謝文靜，鄭 敏，周宏福，王世越，王自瑤，李 玲

(湖北科技學(xué)院醫(yī)學(xué)部藥學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

卟啉廣泛存在于自然界的動植物體內(nèi)，早在十九世紀(jì)中期，血卟啉就被人類所發(fā)現(xiàn)，隨后卟啉及其衍生物也因此得到人們的關(guān)注。卟啉是一種大分子雜環(huán)化合物，它作為一個高度共軛的體系，是由4個吡咯類亞基的α-碳原子通過次甲基橋(=CH-)交聯(lián)而形成的[1]?？茖W(xué)家們通過將卟啉大環(huán)上的吡咯雙鍵進行還原，得到了卟啉類衍生物，如酞菁、卟吩等，促使它們的吸收波長紅移至近紅外區(qū)，激發(fā)的波長也能更好的穿透深部組織。基于卟啉類衍生物優(yōu)良的吸收特性和良好的生物相容性，運用新型納米材料，巧妙地將其結(jié)合在腫瘤光熱治療、光動力治療中，使卟啉類光敏劑在癌癥治療領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

1 卟啉類光敏劑的發(fā)展歷程

為了達到理想的治療效果，人類不斷的探索出一代又一代的光敏劑，將其運用于腫瘤的聯(lián)合治療之中。而經(jīng)歷了三代變革以后的卟啉類光敏劑，具備結(jié)構(gòu)性質(zhì)穩(wěn)定、光毒性強、副作用小、對癌組織靶向性強、光敏化能力強、組織穿透深等優(yōu)越特性，得到了廣泛的運用。

1.1 第一代光敏劑

血卟啉衍生物和光敏素Ⅱ是最早被人們所發(fā)現(xiàn)的光敏劑。1841年，Schwartz第一次從血液中提取出了血卟啉，它是由血紅蛋白酸水解后產(chǎn)生的內(nèi)源性卟啉[2]，后續(xù)的研究者在此基礎(chǔ)上進一步證明了血卟啉的光毒性，Allison等[3]對血卟啉衍生物分離純化，得到了光敏素Ⅱ，此類衍生物吸收波長較短，只有少量光波能透過皮膚直達病灶部位，對腫瘤定位不準(zhǔn)確，還會產(chǎn)生皮膚光敏反應(yīng)，基于以上缺點的限制，第二代光敏劑應(yīng)運而生。

1.2 第二代光敏劑

第二代光敏劑可實現(xiàn)更長的近紅外光的吸收，具有結(jié)構(gòu)單一、靶向性強、活性氧產(chǎn)量高等多重優(yōu)勢，且利用效率也顯著提高，并且在無光照條件下，暗毒性很低。

1.2.1 卟啉衍生物

以5-氨基酮戊酸和血卟啉單甲醚為代表的第二代卟啉衍生物最為常見。其中，5-氨基酮戊酸是卟啉在機體代謝而成的中間產(chǎn)物[4]。20世紀(jì)90年代初，許德余等[5]獨立研發(fā)出了一種國產(chǎn)的新型光敏劑——血卟啉單甲醚，相關(guān)研究人員進一步將血卟啉單甲醚運用到鮮紅斑痣、肺癌診斷、消化道腫瘤等疾病的治療之中，展現(xiàn)出顯著優(yōu)越的效果。

1.2.2 二氫卟吩類衍生物

二氫卟吩類衍生物，由于其結(jié)構(gòu)中的一個雙鍵被單鍵取代，所以在近紅外光區(qū)的光敏效應(yīng)更好。值得一提的是，自然界中的葉綠素類化合物，核心環(huán)都是二氫卟吩，因此，利用這種原料，研究者們合成了葉綠素衍生物，將它運用于腫瘤的治療，展現(xiàn)出較好的治療效果。但由于卟吩類光敏劑水溶性差、光譜特征不穩(wěn)定、清除率低，光毒性強，使其在實際應(yīng)用中受到限制。

