銥配合物在生物成像和癌癥治療中的研究進展

李學宇， 繆煜清， 李鈺皓

（上海理工大學 材料與化學學院，上海 200093）

世界衛生組織報告顯示，癌癥是全球第二大死因，全球大約1/6 的死亡由癌癥造成[1]。目前，常用的癌癥治療方法包括手術、化療和放療[2]。近年來，免疫治療也在部分癌癥的治療中表現出色。手術和放療治療癌癥有其局限性，只能對局部癌變組織進行治療。相比而言，化療更適用于不易切除和不易放療的癌癥，同時也適用于手術和放療后的全身性癌細胞清掃。在過去的幾十年里，順鉑（一種貴金屬配合物）已經成為臨床化療的一線藥物，這表明貴金屬配合物可作為潛在的抑制細胞生長的抗癌藥物，研究人員對此產生了濃厚的研發興趣[3]。目前，除了開發鉑（Pt）配合物，基于金屬釕（Ru）和銥（Ir）的配合物也作為候選藥物表現出較好的抗癌療效[4]。在生物領域中常見的銥配合物包括單核、雙核和三核銥配合物[5]，還有根據改變配體形成八面體環金屬化銥配合物和“半三明治”結構的銥配合物等[6]。其中，八面體環金屬化銥配合物因其量子產率高、斯托克斯位移值大、發光壽命長、光穩定性好等特點，在生物光學成像和腫瘤治療等領域被大量研究[7]； “半三明治”結構的銥配合物因其獨特的抗癌機制和突出的抗腫瘤療效，也在腫瘤治療中被重點研究。由于配合物結構的易修飾特性，銥配合物還表現出強細胞滲透能力以及獨特的細胞器靶向功能，賦予銥配合物更多的成像與治療特性[8]。目前已有的銥配合物綜述主要以結構修飾[9]、熒光探針[10]、傳感器和發光電化學池[11]為主，在這篇綜述中，側重總結銥配合物在光學成像、細胞器靶向和抗癌機制中的研究，探討銥配合物在診斷和腫瘤治療中的研究進展。

1 生物成像

利用成像技術了解生物體的功能和結構特性在診斷和治療中尤為重要，現代生物成像診斷是一項復雜的技術。目前常用的成像方式包括磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、X 射線計算機斷層成像（computed tomography，CT）、超聲成像和核素成像等，這些成像方式在活體組織至細胞或分子水平上為觀察對象的結構、形貌、組分、動態和功能提供重要工具。目前，基于光學的生物成像在生物醫學領域被廣泛研究，可實現活體、組織或細胞微觀結構的觀察。銥配合物具有良好的生物成像性能，包括可調諧的磷光發射范圍、長磷光壽命、高量子產率、大斯托克斯位移、高的光穩定性、特定的亞細胞定位和較低的細胞毒性等。用于生物成像尤其是活體成像時，激發光的波長最好在近紅外區（650～900 nm），這個范圍的激發光在體內表現出更強的穿透力，還可降低生物組織自發熒光的干擾[12]。此外，銥配合物的磷光壽命在納秒至微秒級別可調，而生物組織自發熒光壽命只有幾納秒，因此，通過以脈沖激光為光源激發區別于生物自發熒光的短發光壽命，銥配合物的長發光壽命還可實現基于長磷光壽命的時間分辨光學壽命成像[13]。

銥配合物用于磷光發光的光學成像和壽命成像的研究較多，主要是通過改變環金屬配體的共軛長度和供吸電子效應等調控銥配合物的發光與壽命[14]。在此基礎上，近期的研究還實現了對特異性細胞器的成像，如線粒體、內質網、溶酶體、細胞核等，目前線粒體靶向型銥配合物的研究較多[8]。圖1 為生物成像用銥配合物的結構。Redrado 等[15]將有機發色團（吖啶）結合到銥配合物中，當用400 nm 藍光激發時，在細胞線粒體中觀察到明顯的光學信號，其結構如圖1（a）所示。Liu 等[16]合成了兩種不同金屬配體的銥配合物，結構如圖1（b）和（c）所示，此兩種銥配合物的發光量子產率分別為0.62 和0.85，細胞定位和元素成分分析共同證明配合物在線粒體中積累，可作為近紅外磷光探針進行線粒體成像。Jin 等[17]開發了兩種銥配合物作為高效的三光子磷光試劑用于線粒體的光學和發光壽命成像，不僅提高了穿透深度和成像的分辨率，還可以對活體標本進行三維腦血管重建，其結構見圖1（d）和（e）。Dai 等[18]報道了一種配體被酯基修飾的銥配合物，共聚焦成像表明該配合物可滲透活細胞的細胞核，實現細胞核定位熒光成像，其結構如圖1（f）所示。通過對大量文獻總結可知，在配合物結構中引入三苯基膦或吡啶基團可靶向細胞線粒體、引入嗎啉基團可靶向溶酶體，而對于內質網和細胞核的靶向性則尚未明確[19]。這些研究表明通過改變配合物的輔助配體、中心原子核數、細胞器靶向基團等方式可拓展銥配合物在生物成像中的應用，實現精準靶向成像。

