光敏劑在光動力治療中的應(yīng)用研究進展

夏偉康，金 竹，周昌林，汪 磊

三峽大學(xué)材料與化工學(xué)院，湖北省無機非金屬晶態(tài)與能源轉(zhuǎn)換材料重點實驗室，湖北 宜昌 443000

20 世紀初，德國醫(yī)學(xué)博士 Oscar Raab［1］在研究吖啶對纖毛蟲的影響時，意外發(fā)現(xiàn)在閃電的作用下，吖啶能快速地殺死草履蟲，繼而提出在光刺激下，化學(xué)物質(zhì)能夠誘導(dǎo)細胞死亡。光動力治療（photodynamic therapy，PDT）引起廣泛關(guān)注與研究。當(dāng)前PDT 已被成功應(yīng)用在多種疾病，如惡性腫瘤［2］、尖銳濕疣［3］、眼底黃斑病變［4］、牛皮蘚［5］、尋常痤瘡［6］以及殺滅病毒和細菌等［7］。

PDT 是光敏劑（photosensitizer，PS）和特定的波長光聯(lián)用的醫(yī)療技術(shù)。局部使用光敏劑，使光敏劑在病變的細胞中聚集。PS 分子處于單重態(tài)基態(tài)，當(dāng)吸收適當(dāng)波長的光子后，PS 中電子會躍遷到更高能級電子軌道。處于單重態(tài)激發(fā)態(tài)的PS 非常不穩(wěn)定，通過發(fā)光或放熱等方式釋放多余的能量，到達三重激發(fā)態(tài)。從三重激發(fā)態(tài)衰變回基態(tài)的過程中，除了發(fā)射熒光以外，還會與氧分子（O2）發(fā)生碰撞傳遞能量，產(chǎn)生兩種反應(yīng)（I 型和II 型光動力反應(yīng)）。I 型光動力反應(yīng)中，三重激發(fā)態(tài)的光敏劑與底物作用，通過轉(zhuǎn)移電子或氫原子，產(chǎn)生自由基；后者與氧作用，最終生成超氧離子（O2-）、過氧化氫（H2O2）和羥基自由基（·OH）等活性氧（reactive oxygen species，ROS）；在II 型反應(yīng)中，三重激發(fā)態(tài)的光敏劑直接轉(zhuǎn)移能量給基態(tài)氧，生成一種高效的活性氧物質(zhì)即單線態(tài)氧1O2。1O2可以使細胞凋亡、壞死和引起細胞自噬［8］。其中II 型光化學(xué)反應(yīng)被認為是PDT 中的主要反應(yīng)［9］（圖1所示［10］）。近年來隨著PDT 的廣泛研究與應(yīng)用，不同種類的光敏劑相繼研發(fā)。本文總結(jié)了光敏劑相關(guān)研究進展。

圖1 PDT 的 Jablonski能級圖Fig.1 Jablonski energy level diagram of PDT

1 光敏劑

盡管光敏劑的種類已發(fā)展很多，但目前被臨床批準作為藥物治療的光敏劑并不多。理想光敏劑應(yīng)具有的特性：1）高純度的單一化合物；2）具有良好的穩(wěn)定性；3）熒光處于近紅外區(qū)域（650～800 nm）；4）具有較高的三重態(tài)量子產(chǎn)率；5）暗毒性小，光毒性大；6）靶向性高；7）容易被人體組織吸收。

1.1 第一代光敏劑

血卟啉是最早被應(yīng)用于臨床治療的光敏劑［11］。大量研究表明血卟啉在人體表面顯示出強烈的光毒性［12］，并且對腫瘤細胞具有靶向作用［13］。血卟啉是粗血卟啉主要成分之一，Schwartz 等［14］對粗血卟啉進行純化得到血卟啉衍生物（hematoporphyrin derivative，HpD，圖2）。與粗血卟啉相比，血卟啉具有更好的光敏效應(yīng)和腫瘤細胞更好的選擇性。在此基礎(chǔ)上Dougherty等［15］經(jīng)過進一步的純化得到了卟吩姆鈉，是歷史上第一個光敏劑藥物。盡管第一代光敏劑已經(jīng)有作為藥物使用的，但是它的缺點限制了它在治療上的作用，主要表現(xiàn)在化學(xué)純度低、半衰期長、在健康的組織中消除緩慢，副作用較大、缺乏特異性、激發(fā)波長在可見光區(qū)域，難以穿透深層組織。

