光動力學療法(photodynamic?therapy,?簡稱PDT)作為一種微創(chuàng)性和局部性的癌癥治療手段,已在臨床治療食道癌,頭頸癌,眼腫瘤,皮膚癌,乳腺癌和肺癌等疾病中取得了良好的療效。PDT通過無毒的光敏劑(通常為卟啉衍生物)與光(一般為近紅外光)和氧氣的作用,產(chǎn)生活性氧物種(reactive oxygen species,?簡稱ROS)并引起細胞毒性,促使癌細胞凋亡或者壞死,并進一步引發(fā)腫瘤及周邊的免疫反應,使腫瘤消退。盡管PDT作為一種非常強力的治療手段,但也有以下的缺點:

  1. 光敏劑會殘留于病人體內(nèi)并造成光敏性副作用(見不得光);
  2. 光的穿透深度淺,無法有效殺傷距體表較深的腫瘤以及轉移組織(深不見底);
  3. 癌細胞的高代謝導致腫瘤的局部乏氧,進而使得氧依賴的療法療效不佳(莫得氧氣)。

納米MOF穩(wěn)定細菌卟啉用于I型和II型同步的光動力療法

而作為第二代光敏劑的代表化合物之一,細菌卟吩(bacteriochlorin)則成為了解決上述全部問題的候選物。細菌卟吩作為卟啉的還原性衍生物,其擁有以下優(yōu)點:

  1. 在可見光區(qū)吸收弱,可緩解病人的光敏副作用;
  2. 用于治療的光波段處于人體組織的透明窗口(700 nm-850 nm),擁有更強的穿透性;
  3. 可同步進行I型與II型PDT機理,一定程度上能容忍低氧局部環(huán)境。

 

納米MOF穩(wěn)定細菌卟啉用于I型和II型同步的光動力療法

主流的光敏劑如卟啉和二氫卟吩,都基于II型PDT機理,是通過激發(fā)態(tài)光敏劑耦合基態(tài)氧氣產(chǎn)生單線態(tài)氧,從而殺傷癌細胞,缺點是完全依賴氧氣。而細菌卟吩可進行I型PDT,即氧氣或者其他分子與激發(fā)態(tài)光敏劑發(fā)生氧化還原反應從而生成活性氧物種,典型的包括超氧負離子(O2-),過氧化氫(H2O2)與羥基自由基(OH)。由于I型PDT的本質(zhì)是光引發(fā)的電子轉移導致的氧化還原反應,可以在腫瘤微環(huán)境中破壞氧化還原平衡,誘導細胞死亡,因此相對地可以容忍乏氧環(huán)境。

作為第二代光敏劑,目前基于細菌卟吩的產(chǎn)品包括在歐洲已經(jīng)臨床獲批的TOOKAD用于治療前列腺癌,以及正在進行臨床實驗的Redaporfin用于治療膽道癌,兩者均取得了良好的臨床治療結果。但與此同時,由于細菌卟吩對于光和氧氣非常敏感,其作為卟啉的還原衍生物,具有較低的氧化還原電勢,所以以I型PDT機理作用的同時,也使得常規(guī)臨床光動力學療法條件下的細菌卟吩極易發(fā)生光漂白(photobleaching),從而喪失療效。這可以說是與PDT本來的目的背道而馳,會大大削弱其本應有的治療效果。那么有沒有一種方法能夠既保持住細菌卟吩的穩(wěn)定性,讓其不那么容易光分解,而又能夠保有其本來就有的全部優(yōu)點呢?為了解決這一問題,研究者們開始了精細而又充滿創(chuàng)意的探索。

作為新興的納米光敏材料——納米金屬-有機框架化合物(nanoscale metal-organic framework,簡稱nMOF),因其擁有利于活性氧擴散的多孔結構,防止自猝滅的規(guī)整框架結構,較高的光敏劑載荷以及良好的生物相容性,成為用于PDT的理想納米藥物。最近,芝加哥大學林文斌教授實驗室報道了用納米MOF作為穩(wěn)定細菌卟吩的載體,成功實現(xiàn)I型和II型同步的光動力學療法,并在小鼠乳腺癌與結腸癌模型中獲得了極佳的療效。

納米MOF穩(wěn)定細菌卟啉用于I型和II型同步的光動力療法

研究者首先合成了作為nMOF配體的具有高對稱性的四苯甲酸細菌卟吩(簡稱TBB),并通過與ZrCl4的溶劑熱反應合成了粒徑100?nm左右的具有PCN-224結構的納米MOF(簡稱Zr-TBB)。Zr-TBB的紫外吸收光譜顯示了其在740 nm附近的強吸收,而TEM與PXRD衍射圖樣證明Zr-TBB晶化良好,具有作為納米光敏劑的潛質(zhì)。

納米MOF穩(wěn)定細菌卟啉用于I型和II型同步的光動力療法
圖1. 關于Zr-TBB的透射電鏡(TEM)圖像(a)(b),粉末X-射線衍射圖樣(PXRD)(c),單晶結構(d),紫外可見光譜(e)和動態(tài)光散射得到的顆粒數(shù)均直徑。

