光敏劑的納米修飾技術及新型納米材料在腫瘤光動力療法中的應用研究進展

楊貴蘭，秦松，李文軍 1中國科學院煙臺海岸帶研究所，山東煙臺264003；2濱州醫學院藥學院；3 中國科學院海洋大科學研究中心

光動力療法(PDT)是治療皮膚癌、食管癌、肺癌、胃腸道癌等各種實體瘤的有效方法，具有特異選擇性高、不良反應少、微創及可重復治療等優點[1]。PDT通過使用特定波段的光來激發光敏劑(PSs)產生活性氧(ROS)，從而誘導細胞凋亡或壞死、微血管損傷和免疫應答。但PSs結構以高度共軛的化合物為主，水溶性較差，在水中的聚集性較強，可能導致其光動力活性降低[2]。此外，PSs在體內的清除過程緩慢，殘留的PSs可能對眼睛、皮膚或其他正常組織產生光敏化反應，且PSs對腫瘤組織缺乏靶向性和特異性。目前有兩個常用的方法解決上述問題，一是采用納米技術對PSs進行直接修飾，二是采用納米材料載體對PSs進行遞送。本研究就常用的PSs納米修飾技術及納米顆粒、脂質體、水凝膠、大分子聚合物等新型納米材料在腫瘤PDT中的應用情況進行綜述。

1 常用的PSs納米修飾技術

1.1 PSs的化學修飾 血卟啉、葉綠素衍生物等傳統的PSs大多為有機小分子，對腫瘤組織缺乏靶向性及特異性，且易對正常組織造成非特異性損傷。由于腫瘤生長迅速，血管組織發育不全，其微環境呈弱酸性和缺氧狀態，傳統PSs對腫瘤的靶向性有限。因此，可以通過環境響應、表面修飾、金屬離子絡合等方法對PSs進行修飾[8]。

卟啉是一類由四吡咯環通過4個甲基橋電子p-共軛組成的環狀化合物。為了獲得具有長波吸收、水溶性較好，且對腫瘤組織具有更高選擇性的二氫卟吩類PSs，Zhang等[3]合成了8種二氫卟吩p6醚的新型水溶性氨基酸共軛物6a-h，并應用于腫瘤PDT中，結果顯示其抗腫瘤作用隨著31位烷氧基醚鍵碳鏈長度的增加而增強，并顯示出高光毒性及良好的水溶性，同時對正常細胞毒性較低。

酞菁是四氮雜卟啉衍生物，含有4個席夫堿氮代替連接4個吡咯環的甲烷橋，酞菁及其衍生物也是腦腫瘤PDT中最常見的PSs[4]。與卟啉衍生物相比，酞菁在近紅外光區的吸收能力更強，單重態氧量子產率更高。但酞菁具有較強的疏水性，在溶液中有很強的聚集趨勢，導致PDT療效降低。Felix等[5]合成了一系列新型糖結合型鋅(Ⅱ)酞菁化合物，并發現經C-糖苷修飾的PSs在溶液中形成的聚集體可大大減少，從而提高了PSs的穩定性。

C-藻藍蛋白(C-PC)是螺旋藻中主要的藻膽蛋白，含有一種開放鏈四吡咯修復體藍生色團藻藍素(PCB)。C-PC對腫瘤細胞具有光動力作用，因此可以作為一類新型PSs。Wan等[6]證實了C-PC對巨噬細胞的清道夫受體A有特異性親和力，因此將C-PC作為腫瘤相關巨噬細胞靶向PDT的載體，并與酞菁鋅結合制備得到ZnPc-CPC偶聯物；結果顯示，C-PC的結合可抑制ZnPc聚集，使ZnPc的溶解度加大、光動力學活性增強。Pu等[7]將C-PC與生物硅進行共價偶聯，發現生物二氧化硅修飾會使C-PC的吸收峰出現輕微紅移；另外，二氧化硅增加了PC與腫瘤細胞的親和力，620 nm激光照射C-PC和C-PC修飾的生物硅可明顯提高腫瘤細胞凋亡率。

1.2 PSs超分子體系的構建 超分子化學是指由兩種或兩種以上的化學物質通過分子間非共價力結合而成的物質。借助超分子技術，利用環糊精、葫蘆素等大環化合物對PSs進行修飾，可制備得到功能超分子體系，從而提高PSs的水溶性，抑制其在水中聚集，最終顯著提高PSs的光活性[8]。

Cheng等[9]以天然小分子固醇為載體，與二氫卟吩e6(Ce6)構建得到超分子體系，制備得到超分子組裝PSs藥物(Ergo-Ce6 NPs);結果顯示1 μg/ mL的Ergo-Ce6 NPs對4T1和MCF-7癌細胞的增殖抑制率可達73%、92%。Wang等[10]基于β-環糊精(β-CD)與四苯基卟啉(TPP)的超分子相互作用，制備了一種用于基因與PSs共傳遞的陽離子納米平臺；結果發現TPP的引入不僅明顯提高了細胞凋亡率，還可以促進DNA內質逃逸，為協同基因的腫瘤PDT治療提供了一個良好的契機。

