作者：Blake
目前，光動(dòng)力學(xué)療法在癌癥的診斷和治療中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，其關(guān)鍵是利用光敏劑的熒光特性。然而，目前應(yīng)用于臨床和診斷的光敏劑，依然存在熒光亮度低、對(duì)細(xì)胞的毒性高、組織滲透性差等問(wèn)題。
近日，密歇根州立大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)通過(guò)采用不同的陰離子與熒光染料配對(duì)，可靈活調(diào)節(jié)光敏劑的細(xì)胞毒性和光毒性，不僅可以在診斷中降低細(xì)胞毒性，提高熒光亮度，還可以在癌癥治療中提高光毒性，更有效的殺傷癌細(xì)胞，同時(shí)降低副作用。
光動(dòng)力學(xué)療法(photodynamic therapy,PDT)是1970年左右出現(xiàn)的腫瘤治療方法，它通過(guò)腫瘤組織對(duì)光敏劑的選擇性吸收和潴留，然后用合適波長(zhǎng)和劑量的光來(lái)激發(fā)光敏劑產(chǎn)生細(xì)胞毒性物質(zhì)來(lái)殺傷腫瘤細(xì)胞，從而達(dá)到治療目的。隨著各種新型光敏劑、激光器的研究成功，光動(dòng)力學(xué)療法的技術(shù)也愈發(fā)成熟。
PDT療法有三大因素：光敏劑、可見(jiàn)光、氧氣，其中光敏劑為核心因素。目前光敏劑的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷三代。第一代光敏劑主要是血卟啉類，第二代光敏劑為二氫卟吩類，目前應(yīng)用較多的第二代光敏劑是是5-氨基乙酰丙酸(5-aminolevulinicacid，5-ALA)，它是光敏劑內(nèi)源性卟啉Ⅸ(protopor-phyrinⅨ，PPⅨ)的前體，可進(jìn)入靶細(xì)胞的線粒體內(nèi)，在機(jī)體血紅素合成的過(guò)程中代謝成為PPⅨ從而發(fā)揮光敏劑的作用。第三代光敏劑，則是第二代的光敏劑偶聯(lián)上不同的靶向分子如單克隆抗體，以提高其靶向性，降低PDT治療過(guò)程中的不良反應(yīng)。
然而，對(duì)于目前用于治療和診斷的光敏劑，依然存在熒光亮度低、對(duì)細(xì)胞的毒性高、組織滲透性差等問(wèn)題。
光敏劑導(dǎo)致的毒性由兩種因素共同決定：1）細(xì)胞毒性，即光敏劑在沒(méi)有光源激發(fā)時(shí)對(duì)細(xì)胞的毒性；2）光毒性，即光敏劑在相應(yīng)光源激發(fā)時(shí)對(duì)細(xì)胞的毒性。由于光敏劑的靶向性，會(huì)在腫瘤組織保持較高的濃度。因此，對(duì)于腫瘤近紅外(NIR)成像技術(shù)，需要降低細(xì)胞毒性和光毒性。而對(duì)于PDT，則需要增強(qiáng)光毒性以增強(qiáng)對(duì)腫瘤細(xì)胞的靶向殺傷，同時(shí)需要降低細(xì)胞毒性以避免對(duì)正常組織的毒性。
該研究是Sophia和Richard Lunt夫婦合作的成果。他們首次證實(shí)了陰離子能夠獨(dú)立的控制熒光染料的細(xì)胞毒性和光毒性。
Sophia and Richard Lunt
該研究發(fā)現(xiàn)，將發(fā)熒光的陽(yáng)離子如Cy 與不同的陰離子配對(duì)，可調(diào)節(jié)近紅外(NIR)成像技術(shù)和光動(dòng)力學(xué)療法(photodynamic therapy, PDT)中光敏劑/熒光染料的細(xì)胞毒性。
左側(cè)的陰離子(anion)細(xì)胞毒性更強(qiáng)；中間的陰離子具有合適的光毒性，適用于光動(dòng)力學(xué)療法；右側(cè)的陰離子細(xì)胞毒性低，適用于成像技術(shù)。Cy 為商業(yè)化熒光染料七甲川菁(heptamethine cyanine) ；下排為陰離子：Iodide、SbF6-、PF6-、CB-、FPhB-等。
