作為靶標(biāo)基團與光敏劑共價連接，能夠在提高光敏劑腫瘤靶向能力的同時，實現(xiàn)一定的協(xié)同化療作用。

Xue 等[23]首次將鋅酞菁與化療藥埃羅替尼共價連接合成了光敏劑3a、3b[圖2(a)]。該類光敏劑以埃羅替尼作為靶向基團，實現(xiàn)了對表皮生長因子受體過表達癌細(xì)胞的選擇性光動力治療。其中，光敏劑3a 對HepG2（人源肝癌細(xì)胞）細(xì)胞的IC50（半抑制濃度）值為0.01 μmol/L。同時，埃羅替尼能夠改善光敏劑的兩親性和生物相容性。隨后，基于此思想，研究者們對抗癌藥物修飾的靶標(biāo)型光敏劑進行了廣泛的研究。

Jung 等[24]將抗血管生成抑制劑乙酰唑胺（AZ）作為靶標(biāo)基團，與傳統(tǒng)的BODIPY 類光敏劑BPS 共價連接，合成了光敏劑AZ-BPS[圖2(b)]。AZ-BPS的乙酰唑胺部分能夠靶向癌細(xì)胞中過表達的碳酸酐酶IX（CAIX），并對CAIX 產(chǎn)生抑制作用，進而抑制腫瘤血管的生成[25-26]，提高PDT 對乏氧腫瘤的治療效率；而BPS 部分在660 nm 波長的光激發(fā)下，能夠發(fā)出熒光并產(chǎn)生單線態(tài)氧，殺傷癌細(xì)胞?；铙w實驗表明，與單純的BPS 相比，AZ-BPS 對碳酸酐酶陽性腫瘤的選擇性得到了大幅提高，與各種血管生成因子相關(guān)的基因表達得以下調(diào)。但是，體外和體內(nèi)實驗中使用的光劑量（3600 J/cm2）遠(yuǎn)高于臨床使用標(biāo)準(zhǔn)。

在腫瘤細(xì)胞中，熱休克蛋白90（Hsp90）過量表達。藥物Ganetespib 能夠靶向Hsp90 并抑制其表達，從而有效抑制腫瘤細(xì)胞的增殖并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[27-29]，具 有 優(yōu) 秀 的 腫 瘤 選 擇 性。Huang 等[30]將Ganetespib 與鋅酞菁光敏劑ZnPc 共價連接，制備了光敏劑Gan-ZnPc[圖2(c)]。光敏劑Gan-ZnPc 能夠選擇性識別并結(jié)合癌細(xì)胞表面的Hsp90，從而在癌細(xì)胞中富集，并通過Hsp90 介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)化作用進入癌細(xì)胞，產(chǎn)生大量的活性氧殺傷腫瘤組織。在MCF-7（人源乳腺癌細(xì)胞）細(xì)胞體外實驗和帶有4T1（鼠源乳腺癌細(xì)胞）細(xì)胞異種移植物的小鼠活體實驗中，Gan-ZnPc均顯示出強大的腫瘤選擇性和抗腫瘤作用。

圖2 3a、3b、AZ-BPS、Gan-ZnPc和SORgenTAM的化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic illustration of the chemical structure of 3a,3b,AZ-BPS,Gan-ZnPc and SORgenTAM

目前報道的光動力治療系統(tǒng)大多數(shù)是通過高度依賴氧氣的Ⅱ型機理進行的[31]。但是，由于癌細(xì)胞的過度增殖和腫瘤中血液供應(yīng)不足，氧氣濃度隨實體瘤中的位置不同而變化，某些區(qū)域氧含量非常低[32]。此外，Ⅱ型光動力治療過程中會消耗氧氣，同時阻塞腫瘤血管，造成更嚴(yán)重的乏氧，不利于腫瘤的治療[33]。