圖1 用于生物成像的銥配合物的結構Fig.1 Structures of iridium complexes for bioimaging

2 腫瘤治療

2.1 光動力治療

光動力療法（photodynamic therapy，PDT）是一種光激活和非侵入性的治療方法，通過光敏劑催化腫瘤內的底物產生過量活性氧（reactive oxygen species，ROS）誘導細胞死亡，從而實現對癌癥的治療[20]。引入有針對性的外部光源給予能量后，光敏劑受激發躍遷至單重激發態，通過系間竄越進入三重激發態[21]，并在此狀態下以輻射躍遷（發光）、非輻射躍遷（發熱）或能量傳遞光敏氧化（I 型和II 型）途徑回到基態[22]。通過兩種光敏氧化途徑可實現對癌癥的光動力治療。在I 型反應中，通常激發態的光敏劑和周圍的氧分子之間發生單電子轉移作用，產生超氧陰離子自由基（·O2?），同時空穴可以氧化水產生羥基自由基（·OH）。在II 型反應中通過三重態–三重態碰撞機制[23]，處于三重激發態的光敏劑通過能量轉移直接與氧分子碰撞形成單線態氧（1O2），實現光動力治療[24]。這些不同種類的活性氧都具有細胞毒性，通過脂質過氧化和線粒體功能障礙等導致細胞受損乃至死亡[25]。目前，大多數光敏劑主要通過II 型途徑發揮作用。

在眾多金屬配合物光敏劑中，銥配合物是一類重點研究的光敏劑。目前，提升光動力學治療的策略主要有兩種，一是提高活性氧生成產率；二是提高對特殊細胞器的靶向性，實現精準光動力學治療。通過提升活性氧產率策略，如圖2（a）所示，Xu 等[26]通過調節銥配合物的配體，實現有效的三重態能量轉移從而提高單線態氧量子產率。多核配合物激發態的能級比單核配合物更加復雜，多核配合物的光物理性能得以進一步調節和優化。Zhang等[27]設計合成了一系列含有不同中心銥數量的單核、雙核和三核銥配合物，實驗證明單線態氧的生成能力與銥中心數量的增加有關，這為增加光敏劑金屬中心數目提高活性氧產率提供研究基礎。另外，多核銥配合物還可以增強自旋–軌道耦合，進而改善系間竄越過程，提升活性氧產率。Li 等[28]設計并合成了一種三核銥配合物，與單核銥配合物相比，三核銥配合物提高了單線態氧的生成能力，證明了這一結論。

