納米MOF穩定細菌卟啉用於I型和II型同步的光動力療法

光動力學療法(photodynamic therapy, 簡稱PDT)作為一種微創性和局部性的癌癥治療手段,已在臨床治療食道癌,頭頸癌,眼腫瘤,皮膚癌,乳腺癌和肺癌等疾病中取得瞭良好的療效。PDT通過無毒的光敏劑(通常為卟啉衍生物)與光(一般為近紅外光)和氧氣的作用,產生活性氧物種(reactive oxygen species, 簡稱ROS)並引起細胞毒性,促使癌細胞凋亡或者壞死,並進一步引發腫瘤及周邊的免疫反應,使腫瘤消退。盡管PDT作為一種非常強力的治療手段,但也有以下的缺點:

  1. 光敏劑會殘留於病人體內並造成光敏性副作用(見不得光);
  2. 光的穿透深度淺,無法有效殺傷距體表較深的腫瘤以及轉移組織(深不見底);
  3. 癌細胞的高代謝導致腫瘤的局部乏氧,進而使得氧依賴的療法療效不佳(莫得氧氣)。

納米MOF穩定細菌卟啉用於I型和II型同步的光動力療法

而作為第二代光敏劑的代表化合物之一,細菌卟吩(bacteriochlorin)則成為瞭解決上述全部問題的候選物。細菌卟吩作為卟啉的還原性衍生物,其擁有以下優點:

  1. 在可見光區吸收弱,可緩解病人的光敏副作用;
  2. 用於治療的光波段處於人體組織的透明窗口(700 nm-850 nm),擁有更強的穿透性;
  3. 可同步進行I型與II型PDT機理,一定程度上能容忍低氧局部環境。

納米MOF穩定細菌卟啉用於I型和II型同步的光動力療法

主流的光敏劑如卟啉和二氫卟吩,都基於II型PDT機理,是通過激發態光敏劑耦合基態氧氣產生單線態氧,從而殺傷癌細胞,缺點是完全依賴氧氣。而細菌卟吩可進行I型PDT,即氧氣或者其他分子與激發態光敏劑發生氧化還原反應從而生成活性氧物種,典型的包括超氧負離子(O2-),過氧化氫(H2O2)與羥基自由基(OH)。由於I型PDT的本質是光引發的電子轉移導致的氧化還原反應,可以在腫瘤微環境中破壞氧化還原平衡,誘導細胞死亡,因此相對地可以容忍乏氧環境。

作為第二代光敏劑,目前基於細菌卟吩的產品包括在歐洲已經臨床獲批的TOOKAD用於治療前列腺癌,以及正在進行臨床實驗的Redaporfin用於治療膽道癌,兩者均取得瞭良好的臨床治療結果。但與此同時,由於細菌卟吩對於光和氧氣非常敏感,其作為卟啉的還原衍生物,具有較低的氧化還原電勢,所以以I型PDT機理作用的同時,也使得常規臨床光動力學療法條件下的細菌卟吩極易發生光漂白(photobleaching),從而喪失療效。這可以說是與PDT本來的目的背道而馳,會大大削弱其本應有的治療效果。那麼有沒有一種方法能夠既保持住細菌卟吩的穩定性,讓其不那麼容易光分解,而又能夠保有其本來就有的全部優點呢?為瞭解決這一問題,研究者們開始瞭精細而又充滿創意的探索。

作為新興的納米光敏材料——納米金屬-有機框架化合物(nanoscale metal-organic framework,簡稱nMOF),因其擁有利於活性氧擴散的多孔結構,防止自猝滅的規整框架結構,較高的光敏劑載荷以及良好的生物相容性,成為用於PDT的理想納米藥物。最近,芝加哥大學林文斌教授實驗室報道瞭用納米MOF作為穩定細菌卟吩的載體,成功實現I型和II型同步的光動力學療法,並在小鼠乳腺癌與結腸癌模型中獲得瞭極佳的療效。

納米MOF穩定細菌卟啉用於I型和II型同步的光動力療法

研究者首先合成瞭作為nMOF配體的具有高對稱性的四苯甲酸細菌卟吩(簡稱TBB),並通過與ZrCl4的溶劑熱反應合成瞭粒徑100 nm左右的具有PCN-224結構的納米MOF(簡稱Zr-TBB)。Zr-TBB的紫外吸收光譜顯示瞭其在740 nm附近的強吸收,而TEM與PXRD衍射圖樣證明Zr-TBB晶化良好,具有作為納米光敏劑的潛質。

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圖1. 關於Zr-TBB的透射電鏡(TEM)圖像(a)(b),粉末X-射線衍射圖樣(PXRD)(c),單晶結構(d),紫外可見光譜(e)和動態光散射得到的顆粒數均直徑。