1.2.3 酞菁類光敏劑

酞菁的合成是通過將4個苯環(huán)或萘環(huán)連接到卟啉環(huán)的4個吡咯β位上，再把meso-H對應(yīng)的C轉(zhuǎn)換為N來實現(xiàn)的，它是一種完全由人工合成的光敏劑[6]，可以通過改變?nèi)〈椭行呐湮唤饘匐x子來調(diào)整結(jié)構(gòu)，使其最大的吸收峰提高。此外，酞菁具有穩(wěn)定的理化性質(zhì)，蓄積腫瘤部位速度快，機體清除率高，避免皮膚出現(xiàn)光敏性反應(yīng)。陳耐生等[7]合成了一種新型酞菁類光敏劑——“福大賽因”，這種鋅酞菁抗癌光敏藥物已被批準(zhǔn)進入臨床試驗階段，取得了理想治療效果。

1.2.4 稠環(huán)醌類光敏劑

稠環(huán)醌類光敏劑是從菌類植物中提取而成的一種天然光敏劑，在光動力治療時，可直接產(chǎn)生單線態(tài)氧、自由基或超氧陰離子，破壞腫瘤生長缺氧微環(huán)境。如云南箭竹中的竹紅菌素、貫葉連翹中的金絲桃素和姜科植物中的姜黃素[8]，均屬于稠環(huán)醌類的光敏劑，相比于人工合成的部分卟啉類光敏劑，它的安全性更高、光毒性更低，具有巨大的發(fā)展前景。

1.3 第三代光敏劑

第三代光敏劑引入了具有靶向性的官能團或化合物(如多聚體、脂質(zhì)體、糖類、抗體等)，以及卟啉的糖苷化、卟啉與富勒烯復(fù)合、與蛋白質(zhì)復(fù)合以及與各種納米粒子復(fù)合，以此來增加在腫瘤細(xì)胞中的選擇富集作用，提高靶向治療效果[9]。伴隨著納米技術(shù)在腫瘤光熱、光動力治療領(lǐng)域的飛速發(fā)展，尤其與光熱納米材料結(jié)合的光敏劑，更是具有廣闊的前景和未來。

2 光熱納米材料

2.1 無機光熱納米材料

無機光熱納米材料主要包括貴金屬材料、金屬硫化物材料、金屬氧化物材料、量子點、碳基納米材料等。以金、銀、鉑等為代表的貴金屬，是最早被開發(fā)的納米光熱轉(zhuǎn)換材料，尤其是金納米材料是目前研究最為廣泛的貴金屬材料，其優(yōu)點為易合成、易修飾、性質(zhì)穩(wěn)定，在808nm處具有良好的光熱轉(zhuǎn)換效率，主要是由于金屬納米結(jié)構(gòu)發(fā)生了等離子共振吸收，并實現(xiàn)了光能到熱能之間的轉(zhuǎn)換，以殺死腫瘤細(xì)胞[10]；而常見的金屬硫化物納米材料是一種無機半導(dǎo)體的納米材料，包括二硫化鎳、硫化鉍、硫化銅等，均有較高的近紅外吸收特性和較小的毒副作用[11]；而金屬氧化物材料，常見的有磁性氧化鐵、二氧化錳、過渡金屬氧化物二氧化銥等，其中運用較多的磁性氧化鐵納米粒子，不僅在近紅外光照射下可以產(chǎn)熱，還可以發(fā)揮磁熱療的特性，在交變磁場的作用下，定向聚集在腫瘤部位的氧化鐵納米粒子，可以發(fā)生磁熱效應(yīng)將癌細(xì)胞殺死[12]；此外，碳基納米材料，常見的如碳納米管、碳納米球、碳量子點、石墨烯、富勒烯等[13]，一般是通過表面改性以及修飾功能化物質(zhì)拓展其現(xiàn)有性能，在近紅外區(qū)表現(xiàn)出較強的光吸收特性和較好的穩(wěn)定性，同時，碳作為人體組成的基本元素之一，生物相容性優(yōu)于其他重金屬納米材料，并且碳基納米材料還能有效識別癌細(xì)胞的靶向性分子，將其修飾到表面，修飾后的碳基納米粒子具有很大比表面積，可以負(fù)載小分子、藥物、基因等[14-15]，并選擇性的富集到腫瘤組織，既能高效地殺死癌細(xì)胞，又能降低治療中的毒副作用。

