光敏剂的纳米修饰技术及新型纳米材料在肿瘤光动力疗法中的应用研究进展

杨贵兰，秦松，李文军 1中国科学院烟台海岸带研究所，山东烟台264003；2滨州医学院药学院；3 中国科学院海洋大科学研究中心

光动力疗法(PDT)是治疗皮肤癌、食管癌、肺癌、胃肠道癌等各种实体瘤的有效方法，具有特异选择性高、不良反应少、微创及可重复治疗等优点[1]。PDT通过使用特定波段的光来激发光敏剂(PSs)产生活性氧(ROS)，从而诱导细胞凋亡或坏死、微血管损伤和免疫应答。但PSs结构以高度共轭的化合物为主，水溶性较差，在水中的聚集性较强，可能导致其光动力活性降低[2]。此外，PSs在体内的清除过程缓慢，残留的PSs可能对眼睛、皮肤或其他正常组织产生光敏化反应，且PSs对肿瘤组织缺乏靶向性和特异性。目前有两个常用的方法解决上述问题，一是采用纳米技术对PSs进行直接修饰，二是采用纳米材料载体对PSs进行递送。本研究就常用的PSs纳米修饰技术及纳米颗粒、脂质体、水凝胶、大分子聚合物等新型纳米材料在肿瘤PDT中的应用情况进行综述。

1 常用的PSs纳米修饰技术

1.1 PSs的化学修饰 血卟啉、叶绿素衍生物等传统的PSs大多为有机小分子，对肿瘤组织缺乏靶向性及特异性，且易对正常组织造成非特异性损伤。由于肿瘤生长迅速，血管组织发育不全，其微环境呈弱酸性和缺氧状态，传统PSs对肿瘤的靶向性有限。因此，可以通过环境响应、表面修饰、金属离子络合等方法对PSs进行修饰[8]。

卟啉是一类由四吡咯环通过4个甲基桥电子p-共轭组成的环状化合物。为了获得具有长波吸收、水溶性较好，且对肿瘤组织具有更高选择性的二氢卟吩类PSs，Zhang等[3]合成了8种二氢卟吩p6醚的新型水溶性氨基酸共轭物6a-h，并应用于肿瘤PDT中，结果显示其抗肿瘤作用随着31位烷氧基醚键碳链长度的增加而增强，并显示出高光毒性及良好的水溶性，同时对正常细胞毒性较低。

酞菁是四氮杂卟啉衍生物，含有4个席夫碱氮代替连接4个吡咯环的甲烷桥，酞菁及其衍生物也是脑肿瘤PDT中最常见的PSs[4]。与卟啉衍生物相比，酞菁在近红外光区的吸收能力更强，单重态氧量子产率更高。但酞菁具有较强的疏水性，在溶液中有很强的聚集趋势，导致PDT疗效降低。Felix等[5]合成了一系列新型糖结合型锌(Ⅱ)酞菁化合物，并发现经C-糖苷修饰的PSs在溶液中形成的聚集体可大大减少，从而提高了PSs的稳定性。

C-藻蓝蛋白(C-PC)是螺旋藻中主要的藻胆蛋白，含有一种开放链四吡咯修复体蓝生色团藻蓝素(PCB)。C-PC对肿瘤细胞具有光动力作用，因此可以作为一类新型PSs。Wan等[6]证实了C-PC对巨噬细胞的清道夫受体A有特异性亲和力，因此将C-PC作为肿瘤相关巨噬细胞靶向PDT的载体，并与酞菁锌结合制备得到ZnPc-CPC偶联物；结果显示，C-PC的结合可抑制ZnPc聚集，使ZnPc的溶解度加大、光动力学活性增强。Pu等[7]将C-PC与生物硅进行共价偶联，发现生物二氧化硅修饰会使C-PC的吸收峰出现轻微红移；另外，二氧化硅增加了PC与肿瘤细胞的亲和力，620 nm激光照射C-PC和C-PC修饰的生物硅可明显提高肿瘤细胞凋亡率。

1.2 PSs超分子体系的构建 超分子化学是指由两种或两种以上的化学物质通过分子间非共价力结合而成的物质。借助超分子技术，利用环糊精、葫芦素等大环化合物对PSs进行修饰，可制备得到功能超分子体系，从而提高PSs的水溶性，抑制其在水中聚集，最终显著提高PSs的光活性[8]。

Cheng等[9]以天然小分子固醇为载体，与二氢卟吩e6(Ce6)构建得到超分子体系，制备得到超分子组装PSs药物(Ergo-Ce6 NPs);结果显示1 μg/ mL的Ergo-Ce6 NPs对4T1和MCF-7癌细胞的增殖抑制率可达73%、92%。Wang等[10]基于β-环糊精(β-CD)与四苯基卟啉(TPP)的超分子相互作用，制备了一种用于基因与PSs共传递的阳离子纳米平台；结果发现TPP的引入不仅明显提高了细胞凋亡率，还可以促进DNA内质逃逸，为协同基因的肿瘤PDT治疗提供了一个良好的契机。