細菌卟吩的光氧化過程是從卟啉環上雙鍵的[2+2]過氧化反應開始的,接著會逆[2+2]開環生成二酮結構,最後連續反應分解變為沒有光活性的碎片。在整個反應過程中,細菌卟吩的構象會發生較大的變化,以滿足sp2和sp3碳中心的幾何構型轉變。研究者假設在Zr-TBB nMOF的固定的結構框架中,由於TBB的四個苯甲酸被鋯氧團簇連結,TBB不易產生構象與結構的變化,因此相對於自由的細菌卟吩,在Zr-TBB中細菌卟吩配體的光氧化反應會被抑制。實驗與計算結果都印證瞭研究者的猜想,在740 nm 100 mW/cm2 的LED光照射下,Zr-TBB 表現出瞭卓越的光穩定性。因此,Zr-TBB 作為基於細菌卟吩的納米光敏劑,顯著提升瞭細菌卟吩的穩定性。

納米MOF穩定細菌卟啉用於I型和II型同步的光動力療法
圖2.(a)在空氣飽和的DMF中光照射後,隨時間變化的TBB紫外可見吸收率;(b)光照射後Zr-TBB隨時間變化的PXRD圖樣。在30分鐘的光照射下,H4TBB(c)和Zr-TBB(d)的光產物(TBB,TBC,片段)的百分比。(e)通過密度泛函理論(DFT)計算的H4TBB和Zr-TBB中TBB光分解反應過程的能量分佈圖。

體外實驗中,研究者驗證瞭Zr-TBB的活性氧產生機理與效率。通過不同的活性氧檢測試劑,證實瞭在體外環境中TBB可以同時進行I型與II型PDT機制,即對應產生出超氧負離子(O2-),過氧化氫(H2O2),羥基自由基(OH)與單線態氧(1O2)。而且相比於配體自身(H4TBB),Zr-TBB可以產生更強的ROS信息,說明nMOF對於細菌卟吩的穩定大大促進瞭PDT產生ROS的效率。研究者們同時研究瞭常氧條件下與乏氧條件下的細胞毒性,證明瞭即使是在乏氧PDT條件下,Zr-TBB依然可以高效地殺死細胞,再次證明瞭細菌卟吩I型PDT機理對於乏氧條件的適應。較低的暗毒性也說明瞭納米MOF良好的生物相容性。

納米MOF穩定細菌卟啉用於I型和II型同步的光動力療法
圖3.(a)光照射後在4T1細胞中產生的各種ROS種類的共聚焦激光掃描顯微鏡圖像。比例尺為20μm。(b,c)在常氧(b)和低氧(c)條件下對Zr-TBB(光照組)和H4TBB(光照組)進行細胞毒性分析。

在證明細胞層面上的ROS生成以及細胞毒性後,研究者們接著在兩種小鼠腫瘤模型上(4T1 & MC38)驗證Zr-TBB的癌癥光動力治療療效。在這兩種模型上,Zr-TBB光照組均表現出良好的腫瘤抑制效果,並與配體H4TBB光照組有顯著性差異。而通過對腫瘤樣本切片的鈣網蛋白(CRT)檢測與脫氧核苷酸末端轉移酶介導的dUTP缺口末端標記(TUNEL)檢測,Zr-TBB光照組也表現出最強的凋亡信號與免疫原性信號。

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圖4.對帶有4T1的BALB / c小鼠(a)和帶有MC38的C57Bl / 6小鼠模型(b)的抗腫瘤治療效果。(c)Zr-TBB光照組治療4T1腫瘤後,細胞表面CRT的表達的共聚焦激光掃描顯微鏡成像(上)和細胞凋亡TUNEL(中)和H&E染色顯示嚴重的細胞凋亡和壞死(下)。比例尺為20μm。

綜上所述,研究者們報道瞭利用Zr-TBB nMOF框架來穩定細菌卟吩進行光動力學療法。Zr-TBB通過I型和II型PDT機制產生出超氧負離子(O2-),過氧化氫(H2O2),羥基自由基(OH)與單線態氧(1O2)來介導高效的PDT過程。Zr-TBB在乳腺癌和結腸癌的小鼠腫瘤模型上顯示出極好的抗腫瘤功效,治愈率分別為40%和60%。因此,納米MOF提供瞭一個基於穩定細菌卟吩的新型納米光敏劑平臺,也為其他不穩定分子的生物應用提供瞭一個可行的思路與方法。這一成果近期發表在《美國化學會志》(JACS)上,文章的第一共同作者是芝加哥大學博士研究生羅韜堃和倪開元。

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