BODIPY型光敏劑在光動力治療癌癥領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與進展

汪清清，方 霄，熊惠娟，胡美純，王小波*

(1.湖北科技學(xué)院醫(yī)學(xué)部藥學(xué)院，湖北 咸寧 437100;2.湖北科技學(xué)院醫(yī)學(xué)部基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院)

PDT是指以特定波長的光源(通常為可見光，多為紅光)激發(fā)光敏劑，隨后迅速與周圍的O2作用，產(chǎn)生可以攻擊靶細胞或組織等生物大分子的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，如1O2、OH等[1-2]。這些活性氧物種具有很強的活性，能促使、誘導(dǎo)細胞壞死或凋亡，從而達到治療目的，故常將光敏劑、光源和O2的協(xié)同作用作為PDT的關(guān)鍵[3]。

PDT在疾病的治療尤其是癌癥治療領(lǐng)域有著獨特的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。與經(jīng)典的癌癥治療策略相比，PDT通過選擇合適的光敏劑、光源，調(diào)節(jié)光照時間、強度，并特異性照射病灶位點，就能夠?qū)崿F(xiàn)對治療效果的調(diào)控。其有如下優(yōu)點：①可應(yīng)用于不適合手術(shù)、化療和放療的病人群體；②可選擇性用于手術(shù)不能接觸的部位；③可安全有效地重復(fù)使用；④不產(chǎn)生免疫抑制；⑤能在手術(shù)、化療、放療的各個階段配合輔助使用，達到協(xié)同增效并降低副作用的目的；⑥基本不產(chǎn)生耐藥性[4]。

作為PDT的核心，光敏劑的研發(fā)一直是該領(lǐng)域的重點研究方向。最初，以卟啉作為光敏劑得到了廣泛關(guān)注與重視。隨著研究的不斷深入，其他類型的光敏劑逐步出現(xiàn)，并被越來越多地應(yīng)用于臨床試驗[5-8]。目前研究較為熱門的光敏劑類型有：卟啉型、鈦菁型以及氟硼二吡咯(dipyrromethene boron difluoride，BODIPY)型等[9-11]。其中BODIPY是一類優(yōu)良的熒光物質(zhì)，被廣泛用于制備熒光探針和作為熒光成像染料。其優(yōu)點為：①通常具有較大的摩爾吸光系數(shù)；②具有高的化學(xué)穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性；③結(jié)構(gòu)中有多個可修飾位點，方便引入其它功能基團[12-13]。在過去十多年中，它已發(fā)展成為一種極具潛力的新型光敏劑，其用于光動力抗癌的文獻大量涌現(xiàn)[14-18]。本文將根據(jù)PDT用于癌癥類型的不同，對BODIPY型小分子光敏劑進行綜述。

1 BODIPY型光敏劑對肺癌和肝癌的PDT作用

Ramu團隊將BODIPY連接嗎啉環(huán)，并與Pt(Ⅱ)配位制備得到了一個能選擇性定位于溶酶體的光敏型配合物1，結(jié)構(gòu)見圖1-1[19]。該配合物在600～720nm的近紅外光照下具有良好的1O2產(chǎn)生能力，因而對人肺癌細胞A549等具有優(yōu)異的PDT活性，IC50值低至0.7μmol/L，暗毒性則不明顯。細胞凋亡檢測表明光敏型鉑配合物1主要通過致使癌細胞內(nèi)的溶酶體功能紊亂而表現(xiàn)出高效的PDT活性。

Wang課題組利用水溶性良好的咔唑基連接BODIPY制備得到了一個正交給體-受體結(jié)構(gòu)型光敏劑2，結(jié)構(gòu)見圖1-2[20]，證明光敏劑2擁有強的1O2敏化能力，在甲醇中的單線態(tài)氧量子產(chǎn)率達到了0.68。同時，它的水溶性也很好，并具有較高的光穩(wěn)定性。MTT實驗表明光敏劑2對人肝癌細胞Bel-7402的抑制效率優(yōu)異(4mW/cm2，460nm)，IC50值達到了0.45μmol/L，而無光照時則沒有任何效果。進一步以光敏劑2處理模式動物斑馬魚后，斑馬魚能有效吸收此光敏劑。給予光照后，釋放大量ROS，氧化和破壞了斑馬魚組織的完整性。綜上可知，化合物2是一個有望用于真實PDT的優(yōu)良光敏劑。

圖1 光敏型配合物1和正交給體-受體結(jié)構(gòu)型光敏劑2的分子結(jié)構(gòu)