通過靶向特殊細胞器的策略，可實現光敏劑精確遞送，提高治療療效。Zafon 等[29]合成了一種含有苯并咪唑結構的銥配合物，在光照后表現出較強的細胞毒性。機制研究表明，銥配合物通過內吞作用被細胞攝取后優先在線粒體中積累，在光激發下產生大量的單線態氧從而引起細胞死亡。線粒體和溶酶體分別在細胞呼吸和消化中發揮著重要作用，它們都與細胞凋亡密切相關。除了靶向細胞線粒體，通過靶向細胞溶酶體并在光激活下利用光敏劑破壞溶酶體的生物學功能，也可導致腫瘤細胞死亡。Shen 等[30]合成了兩種配體修飾的銥配合物光敏劑，其結構如圖2（b）和（c）所示。這2 種銥配合物光敏劑分別特異性靶向線粒體和溶酶體，實現了有效的特定細胞器光動力治療。此外，人血清白蛋白偶聯物可用于遞送抗癌藥物和靶向細胞核，Zhang 等[31]合成了一種有機銥–白蛋白生物結合物（結構如圖2d 所示）。與母體銥配合物相比，有機銥-白蛋白生物結合物具有長的磷光壽命和高的單線態氧量子產率，是有效靶向細胞核的銥基光敏劑?？傊^渡金屬銥的重原子效應促進了配合物從單線態到三線態的系間竄越，從而促進了通過光敏氧化途徑實現活性氧的產生，奠定了細胞光動力治療的基礎。近年來，光動力療法在治療淺表腫瘤如皮膚和乳房腫瘤或軟組織肉瘤等方面療效顯著。盡管對光動力療法已開展大量研究，但療效仍受到光源穿透深度和光敏劑吸收率低的影響，其臨床應用受到限制[20]。因此，開發靶向型光敏劑和近紅外光激發及高活性氧產率的光敏劑是有必要的，尤其是通過改變光敏劑劑型，利用納米技術實現精準藥物遞送可實現光動力治療效果的提升。

2.2 化療藥物

近年來，順鉑、奧沙利鉑和卡鉑等鉑類化合物作為癌癥的主要化療藥物，其嚴重的副作用以及癌細胞獲得耐藥性限制了該類化療藥的進一步發展。因此，開發新型化療藥一直是研究的熱點。銥配合物因其獨特的抗癌機制而成為鉑基抗癌藥物的潛在替代品。銥配合物可通過參與細胞氧化還原反應抑制多種蛋白質活性，還可通過誘導細胞通過凋亡、鐵死亡、免疫原性細胞死亡等方式發揮作用。目前已報道的銥配合物主要以環戊二烯或苯基吡啶為配體，分別構建“半三明治”結構的銥配合物和環金屬銥配合物。通過對環戊二烯或吡啶上衍生基團的合理設計可以調節和改善銥配合物的性能，進而提升抗癌效果。以下通過不同的細胞死亡方式分別說明銥配合物作為化療藥物的應用。

2.2.1 細胞凋亡

細胞凋亡是細胞在一定的生理或病理條件下，受內在遺傳機制的控制自動結束生命的過程。細胞凋亡與細胞壞死不同，細胞凋亡是一種主動過程，涉及一系列基因的激活、表達以及調控等作用。許多銥配合物可以靶向線粒體并導致其功能障礙，誘導細胞凋亡。Chen 等[32]設計了一種適體–銥配合物可以特異性地識別癌細胞中過度表達的核仁素并介導銥配合物靶向腫瘤細胞。此外，適體–銥配合物可在細胞線粒體內蓄積，并誘導線粒體功能障礙和細胞凋亡。再者結構如圖3（a）所示，Venkatesh 等[33]設計并合成了八面體環金屬化銥配合物，同樣實現了線粒體定位并引發膜電位變化，誘導細胞凋亡。

圖3 誘導細胞凋亡的銥配合物的結構Fig.3 Structures of iridium complexes inducing apoptosis

除了在線粒體積累，在溶酶體積累也可誘導細胞凋亡，例如Kong 等[34]設計了一種新型半夾心銥配合物，可以靶向溶酶體，對A549 癌細胞作用24 h 后的殺傷活性是順鉑的6 倍，并且殺傷活性隨環戊二烯配體上苯基數目的增加而增加。Hao 等[35]報道了多種可同時靶向溶酶體和線粒體的具有半三明治結構的銥配合物。這些配合物最終導致溶酶體損傷和線粒體膜電位的改變，擾亂細胞生長周期，誘導細胞凋亡。部分配合物（結構見圖3b）表現出優于順鉑近5 倍的抗癌效果。

除此之外，銥配合物還能誘導細胞產生過量活性氧，導致細胞氧化損傷實現細胞凋亡。Zhang等[36]合成了一組有機金屬半夾層銥配合物，隨著配合物誘導細胞內活性氧水平增加，細胞死亡比例增加，表明高濃度活性氧水平變化在誘導細胞凋亡中起著至關重要的作用。Li 等[37]研究了5 種環金屬化半夾心銥配合物的抗腫瘤機制，研究表明，通過引起細胞內活性氧水平升高，這些配合物可引起細胞周期紊亂并實現細胞凋亡。因此，銥配合物可以通過定位線粒體或溶酶體導致線粒體膜電位改變或溶酶體損傷誘導細胞凋亡，同時也可以通過誘導生成高濃度活性氧導致氧化應激和細胞凋亡。