圖2 血卟啉衍生物的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of hematoporphyrin derivative

1.2 第二代光敏劑

相比于第一代光敏劑，第二代光敏劑具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、單線態(tài)氧的產(chǎn)率高、暗毒性低，產(chǎn)生光敏效應(yīng)的波長長等優(yōu)勢。第二代光敏劑主要分為卟啉衍生物類、酞菁類、二氫卟吩類、菌綠素類、吩噻嗪類等［16］。

1.2.1 卟啉衍生物 許德余等［17］通過對血卟啉的層析分離處理得到血卟啉單甲醚［hematoporphyrin monomethyl ether，HMME，圖3（a）］。在隨后的應(yīng)用研究中，顧瑛等［18］首次將HMME 應(yīng)用于鮮紅斑痣治療取得良好的效果，與HpD 相比，它的光敏作用更好，但在健康的組織中滯留時間較短。

另一種具有代表性的是5-氨基酮戊酸（5-aminolevulinic acid，5-ALA），進入人體內(nèi)后與酶發(fā)生反應(yīng)，生成具有光敏效應(yīng)的原卟啉IX［protoporphyrin IX，PpIX，圖3（b）］。王韜等［19］將5-ALA 在結(jié)腸癌 HT-29 細胞進行了實驗研究，結(jié)果表明其具有一定的光動力治療效果。盡管5-ALA 在臨床上取得一定的療效，由于PpIX 在治療窗口的吸收比較差，不能有效地到達較深的內(nèi)部組織，并且對于病體組織選擇性不高，所以一般用于表層病變組織的治療。

圖3 卟啉衍生物的結(jié)構(gòu)：（a）血卟啉單甲醚，（b）原卟啉IXFig.3 Structures of protoporphyrin derivatives：（a）HMME，（b）PpIX

1.2.2 二氫卟吩類衍生物 二氫卟吩光敏劑是研究最廣泛的第二代光敏劑種，是由葉綠素a 降解得到。與卟啉類光敏劑相比，由于二氫卟吩光敏劑結(jié)構(gòu)中一個雙鍵被單鍵取代，所以在紅光區(qū)的光敏效應(yīng)更好。

焦脫鎂葉綠酸-a［圖4（a）］具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的二氫卟吩母核，最大吸收波長在667 nm，位于光動力的治療窗內(nèi)，具有合成工藝簡單，成本低等優(yōu)點，國內(nèi)外進行了大量的研究應(yīng)用［20］。Patterson 等［21］通過對葉綠素的降解得到紅紫素，但是其在水中的穩(wěn)定性較差。通過在紅紫素外圍引入不同的官能團，提高其性能，如紅紫素-18 甲酯［圖4（b）］［22］。紅紫素-18 甲酯最大吸收波長699 nm，有較強的穿透力，并且還具有暗毒性低、光毒性高、在體內(nèi)滯留時間短和活性氧產(chǎn)率較高的優(yōu)點。

針對葉綠素-a 衍生物，Harris 等［23］進行了大量的研究，結(jié)果表明3-吡唑啉基取代的葉綠素-a 衍生物在老鼠的肉瘤細胞中光活性非常高，IC50值小于 0.8 mmol/L。另外 Pandey 等［24］首次將葉綠素-a烷基醚化，引入乙氧基后得到2-（1-己氧基乙基）-2-去乙烯基焦脫鎂葉綠酸［HPPH，圖4（c）］，該藥物化學(xué)結(jié)構(gòu)單一、激發(fā)波長長、光穩(wěn)定性好、光毒性小。Chen 等［25］通過 HPPH 的 PBPK 小鼠模型，推測人體組織中應(yīng)用HPPH 治療消化道癌和皮膚癌的光照適宜時間窗分別為24～48 h和48～96 h。

Gurinovich 等［26］通過對天然葉綠素得到二氫卟吩 e6［Chlorine6，Ce6，圖4（d）］，Ce6 具有 ROS 產(chǎn)量高并且副作用小的優(yōu)點。為了提高Ce6 在實際治療中的效率，將Ce6 與高聚物結(jié)合形成納米粒子。Ryu 等［27］將甲氧基聚乙二醇和 Ce6 組成的納米光敏劑Pe6，提高了Ce6 在結(jié)腸癌細胞中的傳遞效率。Pe6 納米光敏劑在體外細胞培養(yǎng)實驗中顯示細胞攝取、光毒性和活性氧生成增強。在Ce6的基礎(chǔ)上，對卟啉母環(huán)上兩個對位吡咯β 位的雙鍵還原成單鍵形成細菌二氫卟吩［圖4（e）］，與二氫卟吩相比，其吸收波長在紅外光吸收區(qū)更長［28］。