2 新型納米材料在腫瘤PDT中的應用

為了克服PSs對腫瘤組織的低靶向性和低特異性，目前大多采用納米粒子將PSs精準的傳遞到靶組織，例如納米顆粒、納米脂質體、樹狀大分子、納米水凝膠顆粒等[11～13]。

2.1 納米顆粒 納米顆粒是指粒度為1～100 nm的粒子，又稱超細微粒。近年來，人們將具有磁導向或特定發光等性質的納米顆粒與PSs結合起來，得到了新型PSs。與常規PSs相比，納米PSs具有粒徑小、比表面積大、催化效率高、表面反應活性高、活性中心多、吸附能力強等優點[14]。

2.1.1 金納米粒子 金納米粒子主要被用作鈍化劑、藥物遞送劑、成像劑和光熱劑，其具有不同的特征形狀，如球形、桿形等。在PDT中，金納米粒子可被單獨使用或作為多功能納米材料混合系統的一部分來進行PSs遞送[15]。金納米粒子一般被用作超順磁性氧化鐵納米粒子(SPIONs)的鈍化劑以及抗癌藥物與PSs的載體，其與聚合物絡合可以提高穩定性，避免PSs聚集[15]。金納米粒子還具有等離子體共振特性，在近紅外輻射暴露下，光被轉換成熱，從而提高光動力學效率。Plan等[16]合成了阿倫膦酸鹽介導的金納米球，其在體外以劑量依賴的方式抑制前列腺癌PC3細胞增殖，IC50為100 μmmol/L；在近紅外輻射下，其溫度升高IC50降為1 μmmol/L，明顯抑制了PC3增殖。

2.1.2 SPIONs SPIONs是一種磁性氧化鐵納米粒子，其核直徑<16 nm，水動力直徑≤300 nm。用于生物醫學的SPIONs主要有兩類，即Fe3O4和Fe2O3。在PDT中，SPIONs已經成功用于將卟啉和非卟啉前體藥物傳遞到腫瘤靶點，這一設計的成功促進了多功能SPIONs-PSs共軛系統的開發。Leyong等[17]開發了一種由SPIONs、上轉換納米粒子和酞菁組成的多組分前藥納米復合物，在照射5 min后其對細胞殺傷率可達70%。雖然SPIONs前藥納米復合物的光毒性十分顯著，但靶向劑和前藥在SPIONs上的負載效率低、SPIONs在水中的聚集以及流體力學尺寸膨脹也是一大難題。為了克服以上這些難點，可能需要開發一種新的合成和共軛方法，可以充分利用SPIONs前藥納米復合物對聚乙二醇、脂質體或樹狀大分子等聚合物的最佳封裝，或通過在其表面涂覆親水性聚合物如右旋糖酐和聚乙二醇來提高原SPIONs在水中的穩定性[18]。

2.1.3 量子點(QDs) 在PDT中QDs既可以作為診斷工具，也可以作為治療工具。QDs的比表面積較大、亮度較高、表面柔韌性較好，可以用于開發效能優良的藥物傳遞系統[15]。Yueshu等[19]將CIS/ZnS量子點與5-氨基乙酰丙酸(ALA)配位形成ZnS-ALA結合物；并發現其在近紅外激發下，量子點-ALA系統的FRET效率可達58.49%，經800、1 300 nm飛秒激光照射后，細胞存活率均低于40%。

然而，QDs在PDT中的應用仍然面臨著一些挑戰：①亟待開發無鎘、毒性較小、生物相容性和光學活性更好的金屬作為量子點來進行替代。②必須設計新的方法來優化這些材料在QDs上的負載能力。③需增大疏水QDs在水溶液中的溶解度，將疏水性QDs轉化為親水性QDs。

2.1.4 上轉換納米材料 上轉換納米材料是一種能在紅外光下激發出可見光的特殊納米材料。PSs往往不能吸收近紅外光而無法治療深層腫瘤，上轉換PDT可通過適當波長的近紅外光激發納米材料，例如鑭系納米顆粒，激發固有可見光吸收PSs的光發射[20]。因此，PSs在用于治療深層腫瘤之前不需要在治療窗口內吸收。該方法的成本效益也較低，不需要修飾PSs的結構，就可以使其在近紅外區域吸收。Li等[21]將二氫卟吩e6與上轉換納米材料NaYF4∶Yb，Er@CaF2組裝為復合納米材料；結果顯示，經980 nm激光激發后，NaYF4∶Yb，Er@CaF2產生675 nm上轉換熒光，促使二氫卟吩e6產生ROS，從而發揮殺傷腫瘤細胞的作用，且實驗組腫瘤體積約為對照組的1/10。

