石 敏，周治國，楊 紅，楊仕平

（上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海 200234）

金屬銥配合物在光動力學(xué)治療中的應(yīng)用

石 敏，周治國，楊 紅，楊仕平

（上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海 200234）

光動力治療主要通過光敏劑在特定波長光源的激發(fā)下發(fā)生光動力學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生單線態(tài)氧而發(fā)揮其破壞腫瘤細(xì)胞的作用.金屬銥配合物，由于金屬銥的重原子效應(yīng)，在被合適的光激發(fā)后經(jīng)過系間竄越到達(dá)三重態(tài)，把能量傳遞給氧分子從而產(chǎn)生單線態(tài)氧用于光動力治療.

銥配合物；光動力學(xué)治療；化療

0 光動力學(xué)治療概述

光動力療法（photodynamic therapy，PDT）是一種無創(chuàng)或微創(chuàng)性，非熱性的，利用光化學(xué)反應(yīng)靶向組織和靶向腫瘤細(xì)胞的治療方法［1］.PDT是一種冷光化學(xué)反應(yīng)，其基本要素是氧、光敏劑和可見光（常用激光）［2］.首先腫瘤組織選擇性攝取光敏劑，隨后選擇適當(dāng)波長的激光對局部照射，光敏劑被激活，激發(fā)態(tài)的光敏劑又把能量傳遞給周圍的氧，生成活性很強的單線態(tài)氧.單線態(tài)氧和相鄰的生物大分子發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生細(xì)胞毒作用而導(dǎo)致細(xì)胞受損乃至死亡，如圖1所示［3］.

圖1 光動力療法示意圖

近年來由于光敏劑、光激活裝置以及導(dǎo)光系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步，光動力學(xué)療法已逐步成為腫瘤的基本治療手段之一［4］.迄今為止，已有一些商用的光敏劑應(yīng)用于PDT中.常用的商用光敏劑例如：1966年，Lipson首先提出了血卟啉衍生物（hematoporphyrin deriva-tive，HPD）、二血卟啉醚（dihaematoporphyrin ether，DHE）和Por-fimer sodium（PhotofrinⅡ，即PHOTOFRINR）為第一代光敏劑，這三種光敏劑已獲多國政府的藥監(jiān)部門批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床.臨床應(yīng)用光敏劑時，多為幾種光敏劑的混合制劑，這使得光敏劑在體內(nèi)的滯留時間長，避光時間需4周以上，其最大激發(fā)波長在630 nm，此波長穿透的組織深度有限（0.5 cm以下），由于穿透組織較淺，極大地限制了光動力學(xué)療法在較大腫瘤上的應(yīng)用［5-7］.隨著研究的進(jìn)一步深入，又發(fā)現(xiàn)了第二代光敏劑，如5-ALA（5-氨基酮戊酸）、間-四羥基苯基二氫卟酚（meso-tetrahydroxyphenyl chlorin，m-TH-PC）、初卟啉錫（tin etiopurpurin，SnEtz）、亞甲基蘭（methylene blue）和亞甲苯蘭（toluidine blue）、苯卟啉（benzoporphyrin）衍生物以及l(fā)utelium texaphyrins（Lu-Tex）、苯并卟啉衍生物單酸（BPD-MA，vertoporfin）、酞青類（Phthalocyanines）、得克薩卟啉（Texaphyrins）、N-天門冬?；溥卜樱∟-aspartyl chlorin e6，Npe 6）、金絲桃素（hypercin）、血啉甲醚（Her-mimether，HMME）.第二代光敏劑基本已進(jìn)入臨床研究階段，尚未批準(zhǔn)正式臨床應(yīng)用.第二代光敏劑部分地克服了第一代光敏劑的缺點，更加符合理想光敏劑的特點，表現(xiàn)為光敏期短，作用的光波波長較大，從而增加了穿透的深度，產(chǎn)生的單線態(tài)氧也較多，對腫瘤更有選擇性［5，8］.在第二代光敏劑的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步交聯(lián)上某些特殊的化學(xué)物質(zhì)，更加提高了腫瘤組織的選擇性.這些特殊的化學(xué)物質(zhì)，如多聚體（Polymers）、脂質(zhì)體（Liposomes）、腫瘤組織表達(dá)的抗原或受體的相應(yīng)抗體和配體等，但目前尚處在動物研究階段［9］.本文作者介紹了銥配合物具有的優(yōu)異性質(zhì)，可作為理想的第三代光敏劑進(jìn)行探討研究.