2.2 有機光熱納米材料

有機光熱納米材料通常具有良好的組織相容性和生物可降解性，如近紅外染料和高分子聚合物等。近紅外染料雖然生物相容性好、近紅外窗口吸收性強，但它的穩(wěn)定性差，在腫瘤內(nèi)靶向蓄積有限，常與納米載體結(jié)合。吲哚菁綠作為一種近紅外染料，早在1954年就被美國食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床診斷[16]。而高分子聚合物納米材料如聚吡咯、聚多巴胺、聚乙二醇等[17]，具有光熱轉(zhuǎn)換效率較高、合成成本相對較低等優(yōu)勢，且擁有較高的載藥性能，可實現(xiàn)在人體內(nèi)的緩慢降解。

3 腫瘤的光熱治療、光動力治療

光熱治療(photothermal therapy ，PPT)是指選用性能較好的光熱轉(zhuǎn)換材料，將其注入人體，在靶向性識別技術(shù)下富集于腫瘤組織部位，采用近紅外光的照射，實現(xiàn)光能與熱能的轉(zhuǎn)換，以此達到殺死癌細(xì)胞的效果[18]。光動力療法(photodynamic therapy，PDT)是指使用光敏藥物進行激光活化，來治療腫瘤疾病的新方法。氧、光敏劑和激光是構(gòu)成光動力治療的三個基本要素，當(dāng)采用適當(dāng)波長光線局部照射，聚集在腫瘤組織的光敏藥物被活化，引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，并破壞腫瘤細(xì)胞，此外，光敏劑有助于生成活性很強的單態(tài)氧，單態(tài)氧與生物大分子發(fā)生氧化反應(yīng)，引發(fā)細(xì)胞毒性和微血管損傷，致使腫瘤細(xì)胞凋亡[19]。這兩種針對腫瘤聯(lián)合治療的手段具有毒副作用小、選擇性高、創(chuàng)傷小、光學(xué)吸收特性高等優(yōu)勢，它們作為有前途的癌癥治療方式，可以明顯縮短腫瘤的治療周期。

4 卟啉類光敏劑聯(lián)合納米材料在腫瘤光熱/光動力治療中的應(yīng)用

4.1 卟啉類光敏劑與金屬納米材料結(jié)合——腫瘤光熱/光動力治療

納米卟啉聯(lián)合金屬有機框架(metal organic frameworks，MOFs)已成為癌癥光動力治療的一個很有前途的治療平臺。金屬有機框架具有通用性強、孔隙率高、生物相容性好等特點，結(jié)合納米卟啉的金屬有機框架可以有效解決卟啉因水溶性差、不穩(wěn)定性等問題，并能抑制卟啉化合物自聚集引起的猝滅，促進藥物傳遞。王玉偉等[20]先采用溶劑熱法合成卟啉基金屬有機框架納米顆粒，負(fù)載高鐵酸鉀氧化劑，再經(jīng)牛血清蛋白包覆表面以制得多功能的復(fù)合納米顆粒，模擬腫瘤微環(huán)境條件下的細(xì)胞培養(yǎng)基，采用CCK-8方法，測試細(xì)胞的光-化學(xué)動力學(xué)聯(lián)合治療效果，研究表明它能將腫瘤細(xì)胞內(nèi)過度合成的內(nèi)源H2O2轉(zhuǎn)化為羥自由基，在660nm激光照射下可以提高單線態(tài)氧的產(chǎn)量，增強光動力學(xué)效應(yīng)；崔華媛等[21]制備了一種新型的錳簇卟啉金屬有機框架納米載體，研究其生物學(xué)效用，考察它對結(jié)腸癌細(xì)胞的光毒性，結(jié)果顯示，光誘導(dǎo)的錳簇卟啉金屬有機框架在低氧環(huán)境下，對結(jié)腸癌腫瘤細(xì)胞表現(xiàn)出高水平的細(xì)胞殺傷性，H2O2在錳簇作用下分解為O2，產(chǎn)生的氧在近紅外光下照射下，進一步轉(zhuǎn)化為具有細(xì)胞毒性的單線態(tài)氧。

