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关于光动力治疗的研究国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u16940关于光动力治疗的研究国内外文献综述 186371.1.1基本原理 262061.1.2光敏剂 3170371.1.3研究现状 829146参考文献 11光动力治疗(PhotodynamicTherapy,PDT)是一项专门用于临床诊断和治疗癌症的全新技术,它通过特定波长的光源激活肿瘤病灶部位的光敏药物,产生活性氧(Reactiveoxygenspecies,ROS),进一步诱导肿瘤细胞发生坏死或凋亡[1]。PDT相对于其他传统癌症治疗方式的优点是创伤性小[2],可重复治疗[3],不破坏组织原有的结构和功能[4],有美容效果[5],有靶向选择性[6],对潜伏病灶同样有效[7]等。PDT源于1903年HermanvonTappeiner提出的“PhotodynarnischeWirkung”(光动力学作用)一词,用于描述局部涂抹曙红染料和光照治疗皮肤肿瘤的方法[8],在此之前虽然人们利用光敏药物治疗疾病已经有几千年历史,但对其中科学依据却一无所知[9]。随着1960年R.L.Lipson和S.Schwartz在手术过程中发现注射血卟啉试剂在肿瘤病变部位出现特异性荧光后[10],人们对血卟啉衍生物的PDT研究不断进展。到了20世纪80年代后,ALA[11]、替姆泊芬[12]、金属酞菁类[13]等二代光敏剂相继出现,使得皮肤肿瘤、感染性皮肤、炎症性皮肤疾病等多种疾病得到了有效的治疗。传统的PDT工作流程如Figure1.1所示,将光敏药物(Photosensitiser,PS)经由静脉滴注的方式直接进入人体内,等待一段时间,使其通过血液循环在全身分布,并在肿瘤部位蓄积[14]。随后,在肿瘤部位用与光敏剂吸收波长相匹配的激光进行照射,肿瘤部位的光敏剂受激发会产生一种光敏化-氧化反应,诱导肿瘤部位细胞坏死或凋亡[15]。Figure1.1SchematicdiagramofPDTprocess[16].1.1.1基本原理结合目前光动力治疗的研究进展来看,PDT的基本原理可分别从光化学机制和生物机制两个角度进行解释[17]。PDT的光化学机制依据活性氧的不同类型划分主要分为以下2种类型,如Figure1.2所示:(1)I型过程(TypeI):主要产生氧自由基[18]。在肿瘤微环境中,PS通过捕获H原子受体或形成自由基而直接地与生物体的分子发生相互作用。其中带负电荷的自由基与O2进行电子转移产生·O2-,最后通过歧化反应或者单电子还原过程产生·OH,进而使肿瘤细胞发生氧化性损伤[19,20]。(2)II型过程(TypeII):主要产生单线态氧(1O2)[21]。PS接受特定波长的激发光照射后,所吸收的能量使其从基态S0跃迁至激发状态S1。此时,激发态中的光敏剂不稳定,会通过辐射或者非辐射跃迁的途径返回基态;除此之外,还可以通过系间窜越(IntersystemCrossing,ISC)的方式生成更加稳定的三线态T1。T1会将能量传递给基态氧(3O2)以产生1O2,1O2通过光敏化-氧化作用导致癌症细胞凋亡或者坏死[20]。目前,人们普遍认为PDT的作用机制以II型为主,因为光动力治疗的过程发生在生物有机体内,而体内环境又富含大量的氧气,所以单线态氧是PDT治疗过程中的关键作用产物[22]。Figure1.2JabronskyenergyleveldiagramofPDTprocess[20].PDT的生物机制是基于以上所述的光化学机制[23]。