納米MOF穩(wěn)定細(xì)菌卟啉用于I型和II型同步的光動(dòng)力療法

光動(dòng)力學(xué)療法（photodynamic?therapy,?簡(jiǎn)稱(chēng)PDT）作為一種微創(chuàng)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了良好的療效。PDT通過(guò)無(wú)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(chǎn)生活性氧物種（reactive oxygen species,?簡(jiǎn)稱(chēng)ROS）并引起細(xì)胞毒性，促使癌細(xì)胞凋亡或者壞死，并進(jìn)一步引發(fā)腫瘤及周邊的免疫反應(yīng)，使腫瘤消退。盡管PDT作為一種非常強(qiáng)力的治療手段，但也有以下的缺點(diǎn)：

1. 光敏劑會(huì)殘留于病人體內(nèi)并造成光敏性副作用（見(jiàn)不得光）；
2. 光的穿透深度淺，無(wú)法有效殺傷距體表較深的腫瘤以及轉(zhuǎn)移組織（深不見(jiàn)底）；
3. 癌細(xì)胞的高代謝導(dǎo)致腫瘤的局部乏氧，進(jìn)而使得氧依賴(lài)的療法療效不佳（莫得氧氣）。

而作為第二代光敏劑的代表化合物之一，細(xì)菌卟吩（bacteriochlorin）則成為了解決上述全部問(wèn)題的候選物。細(xì)菌卟吩作為卟啉的還原性衍生物，其擁有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 在可見(jiàn)光區(qū)吸收弱，可緩解病人的光敏副作用；
2. 用于治療的光波段處于人體組織的透明窗口（700 nm-850 nm），擁有更強(qiáng)的穿透性；
3. 可同步進(jìn)行I型與II型PDT機(jī)理，一定程度上能容忍低氧局部環(huán)境。

主流的光敏劑如卟啉和二氫卟吩，都基于II型PDT機(jī)理，是通過(guò)激發(fā)態(tài)光敏劑耦合基態(tài)氧氣產(chǎn)生單線(xiàn)態(tài)氧，從而殺傷癌細(xì)胞，缺點(diǎn)是完全依賴(lài)氧氣。而細(xì)菌卟吩可進(jìn)行I型PDT，即氧氣或者其他分子與激發(fā)態(tài)光敏劑發(fā)生氧化還原反應(yīng)從而生成活性氧物種，典型的包括超氧負(fù)離子（O2-），過(guò)氧化氫（H2O2）與羥基自由基（OH）。由于I型PDT的本質(zhì)是光引發(fā)的電子轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的氧化還原反應(yīng)，可以在腫瘤微環(huán)境中破壞氧化還原平衡，誘導(dǎo)細(xì)胞死亡，因此相對(duì)地可以容忍乏氧環(huán)境。

作為第二代光敏劑，目前基于細(xì)菌卟吩的產(chǎn)品包括在歐洲已經(jīng)臨床獲批的TOOKAD用于治療前列腺癌，以及正在進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)的Redaporfin用于治療膽道癌，兩者均取得了良好的臨床治療結(jié)果。但與此同時(shí)，由于細(xì)菌卟吩對(duì)于光和氧氣非常敏感，其作為卟啉的還原衍生物，具有較低的氧化還原電勢(shì)，所以以I型PDT機(jī)理作用的同時(shí)，也使得常規(guī)臨床光動(dòng)力學(xué)療法條件下的細(xì)菌卟吩極易發(fā)生光漂白（photobleaching），從而喪失療效。這可以說(shuō)是與PDT本來(lái)的目的背道而馳，會(huì)大大削弱其本應(yīng)有的治療效果。那么有沒(méi)有一種方法能夠既保持住細(xì)菌卟吩的穩(wěn)定性，讓其不那么容易光分解，而又能夠保有其本來(lái)就有的全部?jī)?yōu)點(diǎn)呢？為了解決這一問(wèn)題，研究者們開(kāi)始了精細(xì)而又充滿(mǎn)創(chuàng)意的探索。

作為新興的納米光敏材料——納米金屬-有機(jī)框架化合物（nanoscale metal-organic framework,簡(jiǎn)稱(chēng)nMOF），因其擁有利于活性氧擴(kuò)散的多孔結(jié)構(gòu)，防止自猝滅的規(guī)整框架結(jié)構(gòu)，較高的光敏劑載荷以及良好的生物相容性，成為用于PDT的理想納米藥物。最近，芝加哥大學(xué)林文斌教授實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了用納米MOF作為穩(wěn)定細(xì)菌卟吩的載體，成功實(shí)現(xiàn)I型和II型同步的光動(dòng)力學(xué)療法，并在小鼠乳腺癌與結(jié)腸癌模型中獲得了極佳的療效。