共價有機骨架(covalent organic frameworks，COFs)是一類有機單體通過可逆共價鍵連接而形成的晶型有機多孔材料[22]。近幾年，它作為一種新型材料在合成和性能研究等方面得到了快速發(fā)展，這種通過可逆的共價鍵(C-C、C=N、C-N、C-O和B-O等)連接起來的有機孔材料，相比于以氫鍵、范德華力等次級鍵作用力得到的材料而言，具有更好的化學(xué)/熱穩(wěn)定性。此外，帶有配位基團的共價有機骨架，還可以作為非均相配體與金屬配位形成穩(wěn)定的配合物，從而有助于穩(wěn)定金屬中心，提高過渡金屬的催化活性[23]。Wang等[24]制備了卟啉基共價有機骨架納米顆粒(COF-366 NPs)作為光活性劑，它能降低卟啉的自聚集和猝滅，此外這種共軛結(jié)構(gòu)能增強近紅外的吸收，使用COF-366 NPs還可以實現(xiàn)光聲成像引導(dǎo)的光動力學(xué)和光熱學(xué)聯(lián)合癌癥治療，在乳腺癌荷瘤小鼠中，通過一次注射和單一波長光源照射，可實現(xiàn)對大腫瘤的完全抑制(見圖1)。

圖1 單波長光照射下COF-366 NPs形成和光聲成像引導(dǎo)光療的示意圖[16]

4.2 卟啉類光敏劑與聚合物納米材料結(jié)合——腫瘤光熱/光動力治療

卟啉與聚合物納米復(fù)合材料(如膠束、囊泡和微凝膠)，通過疏水、靜電、配位相互作用、氫鍵和主客體識別等方式協(xié)同自組裝，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用價值。在結(jié)構(gòu)上，聚合物可以影響卟啉分子的形式并改變聚合物的構(gòu)象；在功能上，聚合物組裝體為卟啉提供了疏水微環(huán)境和親水外圍，并進一步增強了其在生物環(huán)境中的穩(wěn)定性[25]。此外，聚合物的結(jié)構(gòu)多樣性可以有效模擬蛋白質(zhì)殘基的結(jié)構(gòu)和功能，增強卟啉的生物活性，與此同時，卟啉又賦予了聚合物各種生物學(xué)功能。Shi等[26]采用一種溶液室溫老化的方法，制備了基于5，10，15，20-四(4-氨基苯基)-卟啉(Tph)和2，5-二羥基-1，4-苯二甲醛(Dha)的納米級含卟啉共價有機聚合物(PCOP)，它的光熱轉(zhuǎn)換效率約為21.7%，在體外和體內(nèi)分別評估了其協(xié)同光動力治療和光熱治療的抗腫瘤效果，并采用不同激光650nm和808nm進行照射，均可以產(chǎn)生細(xì)胞毒性，體內(nèi)評估PCOP對小鼠的抗腫瘤功效、病理形態(tài)學(xué)分析結(jié)果顯示抑瘤效果良好，進一步表明其較低的內(nèi)毒性，在器官內(nèi)滯留的濃度在12h達到最大值，隨后逐漸下降，可以有效被清除至體外，見圖2。

圖2 PCOP的制備與PTT和PDT的應(yīng)用示意圖[18]