二氫卟吩類光敏劑由于在近紅外區(qū)域的強吸，能夠深入深層組織的優(yōu)點，得到了大量的關(guān)注。但是其水溶性差，光譜特征不穩(wěn)定、保質(zhì)期有限、清除率低，光毒性突出等因素限制了它在光動力治療中的應(yīng)用。在后續(xù)的研究中通過對Ce6 進行化學(xué)修飾，與納米技術(shù)相結(jié)合或與其他治療方式聯(lián)合等方法，從而提高了其在光動力治療中的效率。

圖4 二氫卟吩類衍生物的結(jié)構(gòu)：（a）焦脫鎂葉綠酸-a，（b）紅紫素-18 甲酯，（c）2-（1-己氧基乙基）-2-去乙烯基焦脫鎂葉綠酸，（d）二氫卟吩e6,（e）細菌二氫卟吩Fig.4 Structures of phytochlorin derivatives：（a）pyropheophorbide-a，（b）purpurin-18，（c）HPPH，（d）Ce6，（e）bacterial chlorin

1.2.3 稠環(huán)醌類光敏劑 稠環(huán)醌類光敏劑能夠從菌類植物中獲取，因為結(jié)構(gòu)中的擴展π 電子體系，所以有較好的光敏效應(yīng)，較高的活性氧產(chǎn)率?，F(xiàn)階段，竹紅菌素、金絲桃素、姜黃素等稠環(huán)醌類光敏劑研究最為廣泛。

竹紅菌素［hypocrellins，圖5（a）］主要分為甲型和乙型兩種。在堿性的條件下，竹紅菌甲素可以脫水生成竹紅菌乙素。Miller 等［29］在小鼠上進行實驗，發(fā)現(xiàn)3 種竹紅菌乙素的衍生物對EMT6/Ed 移植瘤起作用，并且在皮膚上幾乎沒有光毒反應(yīng)。與HpD 相比，竹紅菌素具有原料容易得到純化，三重態(tài)量子產(chǎn)率和單重態(tài)氧量子產(chǎn)率高、光毒性高、暗毒性低、從正常組織的排除速度快等優(yōu)點，但缺點是竹紅菌素不易形成聚集體，從而降低了光動力活性。

金絲桃素［hypericin，圖5（b）］從貫葉連翹中提取而出，百余年來一直作為藥物使用。金絲桃素屬萘駢二蒽酮類化合物，最大的吸收波長在590nm，單線氧產(chǎn)率高，具有良好的光敏性。Park等［30］研究發(fā)現(xiàn)金絲桃素隨著氧濃度的增加，抗病毒能力增強。Mirossa 等［31］研究發(fā)現(xiàn)，在光的作用下，金絲桃素的抗病毒能力得到提高。

Vogel 和 Pelletier［32-33］從姜科植物根莖中提取而出，經(jīng)熒光測試，姜黃素（圖5c）有2 處強吸收峰分別在 200～230 nm 和 400～425 nm。它的最大激發(fā)波長為425 nm，最大發(fā)射波長為530 nm。1949 年，Schraufsttter 等［34］首次發(fā)現(xiàn)姜黃素的抗菌作用。隨后各方面的研究表明姜黃素具有抗炎［35］、抗氧化［36］、促凋亡［37］等作用。2000 年，陳瑞川等［38］研究表明姜黃素在有光照的條件下，誘導(dǎo)細胞凋亡的能力顯著提高。Cheng 等［39］在使用姜黃素治療胃腸上皮化生的I 期臨床時，姜黃素對人體無毒性。雖然姜黃素具有成本低，安全無毒的優(yōu)點，但是姜黃素的缺點是吸收波長短，組織穿透能力差并且難溶于水、利用度差。為了提高姜黃素的光敏性能，將其與金屬離子結(jié)合，如金屬鈷［40］或者進行糖基化的方式［41］。

圖5 稠環(huán)醌類光敏劑的結(jié)構(gòu)：（a）竹紅菌素，（b）金絲桃素，（c）姜黃素Fig.5 Structure of photosensitizer of fused quinones：（a）hypocrellins，（b）hypericin，（c）curcumin