細菌卟吩的光氧化過程是從卟啉環(huán)上雙鍵的[2+2]過氧化反應開始的,接著會逆[2+2]開環(huán)生成二酮結構,最后連續(xù)反應分解變?yōu)闆]有光活性的碎片。在整個反應過程中,細菌卟吩的構象會發(fā)生較大的變化,以滿足sp2和sp3碳中心的幾何構型轉變。研究者假設在Zr-TBB nMOF的固定的結構框架中,由于TBB的四個苯甲酸被鋯氧團簇連結,TBB不易產(chǎn)生構象與結構的變化,因此相對于自由的細菌卟吩,在Zr-TBB中細菌卟吩配體的光氧化反應會被抑制。實驗與計算結果都印證了研究者的猜想,在740 nm 100 mW/cm2 的LED光照射下,Zr-TBB 表現(xiàn)出了卓越的光穩(wěn)定性。因此,Zr-TBB 作為基于細菌卟吩的納米光敏劑,顯著提升了細菌卟吩的穩(wěn)定性。

 

納米MOF穩(wěn)定細菌卟啉用于I型和II型同步的光動力療法
圖2.(a)在空氣飽和的DMF中光照射后,隨時間變化的TBB紫外可見吸收率;(b)光照射后Zr-TBB隨時間變化的PXRD圖樣。在30分鐘的光照射下,H4TBB(c)和Zr-TBB(d)的光產(chǎn)物(TBB,TBC,片段)的百分比。(e)通過密度泛函理論(DFT)計算的H4TBB和Zr-TBB中TBB光分解反應過程的能量分布圖。

 

體外實驗中,研究者驗證了Zr-TBB的活性氧產(chǎn)生機理與效率。通過不同的活性氧檢測試劑,證實了在體外環(huán)境中TBB可以同時進行I型與II型PDT機制,即對應產(chǎn)生出超氧負離子(O2-),過氧化氫(H2O2),羥基自由基(OH)與單線態(tài)氧(1O2)。而且相比于配體自身(H4TBB),Zr-TBB可以產(chǎn)生更強的ROS信息,說明nMOF對于細菌卟吩的穩(wěn)定大大促進了PDT產(chǎn)生ROS的效率。研究者們同時研究了常氧條件下與乏氧條件下的細胞毒性,證明了即使是在乏氧PDT條件下,Zr-TBB依然可以高效地殺死細胞,再次證明了細菌卟吩I型PDT機理對于乏氧條件的適應。較低的暗毒性也說明了納米MOF良好的生物相容性。

 

 

 

納米MOF穩(wěn)定細菌卟啉用于I型和II型同步的光動力療法
圖3.(a)光照射后在4T1細胞中產(chǎn)生的各種ROS種類的共聚焦激光掃描顯微鏡圖像。比例尺為20μm。(b,c)在常氧(b)和低氧(c)條件下對Zr-TBB(光照組)和H4TBB(光照組)進行細胞毒性分析。

 

在證明細胞層面上的ROS生成以及細胞毒性后,研究者們接著在兩種小鼠腫瘤模型上(4T1 & MC38)驗證Zr-TBB的癌癥光動力治療療效。在這兩種模型上,Zr-TBB光照組均表現(xiàn)出良好的腫瘤抑制效果,并與配體H4TBB光照組有顯著性差異。而通過對腫瘤樣本切片的鈣網(wǎng)蛋白(CRT)檢測與脫氧核苷酸末端轉移酶介導的dUTP缺口末端標記(TUNEL)檢測,Zr-TBB光照組也表現(xiàn)出最強的凋亡信號與免疫原性信號。

 

 

納米MOF穩(wěn)定細菌卟啉用于I型和II型同步的光動力療法
圖4.對帶有4T1的BALB / c小鼠(a)和帶有MC38的C57Bl / 6小鼠模型(b)的抗腫瘤治療效果。(c)Zr-TBB光照組治療4T1腫瘤后,細胞表面CRT的表達的共聚焦激光掃描顯微鏡成像(上)和細胞凋亡TUNEL(中)和H&E染色顯示嚴重的細胞凋亡和壞死(下)。比例尺為20μm。

 

綜上所述,研究者們報道了利用Zr-TBB nMOF框架來穩(wěn)定細菌卟吩進行光動力學療法。Zr-TBB通過I型和II型PDT機制產(chǎn)生出超氧負離子(O2-),過氧化氫(H2O2),羥基自由基(OH)與單線態(tài)氧(1O2)來介導高效的PDT過程。Zr-TBB在乳腺癌和結腸癌的小鼠腫瘤模型上顯示出極好的抗腫瘤功效,治愈率分別為40%和60%。因此,納米MOF提供了一個基于穩(wěn)定細菌卟吩的新型納米光敏劑平臺,也為其他不穩(wěn)定分子的生物應用提供了一個可行的思路與方法。這一成果近期發(fā)表在《美國化學會志》(JACS)上,文章的第一共同作者是芝加哥大學博士研究生羅韜堃和倪開元。

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