研究表明,PDT产生的1O2能与内外层细胞膜结构上的不饱和脂肪酸发生氧化反应,形成脂质过氧化物,直接杀伤了肿瘤细胞,在电镜下我们可以观察得到线粒体的皱缩、胞膜空泡的形成、膜通透性的增加和细胞肿胀等现象[23];1O2还能加速RNA聚合酶的降解,使酶活性减弱,影响肿瘤细胞转录;1O2也有可能造成肿瘤微血管的封闭,使得肿瘤组织因为缺氧和营养不足而导致坏死[24];PDT还能激活人体免疫系统,使存活细胞产生新的抗原,增强其对于肿瘤细胞的免疫反应[25]。1.1.2光敏剂作为光动力治疗中的至关重要的因素之一,光敏剂的研究和应用激发了众多研究者的兴趣。根据光敏剂的分子结构和性质进行分类,我们将其分为如Table1.1所示的两种类别:有机光敏剂和无机光敏剂[26]。好的PDT的光敏剂应满足以下若干条件[27]:(1)化学结构稳定性;(2)水溶性良好;(3)1O2量子产率(Փ△)高;(4)没有细胞暗毒性;(5)肿瘤选择性好;(6)能靶向肿瘤组织并快速富集;(7)体内代谢清除快;(8)在长波长(600-800nm)处有较高的摩尔吸光系数(ε),可以穿透更深的组织。Table1.1Asummaryofrepresentativeorganic/inorganicPSsforPDT[28]TypesClasssificationRepresentativePSsAbsorptionOrgannicPSsPorphyrinderivativesPhotofrin,HP,PpIX~630nmPhthalocyaninederivativesZnPC,SPCD,Al4C4Pc~660nmChlorinederivativesCe6,mTHPC~660nmBiologicaldyesMB,RB~660nmBenzoporphyrinderivativesVisudyne~690nmNIR-absorbingPSsICG,Cypate,Tookad,Naphthalocyanines~700–800nmInorganicPSsMetallicoxidesTiO2,W18O49UV,NIR(~980nm)SemiconductorsCdSe,ZnOUVMetalnanoparticlesAu,Ag,Pt~398–530nmFullerenecagesC60,C70UV1.1.2.1有机光敏剂纵览PDT治疗所应用的光敏剂的发展历程,目前主要可将光敏剂分为三代。第I代光敏剂为血卟啉衍生物。1975年,Dougherty等人[29]报道了第一个血卟啉衍生物(HematoporphyrinDerivative,HpD)成功治愈动物使其能够长期存活的案例。在接受了血卟啉2.5mg/kg的剂量注射24小时后,光照治疗,共计治疗3次,有48%的小鼠肿瘤被治愈且在6个月的监测期内没有复发。1983年,该课题组将这种HpD进行分离纯化鉴定[30],研制出了第一个应用于临床的光敏剂:光敏素(Photofrin)。尽管血卟啉衍生物在临床上取得了一定的治疗效果,但其仍存在许多缺陷[31,32]。首先,它们的化学结构和组成形式并不完全确定,不是单一的结构而是复杂的卟啉混合物;其次,它吸收波长为630nm的激光的能力较低,同时630nm激光穿透组织的能力也有限,这也导致了其需要较长的照射时间,容易灼伤皮肤;再者,它的光毒性副作用较大,体内新陈代谢缓慢,治疗后一个月内对皮肤都有光敏副作用,因此患者在治疗过程中需要长时间避光[33,34]。鉴于此,人们开始了第二代光敏剂的研究来克服其存在的不足。第II代光敏剂为酞菁类化合物、卟吩及其衍生物、竹红菌素等。这些光敏剂的最大吸收通常在630–800nm的范围内,从而扩展了PDT治疗的深度[35]。以酞菁(Phthalocyanine,Pc)化合物为例,如Figure1.3中第一个化合物所示。它是由氮原子桥连的四个异吲哚环组成的芳香族大杂环分子,作为第II代光敏剂,酞菁在PDT应用中有许多优点,如最大吸收波长的红移(λmax>670nm)和高摩尔消光系数(ξmax>1×105M-1·cm-1)等,使其仅需要少量剂量就可以达到良好的治疗Figure1.3Structuralformulasofsomecommonorganicphotosensitizers效果[36]。