聚集誘導發光材料在腫瘤診斷和治療中的應用進展△

周凌波，辜美佳，沈吟#

1武漢大學人民醫院眼科中心，武漢 430060

2武漢大學藥學院，武漢 430071

腫瘤已經成為中國居民的重要健康問題，是患者死亡的最常見原因之一。目前，針對實體腫瘤的治療方法主要包括外科手術、化療和放療等。手術可部分或全部切除腫瘤，但周圍的正常組織也會被切除或清除，影響患者的術后恢復。化療是應用化學藥物殺滅腫瘤細胞、抑制腫瘤細胞生長和增殖，但不良反應較多，包括骨髓抑制、神經毒性等。放療時高能放射線能夠通過對惡性腫瘤組織的照射來殺傷腫瘤細胞，但難免會損傷腫瘤周圍的正常組織。CT、MRI檢查是常見的腫瘤診斷方法，但不適合長時間多次的實時跟蹤。聚集誘導發光（aggregation-induced emission，AIE）材料作為新型的有機熒光材料具有一系列獨特的優勢[1]，包括靈敏度高、聚集態發射效率高、光穩定性好、斯托克斯（stokes）位移大、背景噪聲低、長期無創及生物可視化能力強等，已被成功用于細胞熒光追蹤探針，為基于影像指導的疾病臨床治療，尤其是腫瘤治療開辟了新道路。本文對近年來AIE探針在腫瘤診斷和治療方面的研究進展，包括各器官系統常見腫瘤細胞體外染色、活體靶向示蹤診斷、腫瘤治療等方面的應用進展進行綜述。

1 腫瘤細胞和組織成像

特異識別腫瘤細胞和組織是有效殺滅腫瘤的前提和關鍵。由于腫瘤細胞具有無限增殖、可轉化和易轉移等特點，其主要供能單位線粒體的活動遠超正常的細胞。膜電位是反映線粒體功能狀態的重要參數[2]。唐本忠院士團隊開發了一系列具有AIE活性的線粒體探針，是具有膜電位敏感性的非自淬滅線粒體特異性探針，其中TPE-IQ被成功應用于線粒體膜電位差異的檢測，并可特異性標記腫瘤細胞[3-4]。經過一系列的改良，簡稱為TPE-IQ-2O的AIE材料可使體外腫瘤細胞著色而不對非腫瘤細胞進行標記[5]。在AIE材料中加入納米顆粒有利于長期生物成像。由于納米顆粒固有的疏水性，多采用物理封裝或共價連接的方法，利用AIE分子與生物相容性塊狀共聚物來制造具有AIE特性的納米粒子已經成功應用于腫瘤的光動力治療中[6]。Shao等[7]通過獨特的AIE分子設計策略來實現遠紅外和近紅外熒光成像，得到了有機物喹啉-丙二腈的納米探針，具有從棒狀到球形的良好形態控制性能，可靶向腫瘤生物成像，適于細胞示蹤。

2 腫瘤的診斷和治療

2.1 光動力療法

光動力療法已成為腫瘤診斷和治療的新方法。傳統的光敏劑聚集時通常表現為弱熒光和較差的活性氧（reactive oxygen species，ROS）生成效率[8]。AIE材料具有較好的ROS生成性能，在新型光敏劑的開發中顯示出了巨大潛力[9]。Li等[10]合成了2個具有生成ROS特性的近紅外發射器——PI和PTI。這兩種具有AIE活性的光敏劑均顯示出優異的脂滴特異性靶向能力，證實脂滴中多不飽和脂肪酸氧化可形成有毒脂質過氧化物從而導致細胞死亡。同時，PI和PTI材料還表現出了良好的靶向能力，并通過產生ROS發揮抗腫瘤作用，提供了一個研究光動力療法治療機制的模板。

結合光動力療法的納米材料具有良好的生物相容性和光穩定性，是圖像引導光動力療法的理想光敏劑，因此，該納米材料也得以發展和應用[11-12]。Liao等[13]設計和合成了一種新的AIE活性材料——席夫堿冠醚（TBTDC），并將其封裝形成均勻的納米粒子。TBTDC納米粒子在825 nm光的激發下可發射明亮的近紅外熒光，具有較強的雙光子生物成像能力、良好的生物相容性和光穩定性，組織穿透深度可達300 μm，可特異性靶向溶酶體，僅需在白光照射下產生ROS來抑制裸鼠的腫瘤細胞生長。