2 BODIPY型光敏劑對乳腺癌和宮頸癌的PDT作用

Miao團隊首先設(shè)計合成了有機氮雜的BODIPY，然后在此基礎(chǔ)上加碘得到了一個具有突出的系統(tǒng)間交叉(ISC)特征的光敏劑3，結(jié)構(gòu)見圖2-3[21]。實驗采用飛秒瞬態(tài)吸收光譜學(xué)(fs-TA)結(jié)合理論計算，揭示了光敏劑3高效的ISC效率(ФISC=91%)。這種ФISC賦予了光敏劑3超高單線態(tài)氧量子產(chǎn)率(ФΔ=88%)，從而實現(xiàn)在超低近紅外光功率密度(<10mW/cm2)下高效的PDT。應(yīng)用流式細胞術(shù)對乳腺癌細胞進行檢測，發(fā)現(xiàn)在光敏劑3和LED燈的協(xié)同照射下，晚期凋亡癌細胞從1.4%增加到90.1%。同時MTT實驗表明光敏劑3即使在高濃度(100μg/mL)下也表現(xiàn)出可忽略的暗細胞毒性，而在660nm的LED燈照射下具有極高的光毒性。進一步用攜帶乳腺癌細胞的小鼠測試體內(nèi)治療效果，證實了光敏劑3的腫瘤積累。在LED燈照射后，注射了化合物3的小鼠腫瘤體積受到明顯抑制。綜上所述，本研究不僅提供了一種新型的超高ФΔ有機近紅外光敏劑，而且豐富了對有機近紅外材料ISC動力學(xué)的認識，為臨床癌癥治療設(shè)計新型有機治療材料提供了有價值的指導(dǎo)。

Qi等首先在BODIPY上引入噻吩，然后在此基礎(chǔ)母核上引入一個對甲氧基苯基得到具有線粒體靶向的光敏劑4，結(jié)構(gòu)見圖2-4[22]。值得注意的是，光敏劑4具有顯著的雙重功能，表現(xiàn)為較高的單線態(tài)氧生成能力(ФΔ≈0.85)和中等的熒光強度(Фf=17.11)。此外，MTT實驗表明光敏劑4即使在很低濃度(0.15μmol/L)下，生長抑制率也達到約88.0%，且對宮頸癌細胞的IC50值降低為95nmol/L，其可能歸因于在光照射下產(chǎn)生的高單線態(tài)氧量子產(chǎn)率和高效的線粒體特異性ROS生成。激光共聚焦實驗結(jié)果進一步表明，宮頸癌細胞死亡是由線粒體相關(guān)途徑誘導(dǎo)的。綜上可知，在噻吩融合的BODIPY平臺的介觀位置加入一個供電子基團可能是開發(fā)用于精確治療癌癥藥物的有效方法。

3 BODIPY型光敏劑對皮膚癌的PDT作用

Qiao等將具有顯著的單線態(tài)氧量子產(chǎn)率的金屬Ru(Ⅱ)連接到BODIPY上，得到溶酶體靶向的偶聯(lián)物5，結(jié)構(gòu)見圖2-5[23]。光敏劑5對惡性黑色素瘤細胞(PI=3448)和異種移植惡性黑色素瘤小鼠產(chǎn)生高效的PDT療效。流式細胞術(shù)分析顯示，惡性黑色素瘤細胞中2，7-二氯熒光素(DCF)發(fā)射呈光敏劑濃度依賴性增加，表明近紅外光(NIR)照射下在細胞中產(chǎn)生了ROS。特別值得注意的是，在極低的NIR(0.5J/cm2)照射下，即使是超低的孵育濃度(0.0125mmol/L)的光敏劑5也能提高惡性黑色素瘤細胞中可觀的ROS，且無暗毒性。進一步通過體內(nèi)熒光成像發(fā)現(xiàn)，光敏劑5對異種移植惡性黑色素瘤小鼠有明顯的腫瘤生長延遲和抑制作用，且未引起明顯的體重減輕，這表明光敏劑5具有無毒性。綜上所述，光敏劑5成功地整合了Ru(Ⅱ)和BODIPY的優(yōu)點，在體外表現(xiàn)出顯著的PDT效力，在體內(nèi)能夠抑制腫瘤生長，是新一代NIR驅(qū)動的PDT強大候選藥物。

圖2 光敏劑3、光敏劑4和偶聯(lián)物5的分子結(jié)構(gòu)