2 新型纳米材料在肿瘤PDT中的应用

为了克服PSs对肿瘤组织的低靶向性和低特异性，目前大多采用纳米粒子将PSs精准的传递到靶组织，例如纳米颗粒、纳米脂质体、树状大分子、纳米水凝胶颗粒等[11～13]。

2.1 纳米颗粒 纳米颗粒是指粒度为1～100 nm的粒子，又称超细微粒。近年来，人们将具有磁导向或特定发光等性质的纳米颗粒与PSs结合起来，得到了新型PSs。与常规PSs相比，纳米PSs具有粒径小、比表面积大、催化效率高、表面反应活性高、活性中心多、吸附能力强等优点[14]。

2.1.1 金纳米粒子 金纳米粒子主要被用作钝化剂、药物递送剂、成像剂和光热剂，其具有不同的特征形状，如球形、杆形等。在PDT中，金纳米粒子可被单独使用或作为多功能纳米材料混合系统的一部分来进行PSs递送[15]。金纳米粒子一般被用作超顺磁性氧化铁纳米粒子(SPIONs)的钝化剂以及抗癌药物与PSs的载体，其与聚合物络合可以提高稳定性，避免PSs聚集[15]。金纳米粒子还具有等离子体共振特性，在近红外辐射暴露下，光被转换成热，从而提高光动力学效率。Plan等[16]合成了阿伦膦酸盐介导的金纳米球，其在体外以剂量依赖的方式抑制前列腺癌PC3细胞增殖，IC50为100 μmmol/L；在近红外辐射下，其温度升高IC50降为1 μmmol/L，明显抑制了PC3增殖。

2.1.2 SPIONs SPIONs是一种磁性氧化铁纳米粒子，其核直径<16 nm，水动力直径≤300 nm。用于生物医学的SPIONs主要有两类，即Fe3O4和Fe2O3。在PDT中，SPIONs已经成功用于将卟啉和非卟啉前体药物传递到肿瘤靶点，这一设计的成功促进了多功能SPIONs-PSs共轭系统的开发。Leyong等[17]开发了一种由SPIONs、上转换纳米粒子和酞菁组成的多组分前药纳米复合物，在照射5 min后其对细胞杀伤率可达70%。虽然SPIONs前药纳米复合物的光毒性十分显著，但靶向剂和前药在SPIONs上的负载效率低、SPIONs在水中的聚集以及流体力学尺寸膨胀也是一大难题。为了克服以上这些难点，可能需要开发一种新的合成和共轭方法，可以充分利用SPIONs前药纳米复合物对聚乙二醇、脂质体或树状大分子等聚合物的最佳封装，或通过在其表面涂覆亲水性聚合物如右旋糖酐和聚乙二醇来提高原SPIONs在水中的稳定性[18]。

2.1.3 量子点(QDs) 在PDT中QDs既可以作为诊断工具，也可以作为治疗工具。QDs的比表面积较大、亮度较高、表面柔韧性较好，可以用于开发效能优良的药物传递系统[15]。Yueshu等[19]将CIS/ZnS量子点与5-氨基乙酰丙酸(ALA)配位形成ZnS-ALA结合物；并发现其在近红外激发下，量子点-ALA系统的FRET效率可达58.49%，经800、1 300 nm飞秒激光照射后，细胞存活率均低于40%。

然而，QDs在PDT中的应用仍然面临着一些挑战：①亟待开发无镉、毒性较小、生物相容性和光学活性更好的金属作为量子点来进行替代。②必须设计新的方法来优化这些材料在QDs上的负载能力。③需增大疏水QDs在水溶液中的溶解度，将疏水性QDs转化为亲水性QDs。

2.1.4 上转换纳米材料 上转换纳米材料是一种能在红外光下激发出可见光的特殊纳米材料。PSs往往不能吸收近红外光而无法治疗深层肿瘤，上转换PDT可通过适当波长的近红外光激发纳米材料，例如镧系纳米颗粒，激发固有可见光吸收PSs的光发射[20]。因此，PSs在用于治疗深层肿瘤之前不需要在治疗窗口内吸收。该方法的成本效益也较低，不需要修饰PSs的结构，就可以使其在近红外区域吸收。Li等[21]将二氢卟吩e6与上转换纳米材料NaYF4∶Yb，Er@CaF2组装为复合纳米材料；结果显示，经980 nm激光激发后，NaYF4∶Yb，Er@CaF2产生675 nm上转换荧光，促使二氢卟吩e6产生ROS，从而发挥杀伤肿瘤细胞的作用，且实验组肿瘤体积约为对照组的1/10。