2.2 納米脂質體 納米脂質體是磷脂分散在水介質中自發形成的單板層或多板層納米系統。除具有生物相容性和生物可降解性外，脂質體具有較高的結構柔韌性，可結合多種親水性和疏水性藥物，是臨床上較為成熟的藥物遞送系統。脂質體制劑可有效防止PSs聚集，進而增強其光活性。此外，脂質體的高通透性和滯留效應可使其在腫瘤細胞中發生被動積累。借助脂質體的安全性和靶向性:Zhao等[22]借助Fe3O4的生物相容性，以增強對ROS的吸收而穿透腫瘤細胞為設計核心，制備得到奧沙利鉑前藥(HOC)和Fe3O4的活性氧脂質體。研究發現，該脂質體可使缺氧誘導因子1α(HIF-1α)表達顯著降低，從而抑制腫瘤細胞增殖，同時還可以通過調節免疫細胞因子發揮抗腫瘤免疫作用，從而逆轉免疫抑制性TME，最終誘導腫瘤細胞凋亡[23]。Shi等[23]借助催化腫瘤內高表達的H2O2來增強化療藥物與PDT的結合，進而增加腫瘤的氧合作用。將過氧化氫酶和PSs中的MBDP與阿霉素共同封裝于脂質體。氧合作用的增強不僅促進單重態氧(1O2)的產生，還可通過調節免疫細胞因子來逆轉免疫抑制性靶向腫瘤微環境，從而顯著誘導腫瘤細胞凋亡。

2.3 納米水凝膠顆粒 水凝膠是由具有親水性并呈現三維網狀結構的聚合物材料，通過化學交聯或者物理交聯形成的一類納米遞送載體系統[24]。水凝膠具有生物相容性，并具有與活體組織相似的物理特性，而一些藥物易于在水凝膠基質中分散，因此水凝膠已廣泛用于親水性藥物的遞送。在PDT中，可注射且可光降解的ROS響應性水凝膠可以選擇性地在到達腫瘤部位后恒速釋放包封的PSs，避免非特異性藥物分布，減少了對正常組織的毒性[25]。注射水凝膠的藥物遞送載體可增強抗腫瘤效果、減輕不良反應，為局部和長期腫瘤PDT治療提供了一種有效的替代方法[26]。

Xu等[26]發現，通過動態共價酰肼鍵形成的原位水凝膠可以防止不溶水性PSs原卟啉IX(PpIX)由于共價結合而產生嚴重的自猝滅效應；此外，水凝膠在近紅外光照射下可產生大量ROS，不僅可以進行局部有效的PDT，還能裂解小分子交聯劑，誘導水凝膠的定時破壞，并在級聯化療中實現多柔比星(DOX)的按需釋放。因此，將PpIX和抗腫瘤藥物DOX包載入水凝膠實現了光化學-PDT與光可調按需釋藥的聯合應用。

研究發現，納米粒及脂質體在全身給藥中仍存在一些缺點，如載藥量低、藥物滲漏不受控制、納米載體清除速度快、水不溶性PSs不可避免的自猝滅效應以及不可預測的全身不良反應等[27]。水凝膠作為一種優良的局部藥物庫，可以持續釋放PSs，選擇性地在腫瘤靶點維持較高的藥物濃度，從而避免藥物非特異性分布，使對正常組織的毒性降至最低[25]。但在復雜的體內環境中，水凝膠的力學性能與機體的自愈性能將會影響其療效。因此，保證水凝膠在外部損傷后恢復功能和保持結構完整的能力將是材料構建的重點方向[28]。

2.4 樹狀大分子 樹狀大分子是指粒徑1～10 nm，結構呈樹狀且高度支化的合成高分子聚合物，由小分子內核、多分支形成的內部空腔、外圍功能基團三部分組成[29]。基于其良好的結構特點，樹狀大分子可作為納米載體構建不同類型的納米抗腫瘤藥物，并結合PDT實現腫瘤的高效精準治療[29]。PSs可包裹于樹狀大分子內部空腔內，并與樹狀大分子發生共價結合，作為樹狀大分子分支結構而形成新的樹狀大分子聚合物。Ma等[30]發現，在酞菁環上引入樹狀大分子可以在一定程度上防止酞菁在水溶液中聚集，但該結合物不能有效穿透靶細胞的脂質雙層結構，因此該研究將樹狀大分子-酞菁共同裝封于聚合物膠束中；結果顯示，該聚合物膠束可增加樹狀大分子-酞菁的穿膜細胞數，并顯著提高樹狀大分子-酞菁的光活性；該聚合物膠束在膠質瘤細胞中的攝取量僅在6 h后便達到高峰，再經光照射后，腫瘤細胞存活率僅為26%，說明該納米膠束可有效抑制膠質瘤細胞增殖。

樹狀大分子的引入可在一定程度上防止PSs聚集，但其無法有效滲透到靶細胞的脂質雙層中。為克服這個問題，需要開發一種有效的運送載體，來提高組織穿透性，從而使其大量透過細胞膜，以提高其光毒性[30]。

綜上所述，與傳統有機小分子PSs相比，通過化學修飾或納米技術，被一些納米材料修飾的PSs可克服PDT治療過程中面臨的光源組織穿透不足、腫瘤組織缺氧等問題，還可通過高滲透長滯留效應實現腫瘤組織的被動靶向。隨著納米技術的進一步發展，納米材料在臨床PDT治療中的應用將日益廣泛，將會有更多的生物安全性更高、對腫瘤靶向性更高、體內可代謝、可協同其他腫瘤治療方式的新型納米載體用于腫瘤PDT治療。