暗光乏氧条件下1O2持续释放肿瘤光动力治疗

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

光动力疗法（PDT）可以将无毒的氧气转化为有毒的活性氧（ROS），是一种很有前途的癌症治疗策略。但现有的PDT系统大多数都高度依赖于肿瘤内O₂的浓度，并且需要消耗大量的O₂，然而实体肿瘤本身就存在一定程度的乏氧，而且肿瘤微环境（TME）的乏氧被普遍认为是PDT的“致命弱点”。为了扭转TME中氧气不足，人们进行了许多探索，寻找有效和安全的策略来补充TME中的O₂来提高PDT的治疗效果。回顾PDT临床中应用可以发现，分级PDT为补充细胞内氧气含量提供了时间，并且能够较大程度减少光诱导产生的缺氧。在连续PDT中，光敏剂产生的部分单线态氧经化学收集后的持续释放，可以增强PDT诱导的暂时性缺氧对细胞的杀伤作用，增强光动力治疗效果。

近日，南京工业大学董晓臣教授课题组和美国国立卫生院（NIH）陈小元教授、杨震博士合作，制备了一种暗光乏氧条件下¹O₂持续释放肿瘤光动力治疗的纳米体系（DPPTPE@PEG-Py NPs）。首先，合成了一种不含重原子且具有D-A-D结构的半导体有机化合物--四苯乙烯功能化的吡咯并吡咯二酮（DPPTPE），该化合物在二氯甲烷和水中均具有高的单线态氧生成能力；然后，用羟基吡啶功能化的双嵌段聚乙二醇（PEG-Py）进行包裹。在光照条件下， PEG-Py中的吡啶酮可以捕获DPPTPE在激光照射下产生的¹O₂并形成稳定的内过氧化物中间体，实现化学储存，而在黑暗和乏氧肿瘤微环境中，内过氧化物会化学释放¹O₂，实现持续的肿瘤光动力治疗。

以DSPE-PEG包裹的DPPTPE（DPPTPE@DSPE-PEG）为对照组，在四种类型的癌细胞系（包括HeLa、HCT-116、A549和MCF-7）中进行了体外实验，结果显示经DPPTPE@PEG-Py NPs处理后，在660 nm激光照射下癌细胞的半致死量（IC₅₀）均明显降低，同时这两种纳米粒子均显示出很低的暗毒性。此外，鉴于该化合物具有的163 nm高斯托克斯位移（Stokes shift），其纳米体系能够用于低背景的荧光成像介导的光治疗。体外实验证明DPPTPE@PEG-Py NPs可以在激光的照射下完全抑制肿瘤的生长，且性能优于DPPTPE@DSPE-PEG，为开发高效光敏剂用于个性化癌症诊疗提供了范例。

这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed上，文章第一作者是南京工业大学博士研究生邹建华。

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A phototheranostic strategy to continuously deliver singlet oxygen in dark and hypoxic tumor microenvironment

Jianhua Zou, Jianwei Zhu, Zhen Yang, Ling Li, Wenpei Fan, Liangcan He, Wei Tang, Liming Deng, Jing Mu, Yuanyuan Ma, Yaya Cheng, Wei Huang, Xiaochen Dong, Xiaoyuan Chen

Angew. Chem. Int. Ed, 2020, DOI: 10.1002/anie.201914384

董晓臣教授简介

博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才，南京工业大学数理科学学院院长。主要研究方向：半导体生物光电子、柔性电子材料与器件。在Advanced Materials，Physical Review Letters，Angew. Chem. Int. Ed等国际期刊发表SCI论文200多篇，他引14000多次，单篇最高引用超过1200次，荣获江苏省科学技术一等奖、二等奖各一项，教育部科学技术进步二等奖一项。

https://www.x-mol.com/university/faculty/27732

科研思路分析

Q：这项研究最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究兴趣是新型光敏剂的设计、合成及其肿瘤光治疗应用。众所周知，癌症是威胁人类健康的一大隐患，而传统的治疗方法，如放疗，化疗等均会产生较大的副作用。光治疗具有靶向性、非侵入性、副作用小等特点，是近年来发展较快的肿瘤治疗模式。光敏剂在光治疗过程中扮演着重要角色，吡咯并吡咯二酮化合物的摩尔吸光系数高、光稳定性好，是一种潜在的优异光敏剂。设计合成四苯乙烯功能化的吡咯并吡咯二酮化合物（DPPTPE）可以提高ROS生成的效率，同时四苯乙烯的引入也能够增大化合物的斯托克斯位移，作为高信噪比的荧光成像造影剂，实现肿瘤诊疗一体化。鉴于持续释放单线态氧是一种能够提高光治疗效果的策略，我们利用羟基吡啶功能化的两亲性共嵌段聚合物包裹实现光照条件下的化学储存单线态氧，而在暗光和乏氧条件下释放单线态氧，从而实现持续的光动力治疗，增强治疗效果。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：优化光敏剂DPPTPE的合成方法是一个挑战，也有多种方法可供选择，如Suzuki偶联，C-H活化等。对比之下我们选择C-H键活化的方法简化了反应过程，提高了产率。此外，单线态氧寿命的测试受外界条件影响较大，需要谨慎对待。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或者研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：利用暗光和乏氧条件下单线态氧持续释放来增强光动力治疗效果是一个较新的肿瘤治疗策略，在研究中我们也发现该材料对多种癌细胞均有杀伤效果。鉴于现在新冠病毒的传播和肆虐，我们猜想可将研究对象转移到病毒研究上，实现对病毒的抑制作用。