劉長玲等[27]以四羥基卟啉為原料，制備以卟啉為核的星形鏈轉(zhuǎn)移劑，以偶氮二異丁腈引發(fā)單體N-異丙基丙烯酰胺，制備出了以卟啉為核的四臂星型聚(N-異丙基丙烯酰胺)，發(fā)現(xiàn)聚合物具有卟啉光敏劑的紫外可見光譜吸收，同時聚合物鏈段可以防止卟啉分子淬滅，具有良好的生物相容性，并能夠有效的殺傷宮頸癌腫瘤細(xì)胞；肖潮等[28]通過構(gòu)建聚乙二醇-聚甲基丙烯酸二異丙基氨基乙酯-四苯基卟啉，使得四苯基卟啉能較好被納米顆粒所固定，并且包載鹽酸阿霉素的納米膠束，可以實現(xiàn)在腫瘤酸性環(huán)境中的緩慢釋放，為癌癥治療提供了新的策略；Li等[29]設(shè)計了一種芳基硼酯修飾的兩親性共聚物，形成膠束并包覆阿霉素和血卟啉，在特異性的激光照射下，血卟啉會在腫瘤部位產(chǎn)生廣泛的活性氧簇，并選擇性釋放化療藥物阿霉素，這種材料將阿霉素介導(dǎo)的化療和血卟啉介導(dǎo)的光動力治療結(jié)合，實現(xiàn)了兩者的協(xié)同抗癌效果。

4.3 卟啉類光敏劑與碳納米材料結(jié)合——腫瘤光熱/光動力治療

Wang等[30]合成了一種基于腫瘤微環(huán)境響應(yīng)的碳納米管，利用聚丙烯胺鹽酸鹽和聚丙烯酸鈉，通過對多壁碳納米管進行表面改性，形成以葉酸為端基的胺化聚乙二醇，可以提高其水分散性、生物相容性和抗氧化性以及腫瘤靶向能力，其被內(nèi)化到腫瘤細(xì)胞中，可以迅速釋放光敏劑二氫卟吩e6，對腫瘤微環(huán)境的低pH和高谷胱甘肽水平的響應(yīng)，同時在MRI的誘導(dǎo)下，與上述材料結(jié)合的MnO2也被催化，將多余的H2O2分解為氧氣，緩解缺氧狀態(tài)，增加過量谷胱甘肽的消耗，協(xié)同抑制腫瘤細(xì)胞生長，在體內(nèi)消融腫瘤，見圖3。

圖3 MWNT@MnO2-PEG@Ce6的合成及治療機制[22]

Gulzar等[31]通過利用聚乙二醇將納米氧化石墨烯共價植入核殼結(jié)構(gòu)上，然后將二氫卟吩e6負(fù)載到石墨烯表面，得到的聚乙二醇包裹石墨烯并負(fù)載二氫卟吩的納米復(fù)合材料，不僅可以作為細(xì)胞和機體的發(fā)光成像探針來進行診斷，同時在808 nm近紅外激光誘導(dǎo)下，可產(chǎn)生活性氧，實現(xiàn)對腫瘤的光動力治療。

4.4 卟啉類光敏劑與脂質(zhì)體納米材料結(jié)合——腫瘤光熱/光動力治療

卟啉脂質(zhì)體的優(yōu)勢在于其較好的安全性和酶生物降解性，并且可負(fù)載多種藥物分子，它作為光敏劑載體，可通過自身快速氧化破壞，促進藥物的局部釋放，臨床應(yīng)用前景廣闊。姜丹等[32]制備了負(fù)載血卟啉單甲醚的脂質(zhì)體，該脂質(zhì)體粒徑大小均一，具有明顯的光觸發(fā)釋放性能，在光照條件下，1h釋放的百分率為67.36%，表明脂質(zhì)體作為載體，可以實現(xiàn)血卟啉單甲醚的光觸發(fā)釋放，有利于提高腫瘤光動力學(xué)治療效果；Zhu等[33]構(gòu)建了一種摻雜原卟啉的載阿霉素多功能脂質(zhì)體，這種載阿霉素脂質(zhì)體的脂質(zhì)雙分子層的摻雜，可促進其高效釋放，提高阿霉素的核傳遞效率，并且在進入乳腺癌細(xì)胞核時，不易被溶酶體捕獲，對于部分耐藥性的癌細(xì)胞，其強烈的耐藥性可以在溫和的激光照射下逆轉(zhuǎn)，因為原卟啉的光動力效應(yīng)破壞了藥物外流系統(tǒng)(如p-糖蛋白)，并促進阿霉素進入癌細(xì)胞核內(nèi)，見圖4。