抗雌激素藥物他莫昔芬（TAM）能夠通過影響線粒體電子傳輸來干擾細(xì)胞能量代謝過程，降低細(xì)胞內(nèi)源性O(shè)2消耗速率并下調(diào)HIF-1α 蛋白的表達，從而減輕腫瘤的固有低氧環(huán)境[34]。本課題組[35]將TAM 引入光敏劑分子結(jié)構(gòu)中，合成了一例基于Ⅰ型反應(yīng)機理的光敏劑SORgenTAM[圖2(d)]。實驗結(jié)果表明，即使在嚴(yán)重的乏氧環(huán)境下，SORgenTAM 也能降低內(nèi)源性O(shè)2消耗，并且利用節(jié)約的內(nèi)源性O(shè)2生成O2-?，啟動低氧氣依賴性的Ⅰ型PDT。在低氧環(huán)境下（2% O2），較低濃度的SORgenTAM（0.63 μmol/L）在低劑量光照下（660 nm，20 mW/cm2, 10 min）就能夠殺死約83%的癌細(xì)胞。

3.2 靶向癌細(xì)胞表面過量表達物

目前,利用癌癥表面特異性受體與化合物分子給體之間的特異性結(jié)合是實現(xiàn)光敏劑靶向遞送的主要方式[22]。

生物素受體在大多數(shù)腫瘤細(xì)胞表面是過表達的[36]。本課題組[37]將生物素作為靶標(biāo)基團引入光敏劑分子中，合成了能夠靶向生物素受體陽性腫瘤的光敏劑ENBS-B[圖3(a)]。實驗表明，即使在乏氧環(huán)境下（2%O2），ENBS-B 也能通過Ⅰ型反應(yīng)機理產(chǎn)生大量的O2-?，并通過超氧化物歧化酶（SOD）介導(dǎo)的級聯(lián)反應(yīng)將部分O2-?轉(zhuǎn)化為高生物毒性的OH?。這些自由基能夠協(xié)同破壞細(xì)胞內(nèi)溶酶體，從而觸發(fā)癌細(xì)胞凋亡，表現(xiàn)出強大的低氧PDT 效果。受益于生物素配體的靶向能力，ENBS-B 在癌細(xì)胞中的細(xì)胞攝取率比在正常細(xì)胞中高87倍。

隨后，本課題組[38]開發(fā)了另一例將生物素作為靶向配體的近紅外光敏劑Se-Biotin[圖3(b)]。Se-Biotin 能夠有效區(qū)分腫瘤細(xì)胞（MCF-7 細(xì)胞）和正常細(xì)胞，從而顯著降低對正常細(xì)胞的副作用。在660 nm波長的光源照射下，Se-Biotin在生物素受體陽性腫瘤中的IC50值低至85 nmol/L，表現(xiàn)出有效的抗癌效果。

圖3 ENBS-B、Se-Biotin、BTM和FL-RGD的化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic illustration of the chemical structure of ENBS-B,Se-Biotin,BTM and FL-RGD

甘露糖受體在多種癌細(xì)胞表面過表達。甘露糖修飾的光敏劑可通過甘露糖受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用內(nèi)化到癌細(xì)胞中?；诖怂枷?，Zhang等[39]合成了與甘露糖共價連接的BODIPY 類光敏劑BTM，然后將BTM 與Tween 80 共組裝為納米膠束BTM-NMs[圖3(c)]。BTM-NMs 能夠通過高通透性和滯留效應(yīng)（enhanced permeablity and retention effect，EPR）促進其在腫瘤部位的積累[40]。此外，將甘露糖連接在納米載體表面能夠增強BTM-NMs 的腫瘤靶向能力，減少其對正常細(xì)胞的副作用。BTM-NMs 通過甘露糖受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用選擇性內(nèi)化到MDA-MB-231（人源乳腺癌細(xì)胞）細(xì)胞后，在細(xì)胞溶酶體中分解為光敏劑BTM。使用12 μg/ml 的BTM-NMs 和光源（665 nm，20 mW/cm2，30 min）照射進行光動力治療后，癌細(xì)胞死亡率達到90%。

