納米MOF穩(wěn)定細菌卟啉用于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(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(chǎn)生活性氧物種（reactive oxygen species,?簡稱ROS）并引起細胞毒性，促使癌細胞凋亡或者壞死，并進一步引發(fā)腫瘤及周邊的免疫反應(yīng)，使腫瘤消退。盡管PDT作為一種非常強力的治療手段，但也有以下的缺點：

1. 光敏劑會殘留于病人體內(nèi)并造成光敏性副作用（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(zhuǎn)移組織（深不見底）；
3. 癌細胞的高代謝導(dǎo)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）。

而作為第二代光敏劑的代表化合物之一，細菌卟吩（bacteriochlorin）則成為了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(yōu)點：

1. 在可見光區(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(huán)境。

主流的光敏劑如卟啉和二氫卟吩，都基于II型PDT機理，是通過激發(fā)態(tài)光敏劑耦合基態(tài)氧氣產(chǎn)生單線態(tài)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(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，典型的包括超氧負離子（O2-），過氧化氫（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)細胞死亡，因此相對地可以容忍乏氧環(huán)境。

作為第二代光敏劑，目前基于細菌卟吩的產(chǎn)品包括在歐洲已經(jīng)臨床獲批的TOOKAD用于治療前列腺癌，以及正在進行臨床實驗的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，由于細菌卟吩對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，所以以I型PDT機理作用的同時，也使得常規(guī)臨床光動力學療法條件下的細菌卟吩極易發(fā)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(yīng)有的治療效果。那么有沒有一種方法能夠既保持住細菌卟吩的穩(wěn)定性，讓其不那么容易光分解，而又能夠保有其本來就有的全部優(yōu)點呢？為了解決這一問題，研究者們開始了精細而又充滿創(chuàng)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），因其擁有利于活性氧擴散的多孔結(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，芝加哥大學林文斌教授實驗室報道了用納米MOF作為穩(wěn)定細菌卟吩的載體，成功實現(xiàn)I型和II型同步的光動力學療法，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配體的具有高對稱性的四苯甲酸細菌卟吩（簡稱TBB），并通過與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（簡稱Zr-TBB）。Zr-TBB的紫外吸收光譜顯示了其在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(zhì)。

細菌卟吩的光氧化過程是從卟啉環(huán)上雙鍵的[2+2]過氧化反應(yīng)開始的，接著會逆[2+2]開環(huán)生成二酮結(jié)構(gòu)，最后連續(xù)反應(yīng)分解變?yōu)闆]有光活性的碎片。在整個反應(yīng)過程中，細菌卟吩的構(gòu)象會發(fā)生較大的變化，以滿足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的四個苯甲酸被鋯氧團簇連結(jié)，TBB不易產(chǎn)生構(gòu)象與結(jié)構(gòu)的變化，因此相對于自由的細菌卟吩，在Zr-TBB中細菌卟吩配體的光氧化反應(yīng)會被抑制。實驗與計算結(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 作為基于細菌卟吩的納米光敏劑，顯著提升了細菌卟吩的穩(wěn)定性。

體外實驗中，研究者驗證了Zr-TBB的活性氧產(chǎn)生機理與效率。通過不同的活性氧檢測試劑，證實了在體外環(huán)境中TBB可以同時進行I型與II型PDT機制，即對應(yīng)產(chǎn)生出超氧負離子（O2-），過氧化氫（H2O2），羥基自由基（OH）與單線態(tài)氧（1O2）。而且相比于配體自身（H4TBB），Zr-TBB可以產(chǎn)生更強的ROS信息，說明nMOF對于細菌卟吩的穩(wěn)定大大促進了PDT產(chǎn)生ROS的效率。研究者們同時研究了常氧條件下與乏氧條件下的細胞毒性，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胞，再次證明了細菌卟吩I型PDT機理對于乏氧條件的適應(yīng)。較低的暗毒性也說明了納米MOF良好的生物相容性。

在證明細胞層面上的ROS生成以及細胞毒性后，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(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。而通過對腫瘤樣本切片的鈣網(wǎng)蛋白（CRT）檢測與脫氧核苷酸末端轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)的dUTP缺口末端標記（TUNEL）檢測，Zr-TBB光照組也表現(xiàn)出最強的凋亡信號與免疫原性信號。

綜上所述，研究者們報道了利用Zr-TBB nMOF框架來穩(wěn)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(chǎn)生出超氧負離子（O2-），過氧化氫（H2O2），羥基自由基（OH）與單線態(tài)氧（1O2）來介導(dǎo)高效的PDT過程。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提供了一個基于穩(wěn)定細菌卟吩的新型納米光敏劑平臺，也為其他不穩(wěn)定分子的生物應(yīng)用提供了一個可行的思路與方法。這一成果近期發(fā)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。