具有聚集诱导近红外发射的光敏剂在荧光成像引导光动力治疗中应用

光动力治疗(photodynamic therapy, PDT)是近年来新兴的一种治疗癌症的方法。当用特定波长的光照射肿瘤部位时,聚集在肿瘤组织的光敏剂将被激发至激发态,随后会将能量传递给周围的氧气,生成活性很强的单线态氧。单线态氧能与附近的生物大分子发生氧化反应,产生细胞毒性进而杀伤肿瘤细胞。与肿瘤的传统疗法相比,光动力治疗的优势在于其可控和非侵入性,因而副作用较小。使用具有荧光发射的光敏剂则可实现荧光成像引导的光动力治疗。这种诊疗一体化的方案由于其在时间和成本上的优势也获得了越来越多的关注。

完美的光敏剂是实现荧光成像引导光动力治疗的关键。它需要光敏剂具有较高的单线态氧产生效率,近红外发射,可忽略的暗毒性,较强的稳定性和较好的生物相容性。传统的光敏剂(如卟啉类化合物和氟硼二吡咯类化合物)虽然在单分子状态下具有良好的近红外发射和单线态氧产生效率,但其在水中会产生聚集,导致发光亮度和单线态氧产生效率的降低。引入碘、溴等重原子虽然可以大幅度提高光敏剂单线态氧的产生效率,但是也会带来明显的暗毒性,并导致其荧光亮度大幅降低。

针对这一问题,从2014年开始,新加坡国立大学刘斌教授课题组开始研制具有聚集诱导发光(aggregation-induced emission, AIE)效应的光敏剂。聚集诱导发光效应是香港科技大学唐本忠院士课题组在2001年发现的,它是指一类荧光生色团在单分子状态下微弱发光甚至不发光, 而在固态或聚集状态下荧光显著增强的一种光物理现象。刘斌教授团队的研究结果表明,具有聚集诱导发光效应的光敏剂在水中依然可以保持较高的单线态氧产生效率和荧光量子产率。

图1  TPETCAQ纳米粒子的设计及其在小鼠体内的肿瘤光动力治疗效果

基于前期的研究基础,刘斌教授课题组最近又设计了首例具有聚集诱导近红外发射的光敏剂TPETCAQ (图1)。随后,他们使用两亲性聚合物DSPE-PEG-MAL作为聚合物基质,进一步制备了具有良好生物相容性的纳米粒子TPETCAQ NPs。这种纳米颗粒具有可覆盖整个可见光区的吸收光谱和发射峰在820 nm的近红外发射。在白光照射下,TPETCAQ NPs可高效地将普通的氧气转化为单线态氧,并对细胞进行有效杀伤。更为重要的是,该纳米粒子具有普通光敏剂所不具备的光稳定性。以4T-1乳腺癌细胞肿瘤作为模型,她们在小鼠体内验证了这种纳米粒子在荧光成像引导光动力治疗的效果(图2)。结果表明,在同等条件下,TPETCAQ NPs的光动力治疗效果要优于通常所使用的光敏剂Ce6的效果。同时,TPETCAQ NPs的暗毒性在小鼠上可忽略不计,而且可以在短时间内(经静脉注射3天后)通过肠道排出体外。

总的来说,TPETCAQ NPs具有良好的近红外发射和单线态氧产生效率,而且其生物兼容性好、光稳定性高、暗毒性低至可以忽略且易排出体外。这些优势使其在荧光成像引导光动力治疗具有潜在的实际应用价值。

相关论文发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201700548)。论文的共同第一作者为武文博博士和毛铎博士,通讯作者为刘斌教授。

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