整聯(lián)蛋白αvβ3是一種異質(zhì)二聚體細(xì)胞表面受體，在多種癌細(xì)胞中過表達，但在大多數(shù)正常組織和血管中很少表達，它對腫瘤的生長、轉(zhuǎn)移和血管生成起重要作用。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸三肽（RGD）是整聯(lián)蛋白的識別序列，對整聯(lián)蛋白具有選擇性。Ranyuk 等[41]將鋅酞菁與RGD 偶聯(lián)，制備了ZnPc-RGD 偶聯(lián)物。該光敏劑表現(xiàn)出與整聯(lián)蛋白結(jié)合的特性，但光動力治療效果較差。

研究表明，多聚的RGD 更有利于其與整聯(lián)蛋白結(jié)合。因此，Liu 等[42]使用cycloRGD 修飾熒光素衍生物，制備了光敏劑FL-RGD[圖3(d)]。FL-RGD 可以靶向腫瘤組織并進一步定位腫瘤細(xì)胞的溶酶體。在光源（630 nm，40 mW/cm2，20 min）照射下，F(xiàn)LRGD 處理的整聯(lián)蛋白αvβ3陽性腫瘤的細(xì)胞凋亡率為46.6%。

3.3 結(jié)構(gòu)固有靶向

癌細(xì)胞膜表面通常呈較高負(fù)電性。當(dāng)光敏劑分子結(jié)構(gòu)中帶有正電荷時，光敏劑能夠通過靜電吸引作用靶向并進入癌細(xì)胞，增強光敏劑的腫瘤靶向能力[43-44]。

本課題組[45]報道了一種將羅丹明染料（RDM，λabs,max= 550 nm）作為能量供體，BODIPY 光敏劑（BDP，λabs,max=660 nm）作為能量受體的基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移（fluorescence resonance energy transfer,FRET）的光敏劑RDM-BDP[圖4(a)]。由于分子結(jié)構(gòu)中帶有正電荷，RDM-BDP 結(jié)構(gòu)固有靶向呈較高負(fù)電性的癌細(xì)胞膜，并且定位于線粒體。因此，RDMBDP 的腫瘤細(xì)胞攝取率比單純的BDP 高了13 倍。并且，RDM 的發(fā)射波長與BDP的吸收波長具有很大的重疊。因此，當(dāng)RDM 受到光激發(fā)后，其激發(fā)態(tài)能量能夠有效傳遞給BDP。相對于BDP 的窄光譜范圍而言，RDM-BDP 的吸收光譜得到明顯拓寬（500～700 nm），從而提高了RDM-BDP 的1O2產(chǎn)生效率。在660 nm 激發(fā)光照射下，RDM-BDP 的1O2產(chǎn)生效率與BDP 相當(dāng)。但是，在550 nm 激發(fā)光照射下，RDM-BDP 的IC50值僅為BDP 的1/81。經(jīng)400～700 nm 寬譜光源照射后，0.16 μmol/L 的RDM-BDP 對腫瘤細(xì)胞的殺傷率大于90%，而BDP 僅為20%，RDMBDP的光動力效果與BDP相比得到明顯提升。

隨后，本課題組[43]報道了一例用于減輕光動力治療氧氣依賴的I 型光敏劑ENBOS[圖4(b)]。通過FRET 過程，無光敏化性質(zhì)的能量供體（熒光團ENBO）將其自身光譜吸收性質(zhì)附加給能量受體（光敏劑ENBS），導(dǎo)致ENBOS在近紅外光區(qū)的吸收強度明顯加強，其O2-?量子產(chǎn)率得到提高。受益于ENBOS 凈帶兩個正電荷，它具有強大的癌細(xì)胞靶向能力。在靜脈注射48 h 后，ENBOS 的信噪比達到25.2。由于ENBOS 可通過Ⅰ型機理高效產(chǎn)生O2-?，ENBOS 能夠有效殺傷乏氧腫瘤細(xì)胞。在乏氧實體瘤治療實驗中，ENBOS 的腫瘤生長抑制（TGI）率高達84%。

圖4 RDM-BDP、ENBOS、ENBS和ENBO的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.4 The chemical structure of RDM-BDP,ENBOS,ENBS and ENBO