金屬銥配合物具有發(fā)光量子產(chǎn)率高、大的Stocks位移和發(fā)光壽命長、發(fā)射峰較窄等特點.可以通過對配體的修飾，調(diào)節(jié)銥配合物的發(fā)射波長、發(fā)光強度、發(fā)光量子產(chǎn)率.由于銥配合物的這些優(yōu)點已經(jīng)被廣泛研究，有望作為新型高效的光敏劑，本文作者主要綜述了基于金屬銥配合物作為光敏劑在PDT領(lǐng)域的研究進(jìn)展.

1 銥配合物的發(fā)光機(jī)理

銥配合物作為光敏劑用于光動力學(xué)治療，即銥配合物在合適的光源照射下，吸收光源能量后激發(fā)，激發(fā)光將能量轉(zhuǎn)移給周圍的氧產(chǎn)生單線態(tài)氧，用于光動力學(xué)治療.要了解銥配合物用于光動力學(xué)原理，首先要了解銥配合物發(fā)光機(jī)理.銥配合物在適當(dāng)?shù)募す庹丈湎履馨l(fā)出熒光和磷光，熒光和磷光都是輻射躍遷過程.不同的是熒光的輻射躍遷始態(tài)是激發(fā)單重態(tài)，而磷光的輻射躍遷始態(tài)是三重態(tài)，但是終態(tài)都是基態(tài).所以光敏劑發(fā)光可以細(xì)分為熒光和磷光.如圖2所示，當(dāng)處于基態(tài)（S0）的銥配合物受到光激發(fā)后，分子吸收能量（A）首先到達(dá)單重激發(fā)態(tài)（S1）.由于銥原子存在重原子效應(yīng)，大部分單重激發(fā)態(tài)（S1）所處的較低經(jīng)振動能級與激發(fā)態(tài)較高振動能級重疊時，過系間竄越單重激發(fā)態(tài)到達(dá)三重激發(fā)態(tài)（S3），經(jīng)過振動弛豫達(dá)到最低振動能級（T3），然后經(jīng)過輻射躍遷回到基態(tài)（S0）從而發(fā)出磷光（P）.部分單重激發(fā)態(tài)（S1）經(jīng)過振動弛豫達(dá)到最低振動能級（T1），再經(jīng)過輻射躍遷回到基態(tài)（S0），從而發(fā)出熒光（F）.若再由三重激發(fā)態(tài)（S3）將能量轉(zhuǎn)移到稀土（RE）中心上，中心離子發(fā)生躍遷至激發(fā)態(tài)，再回到基態(tài)并產(chǎn)生熒光，這就是銥配合物發(fā)光機(jī)理［10］.

圖2 銥配合物發(fā)光機(jī)理示意圖

2 銥配合物的光動力學(xué)治療研究

2006年P(guān)i-Tai Chou課題組把銥配合物通過后修飾的方法連接到CdSe/ZnS納米粒子表面得到了Ir-CdSe/ZnS量子點，在640 nm的激光照射下，能有效地產(chǎn)生單線態(tài)氧，可用于光動力學(xué)治療［11-12］.有關(guān)細(xì)胞以及動物光動力學(xué)治療的研究當(dāng)時未作報道.圖3A為Ir-CdSe/ZnS量子點的合成路線，將銥配合物通過化學(xué)交聯(lián)到CdSe/ZnS納米粒子表面得到Ir-CdSe/ZnS量子點.圖3B中嵌入了Ir-CdSe/ZnS量子點在充空氣甲醇溶液中激發(fā)光譜.觀察到在1 273 nm處有很強的發(fā)射，通過公式1Δg（0）→1∑g（0）1 273 nm計算，驗證了單線態(tài)氧產(chǎn)生.進(jìn)一步研究銥配合物在MeOH溶劑發(fā)射的衰減曲線.圖3B為充空氣和除氧兩種條件下發(fā)射光譜的衰減歷程，觀察在除氧條件下，發(fā)射光譜的衰減時間明顯加長.