而酞菁在除了在光疗窗口中的具有很强的吸收外,在太阳光强度最高的波段400-600nm处几乎不吸收,因此,能大大降低对皮肤的光毒性。而且,它们的化学结构很容易通过引入中心金属原子(Zn、Fe、Ti、Al、Si等),以及连接轴向、外围和非外围取代基改性[37]。因此,酞菁可以通过上述方式调整自身的物理和化学性质以改善自身的药代动力学和生物分布[38]。这也是酞菁从1907年被首次发现以来至今,依然吸引着众多研究者兴趣的原因[39]。但是,这些疏水性光敏剂具有两个主要缺点:循环半衰期差和严重的自我聚集,均会损害治疗效果。第III代光敏剂为在第II代光敏剂的基础上引入靶向基团,提高了药物的靶向性与选择性。伴随着纳米药物的蓬勃发展,多种无机/有机纳米载体(例如脂质体,胶束,树枝状大分子,介孔二氧化硅等)已经开发出来用于包载纳米粒子。在过去的十年中,人们通过连接抗体[40]、糖[41]、氨基酸[42]、多肽[43]、蛋白质[44,45]等官能团,以改善光敏剂的亲水性、稳定性以及对病灶组织的选择性等。此外,通过各种形式的药物载体如脂质体[46]、胶束[47]、聚合物纳米粒子[48]等负载的光敏剂也属于第III代光敏剂的范畴,以下列举几类近期报道的第III代光敏剂进行简要介绍。经过化学基团修饰的靶向光敏剂2021年KaiLin等人[49]报道了一种成纤纳米光敏剂(PQCNF),它由靶向线粒体的两亲性小分子组成(Figure1.4)。利用特定的线粒体靶向作用,在细胞中光激活PQCNF产生的ROS比游离的光敏剂大约高110倍,可诱导线粒体破坏继而引发细胞凋亡,体外抗癌能力比传统的光敏剂高20–50倍。作为纤维状纳米材料,PQCNFs还显示出在肿瘤部位较强的滞留性,解决了小分子光敏剂在体内代谢清除快速的缺点,实验表明在肿瘤部位使用PQCNFs仅进行一次治疗即可达到100%的完全治愈率。这种类型的单个小分子组装线粒体靶向纳米纤维为改善传统PDT的体内治疗效果提供了一种有效的策略。Figure1.4Schematicdiagramoftheassemblyofindividualsmallmoleculestargetingmitochondrialnanofibers(PQCNFs).PQCmonomerisaconjugateofPAandquinoline[49]。与纳米载药技术结合的光敏剂2020年,韩国首尔国立大学的WooseungLee等人[50]开发了一种放射性标记的二亚乙基三胺五乙酸螯合的Eu3+(Eu-DTPA)/光敏剂(PS)脂质体(Eu/PS-lipo),该脂质体利用放射性同位素的电离辐射进行有效的体内成像和放射性发光诱导的PDT(Figure1.5)。作者利用Victoriablue-BO(VBBO)作为光敏剂,并观察到Eu-DTPA和VBBO之间的有效发光共振能量转移。此外,Cu-64标记的Eu脂质表现出较强的放射发光性能,其强度比游离Cu-64的Cerenkov发光强度高2倍。在该文所制备的放射性发光脂质体中,放射性发光能量转移到VBBO的能量转移效率是切伦科夫发光能量转移(CLET)的6倍。体内正电子发射断层扫描显示,Cu-64标记的Eu/VBBO脂质(Cu-64-Eu/VBBO脂质)通过EPR效应,在肿瘤部位显示出高达19.3%ID/g的吸收。最后,与使用Cu-64-VBBO脂质体的与切伦科夫发光诱导的PDT相比,前者表现出更高的治疗效果。这项研究通过建立具有高肿瘤靶向性和放射性同位素有效能量转移能力的放射性发光脂质体,为临床PDT应用提供了广阔的前景。Figure1.5SchematicdiagramofsynthesisandexperimentaldesignofRLliposomenanoplatformloadedwithEu/PS[50]。