1.2.4 酞菁類光敏劑 酞菁（Phthalocyanine）是一種人工合成的光敏劑，其優(yōu)點包括：1）在卟啉環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上π 電子體系擴展，使得酞菁類光敏劑吸收波長向長波長移動，主要吸收范圍在750～900 nm；2）服用1 h 即可進行光照治療，24 h 之內(nèi)排出體外［42］。然而，酞菁類光敏劑具有較強疏水性，需要脂質(zhì)體包裹使用或者經(jīng)過磺化提高其水溶性［43］。為提高酞菁的光動力性能，將酞菁的中心空位與多種金屬絡(luò)合配位已成為現(xiàn)階段研究熱點。絡(luò)合配位的金屬氧化價態(tài)大于+2 價時，酞菁金屬絡(luò)合物具有良好的抗癌活性［44］。謝寶剛［45］研究發(fā)現(xiàn)鋁酞菁（AlPc）對白血病細胞具有很高選擇性且不影響正常細胞。陳耐生等［46］研制出抗癌藥物鋅酞菁，“福大賽因（Photocyanine）”，目前該藥物已進入臨床階段，并取得了良好的預(yù)期效果。

1.2.5 吩噻嗪類光敏劑 3，7-雙（二甲氨基）吩噻嗪-5 鎓氯（Methyleneblue，MB）是吩嗪類光敏劑中最具代表性的。MB 能在紅光區(qū)強吸收并且性能優(yōu)良，所以在PDT 中廣泛使用。鄭薇等［47］研究表明MB 富集在線粒體，使其功能變化，能夠誘導(dǎo)腫瘤細胞凋亡。在后期的研究中將亞甲基藍與納米技術(shù)型結(jié)合，能夠提高其光動力治療效率［48］。

1.3 第三代光敏劑

第二代光敏劑普遍存在著水溶性差，選擇性低，傳遞效率慢等缺點，限制了在治療上的應(yīng)用。第三代光敏劑在第二代的光敏劑基礎(chǔ)上，通過對其進行化學(xué)修飾，與具有生物特性或分子識別功能的化學(xué)物質(zhì)相結(jié)合；負載在多功能材料上等手段，提高了光敏劑的胞內(nèi)靶向性，加快光敏劑在組織中的傳遞效率，從而減少對健康組織的副作用。

1.3.1 糖基化光敏劑 糖類是細胞能量供給的主要來源。癌細胞的快速生長和增殖需要大量的糖類化合物，因此糖基化光敏劑提高了對癌細胞的靶向作用，同時提高了光敏劑在水中的溶解性。Chen 等［49］研究表明將四（五氟苯基）卟啉和糖的硫代衍生物制備了不可水解的糖（葡萄糖或半乳糖）卟啉光敏劑（圖6），更容易被癌癥細胞吸收。葡萄糖結(jié)合的卟啉光敏劑吸收性比半乳糖結(jié)合的卟啉衍生物更容易被吸收，并有更大的細胞毒性。Vedachalam 等［50］合成一系列卟啉衍生物，通過改變meso-H 上連接的基團，進行對比實驗。結(jié)果表明當(dāng)4 個meso-H 都連接糖時，溶解性提高，更易進入癌細胞，光毒性最強，引起細胞凋亡。

圖6 糖基化光敏劑的結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of glycosylated photosensitizer

1.3.2 激活型光敏劑 為了進一步減少對健康組織的副作用，通過設(shè)計一種與前藥結(jié)合的偶聯(lián)光敏劑，當(dāng)進入癌癥細胞時，會與前藥進行反應(yīng)激活光敏劑，使光敏劑具有活性，以此增加對癌癥細胞的特異性。目前，主要有2 種激活方式：1）pH 激活，因為癌癥細胞內(nèi)的pH 低于健康細胞。Zhu等［51］研究報告在乙苯甲酰胺鏈上連接咪唑環(huán)，咪唑環(huán)作為pH 感應(yīng)器，在酸性條件下能產(chǎn)生單線態(tài)氧（圖7）。（2）與淬滅劑連接，在癌細胞附近被內(nèi)源性酶特異性地激活。例如Choi 等［52］將多個氯e6分子偶聯(lián)在可生物降解的聚賴氨酸上，接枝單乙氧基聚乙二醇，可以觀察到癌癥細胞的減少；相反與不可降解聚賴氨酸連接的氯e6 沒有作用。