圖3 A：Ir-CdSe/ZnS量子點的合成路線；B：Ir-CdSe/ZnS量子點在充空氣（hollow circle）和除氧（solid circle）甲醇溶液發(fā)射光譜的衰減曲線（插圖：1273nm處Ir-CdSe/ZnS量子點發(fā)射光譜）

2007年，Pi-Tai Chou課題組利用反膠束法制得Fe3O4/SiO2（Ir）納米粒子.圖4A為Fe3O4/SiO2（Ir）納米粒子的合成路線，F(xiàn)e3O4/SiO2（Ir）納米粒子是由硅烷化的銥配合物在堿性條件下聚合到Fe3O4/SiO2納米粒子表面制得.圖4B為激光共聚焦顯微鏡觀察100μg/mL Fe3O4/SiO2（Ir）納米粒子孵育的HeLa細(xì)胞光動力學(xué)治療圖片.圖4B中（a）為沒有光照下0 min時的細(xì)胞形態(tài)，圖4B中（b）為沒有光照下480 min時的細(xì)胞形態(tài).可以觀察到光照對照組（a）、（b）細(xì)胞形態(tài)完好，沒有死亡跡象.圖4B中（c）～（f）是HeLa細(xì)胞在200 mW激光照射不同時間的激光共聚焦圖片，光照時間分別為：（c）0 min，（d）90 min，（e）180 min，（f）210min，（g）390 min，（h）480min，觀察到隨著照射時間的加長，細(xì)胞中逐漸有氣泡和胞漿碎片形成，細(xì)胞膜也逐漸變形、破損，最終死亡，從而達(dá)到治療腫瘤的目的［13］.

圖4 A：Fe3O4/SiO2（Ir）納米合成粒子路線；B：激光共聚焦觀察100μg/mL Fe3O4/SiO2（Ir）納米粒子孵育的HeLa細(xì)胞不同時間的光動力治療圖片

相比之前只是證明產(chǎn)生單線態(tài)氧，F(xiàn)e3O4/SiO2（Ir）用于光動力學(xué)治療的有了進(jìn)一步的發(fā)展，進(jìn)入了細(xì)胞層次，但治療存在沒有靶向性的缺點.在2008年，Pi-Tai Chou課題組報道了另一種具有靶向HeLa細(xì)胞的H-MnO@mSiO2（Ir）-FA納米粒子，圖5A為H-MnO@mSiO2（Ir）-FA納米粒子合成路線，首先合成H-MnO@mSiO2（Ir）納米粒子，然后在其表面利用離子交換的方法接上-NH2，得到H-MnO@mSiO2（Ir）-NH2納米粒子，然后在EDC和NHS活化作用下與葉酸（FA）反應(yīng)得到具有靶向功能的H-MnO@ mSiO2（Ir）-FA納米粒子.H-MnO@mSiO2（Ir）-FA納米粒子不僅大大降低了非靶向細(xì)胞的攝取量，減小對非靶向細(xì)胞的毒性，而且顯著增強了HeLa細(xì)胞對納米粒子的攝取量，治療具有靶向性［14］.圖5B通過MTT法檢測不同實驗條件下HeLa細(xì)胞的光動力學(xué)治療效果，（a）細(xì)胞中無H-MnO@mSiO2（Ir）-FA納米粒子孵育，在100 mW鹵素?zé)粝抡丈?0 min，無細(xì)胞死亡；（b）在黑暗的條件下，用50μg/mL H-MnO @mSiO2（Ir）納米粒子孵育120 min，細(xì)胞成活率也在90%以上；（c）在黑暗的條件下，用50μg/mL H-MnO@mSiO2（Ir）-FA納米粒子孵育120 min，細(xì)胞成活率在90%左右；（d）細(xì)胞用H-MnO@mSiO2（Ir）納米粒子孵育120 min，在100 mW鹵素?zé)粝抡丈?0 min，細(xì)胞成活率在90%左右；（e）細(xì)胞用HMnO@mSiO2（Ir）-FA納米粒子孵育120min，在100mW鹵素?zé)粝抡丈?0min，細(xì)胞成活率為60%，有大量細(xì)胞死亡，隨著照射時間加長有更多的HeLa細(xì)胞死亡，通過對照說明H-MnO@mSiO2（Ir）-FA納米粒子具有良好靶向光動力學(xué)治療效果.