(3)与免疫治疗联合的光敏剂ZhenweiSu等人[51]在2021年3月份报道了分级合并光敏剂和PD-L1抗体的纳米药物用于肿瘤免疫光动力协同疗法。如Figure1.6所示,文中设计了具有可脱落PEG涂层的pH/酶双敏感聚合胶束,用于在肿瘤中共递送PD-L1抗体和酞菁锌(ZnPc)。具有低pH值和高基质金属肽酶2(MMP-2)的肿瘤微环境依次触发PEG脱落和PD-L1抗体的释放,从而在肿瘤组织中发挥局部免疫检查点阻断(ICB)的作用,之后剩下的带有ZnPc的纳米药物容易进行电荷转移传递到肿瘤细胞中。在光照射下,sAMPc的光动力治疗作用诱导了肿瘤细胞的免疫原性细胞死亡,并进一步促进了CD8+T细胞在肿瘤内的蓄集,从而实现了ICB的协同免疫光动力治疗。这种pH/MMP-2双重敏感性PEG可脱落的纳米药物为ICB治疗和PDT的良好结合提供了一种有前景的策略,以改善的抗癌免疫光动力疗法,并减少不良反应。Figure1.6Thepreparationofagradednanomedicinecombiningphotosensitizer,PD-L1antibodyandshedPEGanditsgradedreleasebehavior.[51]1.1.2.2无机光敏剂由于有机光敏剂易于光诱导和酶促降解,一些无机聚苯乙烯已被积极地开发用于具有更高稳定性的PDT。例如,TiO2是典型的光催化剂,在紫外线照射下可以直接产生ROS,诱导对癌症的显着光杀死作用[52]。吸收能力强的半导体(例如CdSe,ZnO等)在指定的波长处也具有巨大的潜力,因为这些光敏剂的吸收光谱可以精确调节不同成分比例使其荧光发射波长可分布于从紫外到近红外区域[53]。此外,一些金属纳米粒子也可以被光敏化产生ROS(Figure1.7)。2011年,Hwang[54]等人,观察到由Ag,Pt和AuNPs激发后生成1O2,这些金属纳米颗粒的消光系数为4-6个数量级比有机光敏剂的强度高导致高1O2产生效率[55]。Figure1.7(a)TEMimageofAuNRs.(b)Photo-degradationrateofABDAinthepresenceofAuNRsandICG[56].1.1.3研究现状目前,光动力治疗面临的主要问题是深部组织光源穿透深度有限。当前我国PDT临床多选择波长在630nm左右的激光。优点是激光光源能通过光纤耦合传输进入体内,具有单色性好、方向性强、能量高等优点。但是缺点是存在组织自吸收效应,对荧光成像干扰。且不同波长穿透组织的深度有限,如Firure1.8所示。蓝光波长440-475nm,只能穿透1mm范围的组织,红光波长是620-760nm,最大穿透深度可达10mm。波长越红移其穿透人体组织的能力更强,具备对更深层组织的治疗作用。Figure1.8Thepenetrationdepthoflasersofdifferentwavelengthsinskintissue[20]andthewavelengthrangeoflasersofdifferentcolors.当前解决肿瘤部位深层PDT治疗的策略主要有以下几类,如Table1.2所总结,主要分别为近红外光激发光动力治疗、X射线激发光动力治疗和自激发光动力治疗等。Table1.2AsummaryofdeepPDTtechniques[28]TypesLasersourcesRepresentativePSsPhotoconversionNPsPenetrationdepthFentosecondNIRlaser,continuousNIRlaserRB,PdTPP,AlPcS,TiO2FITC,GNR,QDs,UCNP1-2cmX-rayradiationM540,ZnO,TBrRh123SCNPX-ray-excitedPLNPunlimitedChemiluminescence,Bioluminescence,CerenkovluminescenceCe6,mTHPC,TiO2Luminil-H2O2-HRP,QD-Rluc8,positrons,electronsunlimited1.1.3.1近红外激发光动力治疗光动力治疗中常用的激光是近红外光(NearInfrared,NIR)。