2.2.2 鐵死亡

鐵死亡是一種鐵依賴的且區別于細胞凋亡、細胞壞死、細胞自噬的新型細胞程序性死亡方式。鐵死亡的主要機制是，在二價鐵或酯氧合酶的作用下，催化細胞膜上高表達的不飽和脂肪酸，發生脂質過氧化，從而誘導細胞死亡；細胞發生鐵死亡的主要特征體現在線粒體的形態變化上。過量鐵負載引發的質膜過氧化，會改變質膜的流動性和完整性，使線粒體外膜破裂，體積縮小，嵴減少或消失，最終導致線粒體功能缺失。在鐵死亡的發生過程中，除了細胞內鐵和亞鐵離子的積累、活性氧的增加，通常還伴隨著谷胱甘肽過氧化酶（glutathione peroxidase 4，GPX4）下調導致谷胱甘肽代謝水平的降低等。針對這一通路中的任一過程進行作用均有可能實現細胞鐵死亡。結構如圖4（a）所示，Yuan 等[38]設計了一種線粒體靶向基團（三苯基膦）修飾的銥配合物，用該配合物處理MCF-7 細胞并進行鐵死亡相關標志物研究。結果表明，配合物處理后的細胞脂質過氧化物積累明顯、谷胱甘肽過氧化酶的表達被抑制、線粒體形態改變，這些共同導致脂質過氧化物積累并最終引起細胞鐵死亡。Wang 等[39]將二茂鐵修飾的二膦配體引入銥配合物中實現了溶酶體靶向，結構如圖4（b）所示。由于配合物中二茂鐵結構的存在，在溶酶體的酸性環境下，該配合物能有效實現芬頓催化反應，產生羥基自由基并誘導脂質過氧化，同時下調谷胱甘肽過氧化酶，引起細胞發生鐵死亡。

2.2.3 免疫原性細胞死亡

免疫原性細胞死亡（immunogenic cell death，ICD）是指腫瘤細胞受到外界刺激發生死亡的同時由非免疫原性轉變為免疫原性而介導機體產生抗腫瘤免疫應答的過程。Wang 等[40]以N,N-雙（2-氯乙基）氮烷衍生物作為輔助配體合成了環金屬化的銥配合物（結構見圖5），該配合物可以靶向內質網并誘導內質網應激。在實驗中，該配合物可誘導非小細胞肺癌細胞產生多種免疫原性死亡特征，即鈣網蛋白暴露于細胞表面、高遷移率族蛋白B1 的胞外釋放和三磷酸腺苷的消耗，證實了該配合物可以誘導細胞免疫原性死亡并實現對腫瘤的治療。

3 結論與展望

介紹了近幾年金屬銥配合物在生物成像和腫瘤治療中的應用。目前開發的銥配合物主要以單核銥配合物為主，包括有機金屬半夾心銥配合物和環金屬化八面體銥配合物，研究者們大都選擇環戊二烯、苯基吡啶、三聯吡啶等作為配體，采用合適的基團進行修飾以改善配合物的水溶性和生物相溶性。同時在配合物上連接靶向基團以促使配合物進入腫瘤細胞內定位特定細胞器。銥配合物用于腫瘤治療主要以光動力治療和化療為主，不少銥配合物展現出良好的光動力學活性，具有較高的活性氧產率；利用銥配合物的配體易于修飾，實現不同的細胞死亡方式，表現出較高的抗腫瘤活性，使得銥配合物有望在臨床中進行轉化。雖然銥配合物的研究已取得較大進展，但仍面臨諸多挑戰：（1）銥配合物在體內的攝入與代謝過程中的存在狀態和角色尚未明確；（2）銥配合物與生物靶分子之間的相互作用尚未明確，未來需要探索更多可能的靶分子，同時明確兩者之間的相互作用；（3）銥配合物的發光性能與抗腫瘤性能的協同作用還需探索優化。我們希望借助總結這些研究結果為開發抗腫瘤銥配合物藥劑提供幫助，也希望銥配合物能成為新一代的腫瘤診療藥物。