4 可激活型光敏劑

腫瘤組織具有不同于正常組織的微環(huán)境、酶和核酸等,例如：（1）腫瘤組織的細(xì)胞外pH（在6.0～6.8）通常低于正常組織（pH 為7.4 左右），呈微酸性[46-47]；（2）腫瘤組織中谷胱甘肽（GSH）濃度通常高于正常組織[48]；（3）腫瘤組織中某些酶活性異常，如過表達的堿性磷酸酶、硝基還原酶、偶氮還原酶和γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶等[49]。這些特異性是可激活型光敏劑識別癌細(xì)胞的刺激源。

可激活型光敏劑（activatable photosensitizers，aPSs）具備刺激響應(yīng)性質(zhì)，它能夠被特定的靶向因子激活以調(diào)控單線態(tài)氧的產(chǎn)生，選擇性識別并殺傷腫瘤組織。在正常組織中，即使在光照射下，可激活光敏劑也保持猝滅的光失活狀態(tài)，不會對正常細(xì)胞產(chǎn)生毒副作用。但是當(dāng)aPSs 轉(zhuǎn)運到靶組織后，靶向因子（如腫瘤微環(huán)境、酶、核酸等）將其選擇性激活，從而選擇性殺死腫瘤細(xì)胞[50]。開發(fā)近紅外光激發(fā)的、能夠徹底猝滅其基底活性氧的可激活型光敏劑是目前aPSs 的研發(fā)目標(biāo)。下文從可激活光敏劑的猝滅機理進行分類，介紹當(dāng)前的研究進展。

4.1 基于光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移猝滅

光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（photoinduced electron transfer,PET）過程能夠猝滅aPSs的激發(fā)態(tài)，從而猝滅其基底活性氧[51]。在腫瘤組織中，aPSs 的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（例如與H+結(jié)合發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng)，靶標(biāo)基團被靶標(biāo)分子切斷等），導(dǎo)致PET 過程被抑制，從而恢復(fù)aPSs的單線態(tài)氧產(chǎn)生和熒光發(fā)射。

Chen等[52]報道了一種將鋅酞菁ZnPc與2,4,6-三（N,N-二甲基氨基甲基）苯氧基（TAP）共價連接的pH 響應(yīng)型可激活光敏劑ZnPc(TAP)4[圖5(a)]。氨基通過PET 過程猝滅ZnPc(TAP)4在正常組織中的光活性。在生理pH 下，ZnPc(TAP)4無明顯的光毒性。當(dāng)緩沖介質(zhì)的pH 從7.4 降低至6.5 時，氨基發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng)，PET 過程被抑制，ZnPc(TAP)4的熒光強度和單線態(tài)氧產(chǎn)生效率均得到增強。在帶有4T1細(xì)胞的小鼠活體治療實驗中，ZnPc(TAP)4不僅消融了腫瘤細(xì)胞，還能對腫瘤部位進行熒光成像，實現(xiàn)診斷與治療一體化。

圖5 基于PET的可激活光敏劑猝滅機理示意圖Fig.5 Schematic illustration of quenching mechanism of PET-based activatable photosensitizer

Sun 等[53]利用帶有正電荷的三苯基膦作為線粒體靶向配體[54-55]，合成了谷胱甘肽與H2O2雙重響應(yīng)的可激活光敏劑mitoaPs[圖5(b)]。在正常組織中，mitoaPs 的光毒性被徹底猝滅。在腫瘤組織中，mitoaPs與H2O2和谷胱甘肽發(fā)生反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為具有光毒性的光敏劑。激活的光敏劑可通過Ⅰ型和Ⅱ型兩種反應(yīng)機理生成O2-?和1O2，減輕PDT 的氧氣依賴程度。無 論 在21% O2還 是1% O2條 件 下，使 用H2O2（50 μmol/L）和mitoaPs（10 μmol/L）處理Hela（宮頸癌細(xì)胞）細(xì)胞24 h 后，再用激發(fā)光（405 nm, 30 mW/cm2）照射5～6 min，癌細(xì)胞存活率都低于10%。