研究者首先合成了作為nMOF配體的具有高對(duì)稱(chēng)性的四苯甲酸細(xì)菌卟吩（簡(jiǎn)稱(chēng)TBB），并通過(guò)與ZrCl4的溶劑熱反應(yīng)合成了粒徑100?nm左右的具有PCN-224結(jié)構(gòu)的納米MOF（簡(jiǎn)稱(chēng)Zr-TBB）。Zr-TBB的紫外吸收光譜顯示了其在740 nm附近的強(qiáng)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(zhì)。

細(xì)菌卟吩的光氧化過(guò)程是從卟啉環(huán)上雙鍵的[2+2]過(guò)氧化反應(yīng)開(kāi)始的，接著會(huì)逆[2+2]開(kāi)環(huán)生成二酮結(jié)構(gòu)，最后連續(xù)反應(yīng)分解變?yōu)闆](méi)有光活性的碎片。在整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，細(xì)菌卟吩的構(gòu)象會(huì)發(fā)生較大的變化，以滿(mǎn)足sp2和sp3碳中心的幾何構(gòu)型轉(zhuǎn)變。研究者假設(shè)在Zr-TBB nMOF的固定的結(jié)構(gòu)框架中，由于TBB的四個(gè)苯甲酸被鋯氧團(tuán)簇連結(jié)，TBB不易產(chǎn)生構(gòu)象與結(jié)構(gòu)的變化，因此相對(duì)于自由的細(xì)菌卟吩，在Zr-TBB中細(xì)菌卟吩配體的光氧化反應(yīng)會(huì)被抑制。實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果都印證了研究者的猜想，在740 nm 100 mW/cm2 的LED光照射下，Zr-TBB 表現(xiàn)出了卓越的光穩(wěn)定性。因此，Zr-TBB 作為基于細(xì)菌卟吩的納米光敏劑，顯著提升了細(xì)菌卟吩的穩(wěn)定性。

體外實(shí)驗(yàn)中，研究者驗(yàn)證了Zr-TBB的活性氧產(chǎn)生機(jī)理與效率。通過(guò)不同的活性氧檢測(cè)試劑，證實(shí)了在體外環(huán)境中TBB可以同時(shí)進(jìn)行I型與II型PDT機(jī)制，即對(duì)應(yīng)產(chǎn)生出超氧負(fù)離子（O2-），過(guò)氧化氫（H2O2），羥基自由基（OH）與單線(xiàn)態(tài)氧（1O2）。而且相比于配體自身（H4TBB），Zr-TBB可以產(chǎn)生更強(qiáng)的ROS信息，說(shuō)明nMOF對(duì)于細(xì)菌卟吩的穩(wěn)定大大促進(jìn)了PDT產(chǎn)生ROS的效率。研究者們同時(shí)研究了常氧條件下與乏氧條件下的細(xì)胞毒性，證明了即使是在乏氧PDT條件下，Zr-TBB依然可以高效地殺死細(xì)胞，再次證明了細(xì)菌卟吩I型PDT機(jī)理對(duì)于乏氧條件的適應(yīng)。較低的暗毒性也說(shuō)明了納米MOF良好的生物相容性。

在證明細(xì)胞層面上的ROS生成以及細(xì)胞毒性后，研究者們接著在兩種小鼠腫瘤模型上（4T1 & MC38）驗(yàn)證Zr-TBB的癌癥光動(dòng)力治療療效。在這兩種模型上，Zr-TBB光照組均表現(xiàn)出良好的腫瘤抑制效果，并與配體H4TBB光照組有顯著性差異。而通過(guò)對(duì)腫瘤樣本切片的鈣網(wǎng)蛋白（CRT）檢測(cè)與脫氧核苷酸末端轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)的dUTP缺口末端標(biāo)記（TUNEL）檢測(cè)，Zr-TBB光照組也表現(xiàn)出最強(qiáng)的凋亡信號(hào)與免疫原性信號(hào)。

綜上所述，研究者們報(bào)道了利用Zr-TBB nMOF框架來(lái)穩(wěn)定細(xì)菌卟吩進(jìn)行光動(dòng)力學(xué)療法。Zr-TBB通過(guò)I型和II型PDT機(jī)制產(chǎn)生出超氧負(fù)離子（O2-），過(guò)氧化氫（H2O2），羥基自由基（OH）與單線(xiàn)態(tài)氧（1O2）來(lái)介導(dǎo)高效的PDT過(guò)程。Zr-TBB在乳腺癌和結(jié)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提供了一個(gè)基于穩(wěn)定細(xì)菌卟吩的新型納米光敏劑平臺(tái)，也為其他不穩(wěn)定分子的生物應(yīng)用提供了一個(gè)可行的思路與方法。這一成果近期發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（JACS）上，文章的第一共同作者是芝加哥大學(xué)博士研究生羅韜堃和倪開(kāi)元。