圖5 A：H-MnO@mSiO2（Ir）-FA的合成路線；B：MTT法檢測不同實驗條件的光動力學(xué)治療效果

2012年，Shinsuke Moromizato等人報道報道以2-（5′-N，N-二乙基氨基-4′-間甲苯基）吡啶（deatpy）配體為配體的新型銥配合物［Ir（deatpy）3］.Ir（deatpy）3的發(fā)射具有很強的pH依賴性，在微酸性條件下（pH≈6.5～7），用377 nm或470 nm的激光照射，圖6的水溶性照片可以清楚地看出pH在6.5和7下，Ir（deatpy）3被激發(fā)發(fā)光，將能量轉(zhuǎn)移給周圍的氧產(chǎn)生單線態(tài)氧，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡［15］.而pH在7.4條件下沒有激發(fā)，不會產(chǎn)生單線態(tài)氧，從而不會傷害正常細(xì)胞.體內(nèi)正常環(huán)境為pH為7.4左右，而腫瘤細(xì)胞一般適合在偏酸性（pH≈6.5～7）環(huán)境生長，對于pH敏感的Ir（deatpy）3在腫瘤細(xì)胞生長的環(huán)境下，通過激光的照射，產(chǎn)生單線態(tài)氧能夠誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡，Shinsuke等人成功報道具有pH靶向的光動力學(xué)治療［16-17］.

圖6 pH敏感的Ir（deatpy）3光動力學(xué)治療

2013年，Cao等人報道了新型金屬銥配合物誘導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)，通過線粒體介導(dǎo)的癌細(xì)胞凋亡.Cao等人首次提出具有線粒體靶向作用的光動力學(xué)治療，相對之前只是概述銥配合物進(jìn)入細(xì)胞后激發(fā)產(chǎn)生單線態(tài)氧，破壞細(xì)胞機(jī)制，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，有了進(jìn)一步的突破［18］.圖7A通過核轉(zhuǎn)錄因子的同源蛋白（CHOP）的表達(dá)指示內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)，用10μmol/L銥配合物孵育的HeLa細(xì)胞分別在3、5、12 h的激光共聚焦圖片，用β-微管蛋白（β-Tubulin）作為對照，觀察到孵育12 h后，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)產(chǎn)生了明顯的應(yīng)激反應(yīng).內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)導(dǎo)致了細(xì)胞對Ca2+過量吸收，聚集在細(xì)胞質(zhì)中，引起線粒體的吸收，從而使線粒體被破壞，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡.圖7B為激光共聚焦觀察100μmol/L銥配合物孵育HeLa細(xì)胞的熒光強度隨著時間推移不斷增強.圖7C為激光共聚焦顯微鏡的軟件定量分析100μmol/L銥配合物處理后的HeLa細(xì)胞熒光強度隨時間變化的曲線.圖7D為激光共聚焦顯微鏡觀察用10μmol/L銥配合物孵育的HeLa細(xì)胞在激光照射后，隨著時間變化細(xì)胞出現(xiàn)核縮合，亮場圖片顯示HeLa細(xì)胞膜起泡，細(xì)胞逐漸凋亡，這是首次報道具有線粒體靶向的光動力學(xué)治療.

圖7 A：10μmol/L銥配合物孵育的HeLa細(xì)胞分別在3 h、5 h、12 h內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)的免疫印跡；B：共聚焦觀察隨著時間推移100μmol/L銥配合物孵育的HeLa細(xì)胞熒光強度；C：利用共聚焦顯微鏡的軟件定量分析100μmol/L銥配合物孵育的HeLa細(xì)胞熒光強度；D：共聚焦顯微鏡觀察用10μmol/L銥配合物孵育的HeLa細(xì)胞明暗場圖片