Radunz 等[56]報道了一種基于酚羥基調(diào)控的pH響應(yīng)型BODIPY類可激活光敏劑[圖5(c)]。在正常生理pH下，去質(zhì)子的酚羥基通過PET過程猝滅光敏劑的單線態(tài)氧和熒光的產(chǎn)生。在腫瘤組織的弱酸性條件下（pH =5.5），酚羥基發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng)，PET 過程被抑制，導(dǎo)致光敏劑的熒光恢復(fù)，產(chǎn)生單線態(tài)氧。將HeLa 細(xì)胞與0.1 μmol/L 的光敏劑共孵育24 h 后，使用532 nm 的激光二極管照射5 min，腫瘤細(xì)胞幾乎完全被殺死。但該BODIPY 類光敏劑的水溶性有待改善。

光敏劑的細(xì)胞攝取水平對光動力抗腫瘤效果有很大的影響[57]。Akkaya等[58]報道了一種GSH 響應(yīng)的BODIPY 類可激活光敏劑PS1[圖5(d)]。由于聚乙二醇鏈的引入，PS1 的細(xì)胞滲透性和水溶性得到了提高，從而提高了其細(xì)胞攝取水平。在正常組織中，2,4-二硝基苯磺酸基團通過PET 過程猝滅PS1的單線態(tài)氧和熒光的產(chǎn)生。在腫瘤組織中，過表達的GSH 將2,4-二硝基苯磺酸基團切斷，PS1 的光敏性得到恢復(fù)。細(xì)胞毒性實驗顯示，在625 nm 的紅光LED 照射下，PS1 對正常MRC-5（人胎肺成纖維細(xì)胞）細(xì)胞系沒有明顯的毒性，但對HCT116（結(jié)腸癌細(xì)胞）細(xì)胞系具有顯著的光毒性，IC50值僅為20 nmol/L。得益于其較高的細(xì)胞攝取水平，PS1 僅在低濃度下即可高效殺傷腫瘤細(xì)胞。

目前報道的pH 激活的光敏劑大多需要在pH ≤5.5 時才能發(fā)揮作用。然而，腫瘤組織細(xì)胞外pH 通常在6.0～6.8。因此，制備能夠在微酸性環(huán)境下被顯著激活的光敏劑具有重要意義。

4.2 基于抑制分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移猝滅

基于抑制分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（intramolecular charge transfer, ICT）的可激活光敏劑的調(diào)控機理如下：在正常組織中，aPSs 的ICT 過程被抑制。此時，激發(fā)態(tài)能量主要通過振動弛豫釋放，aPSs 的系間竄越過程被阻止，從而限制aPSs 在正常組織中的單線態(tài)氧產(chǎn)生能力，使其光毒性最小化[59-62]。而在腫瘤組織中，aPSs被特異性激活轉(zhuǎn)化為D-π-A結(jié)構(gòu)的光敏劑，ICT 過程恢復(fù)，從而恢復(fù)光敏劑的單線態(tài)氧產(chǎn)生和熒光發(fā)射。

Liu 等[63]通過雙硼酸酯鍵將抗癌藥5′-DFUR 和半菁光敏劑（NPS）共價連接，開發(fā)了一種H2O2響應(yīng)的近紅外前藥PNPS，用于近紅外熒光成像和化療協(xié)同光動力治療[圖6(a)]。在正常組織中，原光敏劑母體的羥基被苯硼酸基團取代，ICT 過程被抑制，從而降低PNPS 的光毒性。在腫瘤組織中，過表達的H2O2可破壞雙硼酸酯基團，釋放出光敏劑NPS 和化療藥5′-DFUR。在白光照射下，PNPS 對Hela 細(xì)胞的IC50值為9.32 μmol/L。然而，Hela 細(xì)胞存活率小于10%時所需要的PNPS 濃度高達30 μmol/L，治療效果較差，對正常組織的損傷很大。這可能是由于NPS中溴原子的取代位置不當(dāng)，重原子效應(yīng)弱，導(dǎo)致NPS的單線態(tài)氧量子產(chǎn)率較低。