近外光是人们最先发现的非可见光区域,它介于可见光(ⅥS)和中红外光(MIR)之间,是用来泛指波长在780~2526nm范围内的电磁波,习惯上又把红外区域划分为近红外短波(780~1100nm)和近红外长波(1100~2526nm)两个不同的区域。近红外在生物组织中的吸收较低,散射较强,光源穿透深度较高,被称为人体的光学窗口。与UV-VIS相比,NIR的组织穿透深度可达15mm,拓展了治疗深度。2018年,苏州大学QianChen等人[57]开发了一种近红外激发的多功能光学成像/治疗纳米平台,由烷基硫醇化的金纳米团簇(AuNCs)、人血清白蛋白(HSA)和过氧化氢酶(CAT)组成。在AuNC@HSA/CAT系统中,AuNC能够在1064nm近红外窗口(NIR-II)激光激发下产生单线态氧,并具有较低的组织特征吸收和散射,可实现NIR-II触发的PDT,出色地增加组织穿透力。1.1.3.2X射线激发光动力治疗X射线是一种波长极短、能量很大的电磁波,具有穿透性,X射线可以使纳米粒子产生UV-VIS辐射。X射线的优点是穿透深度不受生物组织厚度的限制。缺点是有的用于X射线激发的纳米粒子光量子产率较低,所需的X射线辐照强度较大,过量的X射线辐射会对生物组织造成损伤,容易引起副作用。MaLun等人[58]利用铜-半胱胺复合物(Cu-Cy)纳米颗粒作为一种新型的被X射线激活的光敏剂,用于癌症治疗。新发明的Cu-Cy纳米粒子可以直接被X射线激活以产生单线态氧。对人乳腺癌细胞(MCF-7)的体外和体内研究表明,使用Cu-Cy纳米粒子在X射线激活下可显着破坏细胞。Cu-Cy纳米粒子是一种新颖且有效的X射线活化光敏剂,可使PDT用于深层癌症治疗。X射线激发的PDT效应在很大程度上取决于X射线光子的能量输出,因此高能X射线辐射必须多次使用以获得满意的结果深度的PDT效应,可能会严重损害放射线周围的正常组织。此外,仍然面临着严峻的挑战设计具有良好胶体的理想纳米复合材料稳定性,长血液循环时间,增强的肿瘤堆积和最佳的FRET效率。因此,对X射线激发的深部PDT的临床转换仍需要进一步研究。1.1.3.3自激发光动力治疗上面的深层PDT技术都需要外部光源的激发。如果PDT可以由内部光源(例如自发光)触发,则组织穿透限制不会一个问题。目前,几种自发光材料如化学发光,生物发光,或适当的存在下Cerenkov发光底物或催化剂已被用于激活PS以自发光PDT。这种深层次的PDT策略将是彻底的不受外部激发的受限穿透深度的影响来源,甚至诱发更持久的治疗过程。例如,切伦科夫发光(Cherenkovradiation,CR)是一种泛指带电微粒在介质中的传播速度大于介质中的光速时所发出的光,通常其光谱主要集中于蓝光和紫光波长范围内。一般而言,肉眼看不见切伦科夫效应,但是当它的强度很大时,例如核反应堆的池水中出现微弱的淡蓝色的光辉便是切伦科夫效应。VivianLioret等人[59]将四个吡喃部分加到酞菁上(ZnPcPy4)提供一种水溶性与接收CR的单元,实现了第一个Cherenkov诱导的PDT和NIR-CLI双重效应的报道。尽管在契伦科夫光子中通量很小(18F导致每个放射性核素衰变大约1个光子)但由于化合物ZnPcPy4也是光敏剂,它能在Cherenkov光照射下但在无外源光存在的情况下经历光动力学过程IC50值约为2μM,和辐射时间持续到放射性核素衰变(即10个周期)。参考文献[1] 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