2013年，Li等人報道了線粒體靶向Ir complex-PEG復(fù)合物［20］.通過配體來調(diào)節(jié)復(fù)合物的發(fā)光強度和發(fā)光壽命，創(chuàng)新點在于Li等人的研究解決了許多過渡金屬常見的兩個問題：一是對于真核細(xì)胞系高的細(xì)胞毒性，二是銥配合物在水溶液的溶解性差的問題.Li等人的解決方案是將銥配合物通過功能化接上聚乙二醇（PEG）.銥配合物接上PEG極大地提高了復(fù)合物的生物相容性，保護(hù)了復(fù)合物與內(nèi)細(xì)胞的DNA、蛋白質(zhì)、其他細(xì)胞器之間的相互作用，從而減小了細(xì)胞毒性［21-22］.并通過配體大π-π的共軛體系調(diào)整細(xì)胞對銥配合物的攝取效率.另外一大突破是研究進(jìn)入到動物實驗，選擇與人類87%的DNA是相似的斑馬魚作為實驗對象，治療具有創(chuàng)新性［23-25］.圖8A為24倍顯微鏡觀察不同濃度含有PEG的銥配合物（complex 3a）和不含有PEG的銥配合物（complex 3b）在相同條件下孵育20 h的斑馬魚胚胎圖片，發(fā)現(xiàn)不含有PEG的complex 3b不能進(jìn)入斑馬魚胚胎中，而含有PEG的complex 3a能被胚胎所攝取.圖8B為72倍顯微鏡觀察斑馬魚幼體的整體照片，同樣可以看出含有PEG的complex 3a和空白對照組斑馬魚幼體形態(tài)都沒有變化，complex 3a能夠被胚胎很好攝取，而不含PEG的銥配合物complex 3b不能被胚胎攝取，在體內(nèi)聚集腫脹，形態(tài)發(fā)生了變化，胚胎發(fā)育產(chǎn)生明顯缺陷（已用箭頭標(biāo)注）.如圖9所示，complex 3a注射斑馬魚后沿血管分布，然后擴(kuò)散到肌肉和其他組織，1h后進(jìn)入脊索、脊髓和腦室.注射24 h后，加載的complex 3a聚集在頭部周圍和心腔的卵黃囊周圍，斑馬魚接受治療仍然正?；钪?，并且通過體循環(huán)逐漸代謝到膀胱，最后排出體外.這就意味著complex 3a有望成為體內(nèi)光動力學(xué)治療試劑.

圖8 A：24倍顯微鏡觀察不同濃度complex 3a和complex 3b孵育20 h的斑馬魚圖片；B：72倍顯微鏡觀察complex 3a、complex 3b孵育24 h后斑馬魚幼體圖片

圖9 48倍顯微鏡觀察不同時間段complex 3a在斑馬魚幼體內(nèi)的生物分布

3 金屬銥配合物光動力學(xué)療法的局限性

金屬銥配合物作為新型的光敏劑用于光動力學(xué)治療的研究還不夠全面，金屬銥配合物光動力學(xué)療法是一種局部治療方法，對腫瘤的殺傷效果在很大程度上決定于病變區(qū)的照光劑量是否充分.由于現(xiàn)在報道的銥配合物用于光動力學(xué)治療主要是在可見光部分有吸收，這就不可避免地對動物體產(chǎn)生一定的毒性，并且在黑暗條件下也有輕微的毒性，而且穿透深度較淺，光進(jìn)入組織后會因組織的吸收和散射而衰減，所以無論采用哪種光照方式，一次照射的殺傷深度和范圍都是有限的［26］，至今還沒有用于臨床治療.但金屬銥配合物具有高發(fā)光量子產(chǎn)率、大的Stocks位移、長發(fā)光壽命和發(fā)射峰較窄等優(yōu)點，希望通過進(jìn)一步深入研究獲得有近紅外區(qū)吸收、低光毒性、高穿透深度的金屬銥配合物，能夠成為理想的新一代光敏劑用于光動力學(xué)治療.

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Iridium com plexes for the app lication of photodynam ic therapy

SHIMin，ZHOU Zhiguo，YANG Hong，YANG Shiping
（College of Life and Environmental Sciences，Shanghai Normal University，Shanghai200234，China）

Photodynamic therapy can destruct tumor cells by singletoxygen which is generated via a photodynamic reaction of the photosensitizer under a specfic excitation wavelength.Due to the heavy atom effect ofmetal iridium，iridiumcomplexes are excited by suitable lightand then reach their excited triple state through intersystem crossing.The excited iridium complexes transfer energy to oxygen molecules to produce singlet oxygen for photodynamic therapy.

iridium complexes；photodynamic therapy；chemical therapy

O 657.1

A

1000-5137（2015）05-0563-08

（責(zé)任編輯：郁 慧）

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2015.05.018

2014-11-07

上海市自然科學(xué)基金項目（12ZP1421800）

楊 紅，中國上海市徐匯區(qū)桂林路100號，上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，郵編：200234，E-mail：yanghong@shnu.edu.cn