本課題組[64]利用芐硝基干擾半菁染料的ICT 過程，合成了一種缺氧激活的近紅外可激活光敏劑ICy-N[圖6(b)]。ICy-N 的母體結(jié)構(gòu)與PNPS 相同。不同的是，通過將碘原子引入吲哚環(huán)，改善了ICy-N的系間竄越過程，從而提高了ICy-N 的單線態(tài)氧量子產(chǎn)率。由于引入了硝基還原酶識別基團（芐硝基），ICy-N 的ICT過程被抑制，大大降低了ICy-N 對正常組織的光毒性。傳統(tǒng)的菁染料斯托克斯位移較小[65]。但ICy-N 的最大吸收波長位于660 nm 處，最大發(fā)射波長位于710 nm 處，具有較大的斯托克斯位移。在腫瘤組織中，過表達的硝基還原酶將ICy-N 轉(zhuǎn)化為ICy-OH，ICT 過程恢復(fù)。在乏氧條件下（10% O2），經(jīng)光源（660 nm，12 mW/cm2）照射后，ICy-OH 可高效產(chǎn)生單線態(tài)氧殺傷腫瘤，IC50值僅為0.63 μmol/L。

圖6 PNPS、ICy-N、APN-CyI和ALPPS的猝滅機理示意圖Fig.6 Schematic illustration of the quenching method of PNPS,ICy-N,APN-CyI and ALPPS

隨后，本課題組[66]將氨基肽酶N（APN）響應(yīng)基團引入半菁染料CyI-OH中，制備了APN激活的近紅外可激活光敏劑APN-CyI[圖6(c)]。使用2 μmol/L 的APN-CyI 進行治療，在光源（660 nm，20 mW/cm2，20 min）照射下，癌細(xì)胞存活率僅為15%，而正常細(xì)胞存活率為70%，進一步降低了可激活光敏劑對正常組織的光毒性。

Zhai 等[67]開發(fā)了一種高效的長波長D-π-A 光敏劑PSSe-I，并使用磷酸酯基團將光敏劑PSSe-I磷酸化，制備了徹底猝滅型可激活光敏劑ALPPS[圖6(d)]。PSSe-I的pKa值為5.78，適用于生理pH 環(huán)境。ALPPS 的ICT 過程被抑制，導(dǎo)致ALPPS 在可見光處的吸收徹底消失，光活性被徹底抑制。在腫瘤組織中，過表達的堿性磷酸酶將磷酸酯基團切斷，ALPPS 轉(zhuǎn)化為PSSe-I，ICT 過程恢復(fù)，光活性得以恢復(fù)。PSSe-I的最大吸收波長位于616 nm 處。使用5 μmol/LALPPS 處理Hela 細(xì)胞并在氙氣燈（490～700 nm，10 mW/cm2，10 min）的照射下，Hela 細(xì)胞存活率小于13%。由于ALPPS的光活性被徹底猝滅，ALPPS對正常細(xì)胞的損傷極低，表現(xiàn)出徹底猝滅型可激活光敏劑的優(yōu)勢。

4.3 基于羅丹明衍生物分子內(nèi)螺環(huán)化猝滅

大部分的可激活光敏劑設(shè)計策略是通過光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移過程或者抑制分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)。然而，通過這兩種策略難以徹底猝滅可激活光敏劑的基底活性氧，而少量的活性氧足以對正常組織造成破壞。因此，如何徹底抑制可激活光敏劑在正常組織中的光毒性是研究的重點。羅丹明衍生物處于閉環(huán)狀態(tài)時無光活性，能夠?qū)崿F(xiàn)可激活光敏劑基底活性氧的徹底猝滅[68]。當(dāng)螺環(huán)一旦被打開，羅丹明即可恢復(fù)光活性。