圖4 脂質(zhì)體激活的藥物釋放及其光動力療法(PDT)用于MDR逆轉(zhuǎn)的示意圖[25]

5 結(jié) 語

綜上所述，我們不難發(fā)現(xiàn)卟啉類衍生物在癌癥治療領(lǐng)域中的重要作用，其獨特的化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了其易于修飾的特性。與納米光熱材料結(jié)合，可以有效地解決卟啉類光敏劑出現(xiàn)的水溶性差、不穩(wěn)定等問題，同時，還可以更大程度地促使其吸收波長紅移至近紅外區(qū)，激發(fā)的波長也能更好的穿透腫瘤深部組織。

因此，在腫瘤的光熱治療中，將卟啉類光敏劑聯(lián)合的納米光熱材料注入體內(nèi)，可以很好的靶向富集在腫瘤附近，增強癌組織周圍的近紅外吸收，光能與熱能間轉(zhuǎn)換效率明顯提升，以實現(xiàn)殺死癌細(xì)胞的目的；而在腫瘤的光動力學(xué)治療中，采用特定波長的激光，可以激活在腫瘤組織內(nèi)選擇性滯留的卟啉類光敏劑，其可以與腫瘤組織內(nèi)的氧產(chǎn)生反應(yīng)，生成活性較好的單態(tài)氧及一些自由基，這些產(chǎn)物進一步與生物大分子發(fā)生作用，破壞癌組織中的細(xì)胞、細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)功能，促使腫瘤細(xì)胞發(fā)生凋亡、壞死以及過度自噬等過程；而在光熱、光動力的協(xié)同治療中，卟啉類光敏劑聯(lián)合光熱納米材料，既可以增強材料本身在近紅外窗口處的吸收和實現(xiàn)較好的光熱轉(zhuǎn)換性能，以達到對腫瘤組織的“熱消融”，也可以發(fā)揮卟啉光敏劑的特性，其反應(yīng)生成的活性氧與自由基能破壞腫瘤組織內(nèi)部的缺氧環(huán)境，引發(fā)細(xì)胞毒性和微血管損傷，最終達到良好的癌癥治療效果。

納米金屬卟啉有機框架是目前研究最多、最廣的一種形式，其次，聚合物、脂質(zhì)體以及碳納米材料也可以很好的與卟啉類光敏劑相結(jié)合，協(xié)同彼此間的優(yōu)勢，將其運用到腫瘤的光熱治療、光動力治療之中，均被證實展現(xiàn)出優(yōu)越的治療效果。隨著科研人員研究的不斷深入，近年來，文獻報道[34]，卟啉類衍生物在腫瘤的聲動力治療(sonodynamic therapy，SDT)中也具有潛在的應(yīng)用價值。聲動力治療是指一種非侵入性治療方式，它利用超聲波與聲敏劑之間的相互作用對腫瘤組織產(chǎn)生損傷。相比于光熱治療、光動力治療而言，聲動力治療中的超聲治療可以通過控制照射時間、頻率、強度，來精確定位腫瘤組織，同時具有更深層的組織穿透力和更小的組織損傷效果。目前，聲動力治療腫瘤的機制有待徹底闡明，現(xiàn)存的觀點主要包括活性氧學(xué)說、超聲空化學(xué)說以及免疫學(xué)說，有關(guān)于卟啉的研究大多還停留在針對腫瘤的光熱、光動力治療領(lǐng)域的應(yīng)用，缺乏在腫瘤聲動力治療的進一步探索，僅有少量文獻報道將卟啉類衍生物運用在聲動力治療，來增強癌癥治療效果。隨著腫瘤治療領(lǐng)域中聲動力治療技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，相信這也必將成為未來一個新的研究熱點。