具有紅光發射性質的氮雜苯並蒽酮衍生物在超低光能量密度輻照光動力治療及雙光子成像方面的研究

最新 05-19

引言

光動力治療（PDT）作為一種有效的癌症治療手段，是將可通過光激發產生活性氧化性物種（ROS）的光敏劑引入病灶組織，並在光輻照的情況下實現對病灶組織的選擇性殺傷。光敏劑的開發對於光動力治療的發展具有重要意義。光敏劑通常需要具有良好的生物兼容性、大的摩爾吸光係數、高的光致ROS產生效率，以及對生物組織較低的暗毒性和較高的光毒性。

發光的光敏劑可用於成像介導的PDT,並可同時對病灶組織進行實時治療和成像監控。傳統光敏劑，如卟啉、甲基藍和BODIPY類衍生物等，在實際應用中通常會由於分子的聚集而導致其熒光猝滅、光致ROS產生效率降低，而使得其在PDT的應用中受到限制。而用於光動力治療的光敏劑往往要求激發光源具有較高的能量密度（＞12 mW/cm2）。然而，高的光輻照能量密度或長的輻照時間可產生明顯的熱效應，這一缺點也制約了常見光敏劑在光動力治療中的應用。因此，開發具有低光輻照強度活性的光敏劑具有重要的意義。

氮雜苯並蒽酮衍生物的設計

近期，華南理工大學唐本忠院士團隊胡蓉蓉教授等人開發了一系列氮雜苯並蒽酮衍生物（圖1），設計通過它們的D-A結構帶來紅色發光性質，並用於超低光能量密度輻照的光動力治療及雙光子成像中。

圖1. 文章報道的四種氮雜苯並蒽酮衍生物的結構

聚集誘導發光性質

作者分別測試了四種化合物在四氫呋喃溶液狀態、不同比例的水/四氫呋喃混合溶劑中的熒光發光光譜（圖2）。結果顯示，四種化合物均呈現紅色熒光發射性質。其中，化合物2a和2b在聚集態或固態的發光相比於其溶液顯著增強，體現了聚集誘導發光性質。

圖2. 四種化合物的發光性質表徵

光致ROS產生效率

隨後，作者分別測試了四種化合物在納米聚集體狀態（aggr）以及通過兩親性聚合物DSPE-PEG2000-OCH3包覆製備得到的納米顆粒狀態（NP）下的光致ROS產生效率。四種化合物在聚集狀態下均可在光照下生成ROS,其中化合物1a的納米顆粒具有最高的光致ROS生成效率，在1.5mW/cm2的光照強度下，經過6min的輻照後可使得體系中ROS探針DCFH的熒光強度升高約20倍，證明其作為光敏劑的潛力。

圖3. 四種化合物在不同狀態下的光致ROS產生效率表徵

光動力治療

作者進一步選擇HeLa細胞作為研究對象，將1a分子作為光敏劑應用於光動力治療中（圖4）。在無光照的情況下，1a分子在15μmol/L的濃度以下，其細胞毒性可忽略；在以15μmol/L的濃度對HeLa細胞孵育24小時後，細胞存活率仍高於95%。然而，當採用僅為1.67mW/cm2的超低光強輻照細胞和總輻照計量達到2.0J/cm2的情況下，以10μM的1a處理過的HeLa細胞可實現接近全部殺傷。這一結果說明1a分子具有低光照強度下的高光毒性。

圖4. 通過不同濃度的1a分子與不同光照劑量處理後的HeLa細胞的存活率

雙光子成像研究

作者還選用具有最長熒光發射波長的2a分子作為雙光子成像染料，將其以兩親性聚合物F127包覆製備得到納米顆粒，並通過小鼠尾靜脈注射方法將其注入小鼠體內，成功實現了對小鼠腦血管深達280μm的雙光子成像（圖5）。

圖5. 2a分子對小鼠腦血管雙光子成像結果

小結

該工作報道了四個具有紅光發射性質的氮雜苯並蒽酮衍生物，並系統表徵了它們的光物理性質。其中，化合物1a可在低光能量密度下實現高效光動力治療。在光照強度僅為1.67mW/cm2的可見光照射下，化合物1a可實現對HeLa細胞的有效殺傷。化合物2a可製為納米顆粒，實現對小鼠腦血管深達280μm的雙光子成像。該系列新型氮雜苯並蒽酮衍生物在聚集態下具有高效的熒光發射和光誘導細胞毒性，有望應用於成像介導光動力治療。