Advanced Science:基于细菌叶绿素MOF纳米片的超氧自由基发生器用于缺氧条件下光声成像指导的光动力治疗

缺氧是大多数实体瘤的一个最显著特征(局部氧压<5 mm Hg),通常是由肿瘤细胞的侵略性增殖和肿瘤血管系统的畸变引起的。光动力治疗(PDT)利用光敏剂(PS)在外部光刺激下产生高细胞毒性的活性氧(ROS)分子,而大多数PS治疗机理是通过氧依赖的Type II机理将三重态分子氧(3O2)转换成单线态氧(1O2),达到肿瘤治疗的目的。因此严重缺氧的肿瘤细胞微环境作为最主要因素限制PDT的治疗效果,目前主要的解决方式包括直接携带氧气分子进入肿瘤细胞,或者利用自供给氧气纳米材料如MnO2、Pt、CaO等提高肿瘤部位氧气含量,达到增强肿瘤PDT的效果。但上述纳米体系复杂的组装过程、复合的细胞毒性等限制其在PDT中的应用,因此急需开发新型的纳米材料通过非氧依赖的Type I机理实现肿瘤的高效PDT。

超氧自由基(O2−•)是通过非氧依赖的Type I过程产生的高细胞毒性的活性氧分子,其与蛋白、DNA或脂质体结合,造成细胞内组件损伤、细胞代谢功能紊乱,至细胞凋亡。其中部分O2−•是在细胞内超氧化物歧化酶(SOD)的催化作用下,转化成H2O2和O2,随后H2O2进一步转化成高毒性的羟基自由(OH·)增强PDT的治疗效果。

卟啉基金属-有机框架(MOF)纳米材料作为光敏剂广泛用于肿瘤的PDT治疗中,但目前主要是以Type II治疗机制与光热治疗、化疗、放疗等结合,进行肿瘤的协同治疗。为了实现缺氧条件下肿瘤高效PDT的目的,北京科技大学孟祥丹博士,杨洲教授和董海峰教授课题组开发了一种基于细菌叶绿素的新型MOF纳米片(DBBC-UiO)O2−•发生器,在近红外(NIR)光照射下,实现光声成像指导的Type I型与Type II型结合的PDT,用于缺氧实体瘤的高效治疗。以细菌叶绿素(H2DBBC)为配体框架,Hf63-O)43-OH)4为共价结合点,制备得到DBBC-UiO MOF纳米片。在充足的O2含量条件下,在750 nm NIR光照射下,DBBC-UiO作为光敏剂通过Type II产生1O2,而在严重缺氧微环境中通过Type I产生大量O2−•。随后产生的大量O2−•不仅可作为高细胞毒性阴离子自由基诱导肿瘤细胞凋亡,同时可再SOD诱导的催化下,将部分O2−•转化为高毒性OH·。此外,DBBC-UiO具有良好光声成像能力,可用于高分辨率、高组织透过性的癌症精准诊断,该光声成像指导的高效PDT用于缺氧条件下实体瘤的有效消除具有显著的临床应用前景。

该工作以“A Bacteriochlorin-Based Metal-Organic Framework Nanosheet Superoxide Radical Generator for Photoacoustic Imaging-Guided Highly Efficient Photodynamic Therapy”为题,发表在Advanced Science(DOI:10.1002/advs.201900530)上,第一作者为北京科技大学张凯博士,孟祥丹博士、杨洲教授和董海峰教授为该论文的通讯作者。