4 BODIPY型光敏劑對其它癌癥的PDT作用

Yuan等首先將介-(4-吡啶基)連接到BODIPY上，然后與苯硼酸吡啶酯基進行烷基化反應(yīng)，最后加碘并對其進行修飾，得到單線態(tài)氧生成效率低、水溶性好的光敏前藥6，結(jié)構(gòu)見圖3-6[24]。其一旦被暴露于腫瘤環(huán)境的ROS中，光敏前藥6可以被重新激活并轉(zhuǎn)化為光敏劑6而產(chǎn)生高效率的單線態(tài)氧，從而在光照射下殺死癌細胞。與前藥類似，光敏前藥6可能在需要時表現(xiàn)出PDT效率，并在治療前后保持惰性狀態(tài)。因此，光敏前藥6可能對正常細胞具有較低的光毒性，并可能在腫瘤環(huán)境中被ROS激活以恢復(fù)光毒性。采用結(jié)腸癌細胞和正常結(jié)腸黏膜上皮細胞進行PDT實驗，光敏前藥6無論有或沒有光照的情況下，都對正常結(jié)腸黏膜上皮細胞表現(xiàn)出相對較低的細胞毒性，表明其具有良好的生物相容性和安全性。對于結(jié)腸癌細胞，則在黑暗中表現(xiàn)出較低的細胞毒性。有趣的是，即使僅在綠光下照射1min，結(jié)腸癌細胞的細胞活力也顯著降低，光敏前藥6對結(jié)腸癌細胞的IC50約為1μmol/L。進一步用流式細胞術(shù)檢測結(jié)腸癌細胞和正常結(jié)腸黏膜上皮細胞內(nèi)ROS的水平，發(fā)現(xiàn)腸癌細胞內(nèi)ROS水平比正常結(jié)腸黏膜上皮細胞高10倍。光敏前藥6一旦進入結(jié)腸癌細胞，就可以被高ROS水平重新激活生成光敏劑6，并表現(xiàn)出較高的單線態(tài)氧生成效率。因此，在綠光照射下，光敏前藥6對結(jié)腸癌細胞的細胞毒性顯著增強。不同的是，在正常結(jié)腸黏膜上皮細胞中，由于ROS濃度相對較低，光敏前藥6保持失活狀態(tài)。總之，基于細胞內(nèi)ROS水平的差異，光敏前藥6在腫瘤細胞中可被激活，具有良好的PDT效率，而在正常細胞中保持惰性狀態(tài)和較低的光毒性。這樣，在不犧牲治療效果的情況下，進一步提高了PDT的安全性和選擇性。

Reina等首先在BODIPY上連接苯基硼酸基團以及氯，然后在此基礎(chǔ)上與氧化石墨烯(GO)通過二醇衍生化反應(yīng)得到化合物7，其在谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(GST)存在下，兩個氯原子被谷胱甘肽(GSH)取代而發(fā)揮作用，結(jié)構(gòu)見圖3-7[25]。在2D和3D前列腺癌細胞模型中對化合物7的療效進行研究，發(fā)現(xiàn)在光照射下熒光增加9.5倍且產(chǎn)生高水平的ROS，導(dǎo)致顯著的前列腺癌細胞死亡。此外，化合物7耗盡了細胞內(nèi)的GSH，從而降低了GST清除ROS的能力，這有助于增加前列腺癌細胞死亡。綜上可知，化合物7可以用于GSH的消耗，并作為一種體外光敏劑，具有優(yōu)于氧化石墨烯的活性，也為如何應(yīng)用BODIPY治療前列腺癌提供了一個新的視角。

圖3 光敏前藥6和化合物7的分子結(jié)構(gòu)

5 總結(jié)與展望

以疾病模型的不同分類，本文系統(tǒng)綜述了BODIPYs作為光敏劑在光動力抗腫瘤中的研究進展。在對BODIPY的結(jié)構(gòu)修飾方面，可以加入重原子如I、Br等，以增加ROS的產(chǎn)生，進而增強光動力活性。也可通過將meso位的C變成N而制備azo-BODIPYs，來增加其激發(fā)和發(fā)射波長，有助于實現(xiàn)對活體內(nèi)深層組織的癌癥病灶治療。此外，還可將BODIPYs與具有化療活性的金屬配合物等聯(lián)合，研發(fā)雙功能或多功能藥物等。

綜上所述，設(shè)計和合成可用于真實生命體系中光動力抗癌的BODIPY型光敏劑對當(dāng)前的化學(xué)家和藥物學(xué)家來說仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。目前，已有一些研究者[26-28]嘗試在BODIPYs基礎(chǔ)上構(gòu)建前藥來實現(xiàn)診療一體化等。我們相信，BODIPYs作為一類極具前景的光敏劑核心單元，必將受到越來越多的關(guān)注而不斷衍生出走向?qū)嶋H臨床的光動力抗癌藥物。