Lv 等[69]報道了一種羅丹明類可激活光敏劑Se-NR-Az[圖7(a)]。Se-NR-Az 沒有光毒性，其基底活性氧能夠被徹底猝滅。當(dāng)Se-NR-Az 與外源性三苯基膦（TPP）發(fā)生Staudinger 反應(yīng)后[70-72]，Se-NR-Az 會轉(zhuǎn)化為具有光毒性的光敏劑Se-NR。將Hela 細(xì)胞與Se-NR-Az 和200 μmol/L 三苯基膦共孵育，并使用光源（610 nm，6 J/cm2）照射，Se-NR-Az 的IC50值僅為0.205 μmol/L。但是，Se-NR-Az 進行光動力治療時需要外加非細(xì)胞內(nèi)源性的三苯基膦，無法控制Se-NR-Az 在正常細(xì)胞中不與三苯基膦發(fā)生反應(yīng)轉(zhuǎn)化為Se-NR，腫瘤選擇性較差。

圖7 羅丹明類可激活光敏劑激活機理示意圖Fig.7 Schematic illustration of the activation method of rhodamine-based activatable photosensitizers

Urano 課題組[73]將β-半乳糖苷引入羅丹明母體，合成了一例β-半乳糖苷酶激活的光敏劑HMDESeR-βGal。HMDESeR-βGal 無光活性，單線態(tài)氧產(chǎn)生被徹底猝滅。在β-半乳糖苷酶過表達的細(xì)胞中，HMDESeR-βGal與β-半乳糖苷酶反應(yīng)轉(zhuǎn)化為HMDESeR，恢復(fù)其在可見光處的吸收和單線態(tài)氧產(chǎn)生能力，從而誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。

隨后，Urano 課題組[74]報道了另一例γ-谷氨酰轉(zhuǎn)肽酶（GGT）響應(yīng)的羅丹明類可激活光敏劑gGlu-HMSeR[圖7(b)]。在正常組織中，gGlu-HMSeR 無光活性，其在可見光處的吸收被徹底猝滅，從而徹底猝滅了其單線態(tài)氧的產(chǎn)生。在帶有腫瘤的雞絨膜尿囊膜模型中，gGlu-HMSeR 會被過表達的GGT 特異性裂解開環(huán)轉(zhuǎn)化為具有光毒性的光敏劑HMSeR，選擇性殺傷腫瘤而不損害周圍的健康組織。gGlu-HMSeR 的最大吸收波長位于532 nm 處。使用10 μmol/L 的gGlu-HMSeR 與SHIN3 細(xì)胞（人卵巢癌細(xì)胞）共孵育，經(jīng)過光源（510～550 nm，50 mW/cm2，1 min）照射后，SHIN3細(xì)胞存活率小于20%。

綜上所述，雖然基于羅丹明類螺環(huán)化的可激活光敏劑，在閉環(huán)狀態(tài)下能夠徹底猝滅其基底活性氧，但是，以羅丹明為母體的光敏劑最大吸收波長較短，通常＜600 nm，組織穿透深度低，無法對深層腫瘤進行殺傷。因此，開發(fā)近紅外光激發(fā)的、徹底猝滅型可激活光敏劑至關(guān)重要且面臨巨大挑戰(zhàn)。

5 結(jié) 論

構(gòu)建靶標(biāo)型光敏劑和可激活型光敏劑能夠有效地提高光敏劑的腫瘤靶向性，極大地降低光動力治療的毒副作用。但在臨床治療中，光動力治療仍面臨許多挑戰(zhàn)。以下幾個方面的問題在未來應(yīng)予以解決。

（1）目前大多數(shù)的光動力治療均基于Ⅱ型機理，對腫瘤內(nèi)氧氣濃度具有很大的依賴。因此，開發(fā)基于I型機理的可激活光敏劑具有重要意義。

（2）光敏劑是否具有極低的暗毒性，能否在體內(nèi)循環(huán)中盡可能少地富集在正常組織和主要器官中，是其能否用于臨床治療的關(guān)鍵因素。在熒光染料中引入重原子是設(shè)計光敏劑的主要方法之一，但重原子會使分子的暗毒性增加。因此，開發(fā)無重原子、長三線態(tài)壽命的光敏染料是研究的重點。

（3）近年來，光熱治療、免疫治療等治療方法迅速發(fā)展。將光動力治療與光熱治療、免疫治療進行協(xié)同治療，能夠發(fā)揮多重治療效果，有利于推動光動力治療的發(fā)展。