2.2 纳米脂质体 纳米脂质体是磷脂分散在水介质中自发形成的单板层或多板层纳米系统。除具有生物相容性和生物可降解性外，脂质体具有较高的结构柔韧性，可结合多种亲水性和疏水性药物，是临床上较为成熟的药物递送系统。脂质体制剂可有效防止PSs聚集，进而增强其光活性。此外，脂质体的高通透性和滞留效应可使其在肿瘤细胞中发生被动积累。借助脂质体的安全性和靶向性:Zhao等[22]借助Fe3O4的生物相容性，以增强对ROS的吸收而穿透肿瘤细胞为设计核心，制备得到奥沙利铂前药(HOC)和Fe3O4的活性氧脂质体。研究发现，该脂质体可使缺氧诱导因子1α(HIF-1α)表达显著降低，从而抑制肿瘤细胞增殖，同时还可以通过调节免疫细胞因子发挥抗肿瘤免疫作用，从而逆转免疫抑制性TME，最终诱导肿瘤细胞凋亡[23]。Shi等[23]借助催化肿瘤内高表达的H2O2来增强化疗药物与PDT的结合，进而增加肿瘤的氧合作用。将过氧化氢酶和PSs中的MBDP与阿霉素共同封装于脂质体。氧合作用的增强不仅促进单重态氧(1O2)的产生，还可通过调节免疫细胞因子来逆转免疫抑制性靶向肿瘤微环境，从而显著诱导肿瘤细胞凋亡。

2.3 纳米水凝胶颗粒 水凝胶是由具有亲水性并呈现三维网状结构的聚合物材料，通过化学交联或者物理交联形成的一类纳米递送载体系统[24]。水凝胶具有生物相容性，并具有与活体组织相似的物理特性，而一些药物易于在水凝胶基质中分散，因此水凝胶已广泛用于亲水性药物的递送。在PDT中，可注射且可光降解的ROS响应性水凝胶可以选择性地在到达肿瘤部位后恒速释放包封的PSs，避免非特异性药物分布，减少了对正常组织的毒性[25]。注射水凝胶的药物递送载体可增强抗肿瘤效果、减轻不良反应，为局部和长期肿瘤PDT治疗提供了一种有效的替代方法[26]。

Xu等[26]发现，通过动态共价酰肼键形成的原位水凝胶可以防止不溶水性PSs原卟啉IX(PpIX)由于共价结合而产生严重的自猝灭效应；此外，水凝胶在近红外光照射下可产生大量ROS，不仅可以进行局部有效的PDT，还能裂解小分子交联剂，诱导水凝胶的定时破坏，并在级联化疗中实现多柔比星(DOX)的按需释放。因此，将PpIX和抗肿瘤药物DOX包载入水凝胶实现了光化学-PDT与光可调按需释药的联合应用。

研究发现，纳米粒及脂质体在全身给药中仍存在一些缺点，如载药量低、药物渗漏不受控制、纳米载体清除速度快、水不溶性PSs不可避免的自猝灭效应以及不可预测的全身不良反应等[27]。水凝胶作为一种优良的局部药物库，可以持续释放PSs，选择性地在肿瘤靶点维持较高的药物浓度，从而避免药物非特异性分布，使对正常组织的毒性降至最低[25]。但在复杂的体内环境中，水凝胶的力学性能与机体的自愈性能将会影响其疗效。因此，保证水凝胶在外部损伤后恢复功能和保持结构完整的能力将是材料构建的重点方向[28]。

2.4 树状大分子 树状大分子是指粒径1～10 nm，结构呈树状且高度支化的合成高分子聚合物，由小分子内核、多分支形成的内部空腔、外围功能基团三部分组成[29]。基于其良好的结构特点，树状大分子可作为纳米载体构建不同类型的纳米抗肿瘤药物，并结合PDT实现肿瘤的高效精准治疗[29]。PSs可包裹于树状大分子内部空腔内，并与树状大分子发生共价结合，作为树状大分子分支结构而形成新的树状大分子聚合物。Ma等[30]发现，在酞菁环上引入树状大分子可以在一定程度上防止酞菁在水溶液中聚集，但该结合物不能有效穿透靶细胞的脂质双层结构，因此该研究将树状大分子-酞菁共同装封于聚合物胶束中；结果显示，该聚合物胶束可增加树状大分子-酞菁的穿膜细胞数，并显著提高树状大分子-酞菁的光活性；该聚合物胶束在胶质瘤细胞中的摄取量仅在6 h后便达到高峰，再经光照射后，肿瘤细胞存活率仅为26%，说明该纳米胶束可有效抑制胶质瘤细胞增殖。

树状大分子的引入可在一定程度上防止PSs聚集，但其无法有效渗透到靶细胞的脂质双层中。为克服这个问题，需要开发一种有效的运送载体，来提高组织穿透性，从而使其大量透过细胞膜，以提高其光毒性[30]。

综上所述，与传统有机小分子PSs相比，通过化学修饰或纳米技术，被一些纳米材料修饰的PSs可克服PDT治疗过程中面临的光源组织穿透不足、肿瘤组织缺氧等问题，还可通过高渗透长滞留效应实现肿瘤组织的被动靶向。随着纳米技术的进一步发展，纳米材料在临床PDT治疗中的应用将日益广泛，将会有更多的生物安全性更高、对肿瘤靶向性更高、体内可代谢、可协同其他肿瘤治疗方式的新型纳米载体用于肿瘤PDT治疗。