血管內皮生長因子受體2（vascular endothelial growth factor receptor 2，VEGFR2）在腫瘤細胞生長、侵襲和轉移中發揮重要作用，可作為抗腫瘤治療的潛在靶點，抑制血管生成和腫瘤生長[14]。Liu等[15]基于減毒沙門氏菌構建了一個活體治療系統，該系統具有光控VEGFR2基因表達的能力，可以抑制由T細胞介導的自身免疫反應誘導的血管生成。VEGFR2質粒轉導的沙門氏菌可以通過代謝標記策略與MeTTPy-D-Ala結合。一旦MeTTPy-D-Ala分子通過代謝標記連接到細菌肽聚糖上，遠紅外或近紅外熒光通道就會打開，會在光照射下產生ROS，從而抑制腫瘤細胞的生長[16]。

具有AIE性質的TB/PTX@RTK膠束可在腫瘤部位特異性積累，Xu等[17]運用這一特性進行腫瘤消融。光照條件下，TB可產生ROS，切割硫縮酮接頭以精確釋放腫瘤細胞中的PTX，不僅可以抑制腫瘤細胞生長，還可以誘導免疫原性細胞死亡并引發抗腫瘤免疫反應，同時可有效協同單克隆抗體抗程序性死亡受體配體1產生異位效應，建立長期免疫記憶，抑制腫瘤的復發和轉移。

2.2 光熱療法

光熱治療法是將具有較高光熱轉換效率的材料注入體內，靶向聚集在腫瘤組織附近，并在外部光源的照射下將光能轉化為熱能來殺死腫瘤細胞的一種治療方法[18]。但由于激光的透射能力有限，無法入射到深層組織，使光熱療法缺乏對內部腫瘤的治療效能。腦膠質瘤作為顱內最常見的原發性腦腫瘤之一，具有發病率高、復發率高、病死率高及治愈率低的特點[19]，且由于其病灶所處位點深、血腦屏障和頭部顱骨的覆蓋，對腫瘤觀測和治療提出了嚴峻的挑戰。目前，一種近紅外AIE診療劑——ApoE-Ph，巧妙地集成平面共軛結構和苯環的大位阻效應，在提高分子吸收能力的同時保證了光熱轉化（34%）和熒光的能量流平衡，可用于腦膠質瘤近紅外成像輔助的非侵入光熱治療[20]，實現了AIE材料在光熱療法治療深層腫瘤方面的有效應用。

為進一步提高熒光產率和治療效果，Wang等[21]使用喜樹堿前藥（CPT-S-PEG）和新型免疫檢查點抑制劑AZD4635與TST共組裝成納米粒子用于藥物遞送。由于喜樹堿和TST的強相互作用，TST的分子內旋轉受到限制，從而抑制了非輻射衰減，并在納米粒子完好無損時促進熒光的產生。隨著納米顆粒被腫瘤細胞攝取，CPT-S-PEG被降解，納米顆粒解體。釋放的TST由于去除了喜樹堿的限制，非輻射衰減被增強并加速了光熱轉換。此外，光熱療法可誘導腫瘤細胞的免疫原性細胞死亡，并向腫瘤微環境釋放豐富的腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）以招募免疫細胞。納米顆粒光熱崩解釋放的AZD4635實現了光熱療法、化療和免疫療法的良好協同效應。

2.3 乏氧響應的分子容器用于腫瘤靶向治療

多數實體腫瘤供氧不足的主要原因是腫瘤細胞快速增殖引起的耗氧量增加和腫瘤脈管系統改變[22]。腫瘤細胞的乏氧特性導致的高度還原性環境，為腫瘤選擇性成像及靶向治療提供了重要靶點。目前常見的乏氧靶向藥物遞送策略包括：①共價前藥，將抗腫瘤藥物與乏氧響應基團如硝基、醌、偶氮等共價相連形成前藥，在乏氧環境下，響應基團被生物還原酶還原，釋放藥物。②納米載藥體系，將抗腫瘤藥物負載于具有乏氧響應的納米組裝體中，進入腫瘤乏氧環境，響應釋放[23]。這兩種方法均表現出良好的腫瘤靶向治療效果，但仍然存在一定的局限性：共價前藥的合成純化過程復雜，且缺乏廣譜通用性；而各類納米載藥體系通常存在分子結構與分子量不明確和批次重現性差等問題。基于此，Zhang等[24]合作發展建立了新型的乏氧響應的主客體藥物遞送體系，該體系以杯芳烴為核心骨架，設計合成了一種乏氧響應的分子容器——羧基偶氮杯芳烴（CAC4A）作為新型載體材料，借助偶氮基團的乏氧響應特性，實現了抗腫瘤藥物的靶向遞送。相比于共價前藥策略，基于主客體化學的超分子前藥策略具有易于構筑、原形釋放和普適通用等優勢。相比于納米載藥體系，主客體載藥體系結構分子量明確、批次重現性好，絡合穩定常數和識別選擇性確切，可實現對給定藥物的定量負載。