圖7 pH 激活型光敏劑Fig.7 pH activated photosensitizer

1.3.3 聚合光敏劑納米粒子 通過物理截留，光敏劑與聚合物之間的疏水或者靜電的相互作用力，使光敏劑與聚合物形成納米粒子［53］。通常使用的聚合物有聚乳酸、聚D，L-丙交酯-乙交酯、聚己內(nèi)酯、殼聚糖、明膠等［54］。由于高滲透長滯留效應(yīng)（enhanced permeability and retention effect，EPR），納米粒子能夠積聚在腫瘤部位，提高了光動力治療效率，并降低了副作用［55］。納米技術(shù)可以提高光敏劑在PDT 中的效率：1）納米粒子在面對特定受體時可以采取靶向治療方法；2）提高疏水性光敏劑在水中的溶解度；3）光敏劑能夠在病變組織中以恒定的速率釋放，從而能維持穩(wěn)定的治療劑量。Khdair 等［56］用磺基琥珀酸二辛酯鈉和海藻酸鈉的包裹的亞甲基藍，并在2 個癌細胞系MCF-7 和4T1 進行了體外測試，結(jié)果表明顯示出MB 在細胞核中的積累增強和PDT 功效提高。Choi 等［57］設(shè)計了一種針對細胞表面葉酸（FA）受體靶向的納米光敏劑，將Ce6 和FA 共價結(jié)合到磁鐵礦Fe3O4納米顆粒的表面，形成Fe3O4-Ce6-FA 納米顆粒，具有良好的水溶性和生物相容性。實驗結(jié)果表明Fe3O4-Ce6-FA 納米顆粒在前列腺PC-3和乳腺MCF-7 癌細胞中具有良好的抗癌效果。

1.3.4 富勒烯 富勒烯是由sp 雜化的碳原子（C60，C70，C84等）組成的封閉籠式全碳納米結(jié)構(gòu)，摩爾吸收系數(shù)大，三重態(tài)效率高。在有機溶劑或疏水環(huán)境中，受到光激發(fā)后，富勒烯能夠非常有效的生成1O2。在水性環(huán)境中，富勒烯的光化學(xué)機理從 II 反應(yīng)轉(zhuǎn)換為 I 型反應(yīng)，生成 HO·［58］。然而，富勒烯需被功能化以使它們?nèi)苡谏锶軇┖吞岣邼B透性能。富勒烯與聚乙二醇進行偶聯(lián)，提高了在水中的溶解度，并且還提高了對腫瘤的選擇性。在小鼠體內(nèi)實驗結(jié)果表明腫瘤細胞明顯壞死，對皮 膚 沒 有 明 顯 光 毒 性［59］。Hou 等［60］通 過 質(zhì) 酸（HA）來修飾富勒烯，得到HA-C60。結(jié)果顯示透明質(zhì)酸修飾后的富勒烯能夠滲透到腫瘤部位，對腫瘤細胞具有良好的靶向性。同時提高了單線態(tài)氧的生產(chǎn)能力，促進了光動力療效。另外還可以利用氧化石墨烯與富勒烯進行共價連接。由于氧化石墨烯自身的近紅外強吸收能力，所以這種共價物在近紅外區(qū)也有強吸收，從而提高了深層次組織中進行光動力治療的能力［61］。

2 展 望

在過去的幾十年，光敏劑設(shè)計取得了許多重大進展，并且已經(jīng)從第一代發(fā)展到第二代、第三代。盡管光敏劑具有很多先天優(yōu)勢，但它在臨床應(yīng)用方面仍然有很多問題：1）光敏劑的激發(fā)光穿透人體組織位置較淺，需要開發(fā)激發(fā)波長為700～1 300 nm 的光敏劑，實現(xiàn)對深層組織的光動力治療；2）光敏劑在人體中實際的靶向運輸效率十分有限，限制了光動力治療的療效。因此需要考慮不同的靶向運載體系與光敏劑結(jié)合；3）光動力療法需要消耗氧氣，但是腫瘤組織處于乏氧微環(huán)境，因此需要設(shè)計能夠自產(chǎn)氧的光敏體系；4）需根據(jù)病變組織與健康組織的差異，設(shè)計出對應(yīng)的激活光敏劑，增強光敏劑對病變組織的選擇性，減少對健康組織的副作用。在未來，隨著更多高性能的光敏劑合成出來，光動力治療應(yīng)用前景十分廣闊。