目前，如何實現診療光敏劑在乏氧實體瘤內部發揮良好治療效果仍是光動力療法在臨床推廣中面臨的主要挑戰。彭孝軍院士團隊構建了首例具有雙重O2節約性能的小分子光敏劑——SORgen-TAM，實現了對乏氧實體瘤的高效光動力治療[25]。SORgenTAM可通過識別腫瘤細胞表面的雌激素受體蛋白特異性進入腫瘤內部，且進入細胞后作用于細胞呼吸電子轉移鏈復合物Ⅰ蛋白，阻斷線粒體的氧化磷酸化，進而降低腫瘤細胞對內源性O2的消耗，節約O2；另一方面，光刺激后，光敏劑可參與Ⅰ型光敏化反應，高效產生ROS，并在細胞內超氧歧化酶作用下觸發氧循環級聯反應，使乏氧腫瘤的治療效果得到明顯提升，達到靶向治療乳腺癌和肝癌的目的[26]。

2.4 手術導航

外科手術是治療惡性腫瘤的主要物理手段，手術的成功高度依賴快速準確定位。腫瘤手術中的物理診斷（如觸診和看診）與外科醫師的經驗密切相關，并最終影響手術的結果。通過熒光引導手術（fluorescence-guided surgery，FGS）可以有效輔助腫瘤切除。吲哚菁綠（indocyanine green，ICG）作為最常見的染料，能提供理想的信號背景比和組織滲透深度，已被廣泛應用于臨床的熒光手術導航。但ICG受到量子產率有限、在腫瘤中短期滯留、與細胞的非特異性相互作用的限制，使用近紅外探頭需要特殊相機且醫師需要經系統的訓練[27]，因此，發展具有腫瘤特異性靶向且易于推廣的熒光手術導航材料十分重要。

Zhong等[28]報道了一種方便制備的葉酸偶聯的AIE材料folic-AIEgens及其在FGS中的多功能應用。從小鼠到非人靈長類恒河猴，folic-AIEgens已成功用于檢測和精確分離前哨淋巴結；該材料能快速在腫瘤中積累，有助于發現微小腫瘤，指導腫瘤切除，降低腫瘤復發率；在多種動物模型中進行生物安全性評價，證明了其良好的生物相容性。值得注意的是，folic-AIEgens已成功應用于恒河猴模型，該研究為非人靈長類動物的臨床前研究提供了有價值的數據，這將極大地促進folic-AIEgens和其他基于AIE的發光探針在臨床轉化中的發展。（圖 1）

圖1 AIE 材料特異性識別和靶向殺滅腫瘤的示意圖

3 小結與展望

與傳統熒光染料相比，AIE熒光探針具有多種優點，使熒光的應用范圍得以擴展，尤其在腫瘤細胞的特異性染色和腫瘤組織的靶向治療方面顯示出很大優勢，對腫瘤治療提供了一種新的方法，從而起到延長患者生存時間及改善預后的作用。AIE材料已廣泛應用于實驗研究中，而其更深層的機制和更獨特的優勢仍值得進一步去發掘。臨床中盡管已經有多項研究對AIE材料的應用進行探討，但仍存在一些未解決的問題，例如：如何更精準地定位目標組織器官，有效地靶向示蹤，進一步減少不良反應和成本并廣泛應用于臨床治療，對研究者提出了諸多挑戰。目前，AIE材料逐漸被各個領域重視并得以發展拓新，且已經應用于多種腫瘤的診斷和治療中，若能改進其組織靶向特異性、制備重現性、不良反應和成本等問題，將會有更廣泛的應用前景。