研究人員發(fā)現(xiàn)采用較小的陰離子配對(duì)時(shí)，細(xì)胞毒性往往較高，即使在低濃度時(shí)依然如此。相反，采用較大的且鹵化的陰離子配對(duì)時(shí)，即使?jié)舛忍岣?0倍，依然沒(méi)有細(xì)胞毒性。同時(shí)發(fā)現(xiàn)了一組適用于PDT的理想配對(duì)，不但具有高光毒性，細(xì)胞毒性幾乎可以忽略不計(jì)。
不同陰離子配對(duì)下Cy 對(duì)A549的細(xì)胞毒性。(A)Cy 與I、SbF6-、PF6-、CB-配對(duì)時(shí)細(xì)胞毒性高；(B) Cy 與PhB-、CoCB-配對(duì)時(shí)細(xì)胞毒性中等；(C) Cy 與TPFB-、TFM-、TRIS-配對(duì)時(shí)無(wú)細(xì)胞毒性。
低細(xì)胞毒性、高光毒性的配對(duì)可用于光動(dòng)力學(xué)療法。而在活細(xì)胞成像中則需要細(xì)胞毒性低的熒光染料，這樣一方面可以保持細(xì)胞活性，從而使成像更清晰，另一方面可以提高熒光染料濃度，使成像更亮。研究人員對(duì)不同細(xì)胞毒性的配對(duì)進(jìn)行了比較，證明通過(guò)陰離子的調(diào)節(jié)可提高活細(xì)胞的體外成像亮度，而且陰離子對(duì)細(xì)胞毒性的調(diào)節(jié)并不限于某一特定的熒光陽(yáng)離子，即這種調(diào)節(jié)效果可以應(yīng)用于其它的熒光染料中。研究人員通過(guò)不同的陰離子配對(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)Cy 和Cy7 成像效果的提升，也對(duì)其體內(nèi)成像效果進(jìn)行了初步的驗(yàn)證。
商業(yè)化熒光染料(Cy7Cl)和新型熒光染料(Cy)可通過(guò)陰離子調(diào)節(jié)細(xì)胞毒性，獲得更高的亮度。(A)商業(yè)化熒光染料(Cy7Cl) 和TPFB、TRIS平衡離子配對(duì)后降低對(duì)A549細(xì)胞的毒性。(B)(C) Cy 和高細(xì)胞毒性的PF6配對(duì)導(dǎo)致熒光亮度降低，和低細(xì)胞毒性的TPFB配對(duì)導(dǎo)致熒光亮度升高。(D)(E)與商業(yè)化熒光染料Cy7Cl相比，和TPFB配對(duì)后明顯提高了熒光亮度。(F)(G) CyPF6可用于小鼠腫瘤的熒光成像。
該研究為熒光染料的細(xì)胞毒性和光毒性在細(xì)胞水平的調(diào)控提供了一個(gè)平臺(tái)，不僅可以應(yīng)用于光動(dòng)力療法和近紅外(NIR)成像技術(shù)，也可應(yīng)用于新發(fā)現(xiàn)的和現(xiàn)有的熒光物質(zhì)，包括組裝熒光探針、熒光粉、納米晶體、以及其它的雜化納米粒子。
綠色熒光蛋白照亮了生命科學(xué)研究，在綠色熒光蛋白研究方面做出突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家也獲得了2008年諾貝爾獎(jiǎng)化學(xué)獎(jiǎng)，該研究照亮了癌癥光動(dòng)力學(xué)療法之路，期待其在臨床中實(shí)現(xiàn)更快的轉(zhuǎn)化。
參考文獻(xiàn)：
Modulating cellular cytotoxicity and phototoxicity of fluorescent organic salts through counterion pairing. Scientific Reports (2019). DOI: 10.1038/s41598-019-51593-z
https://medicalxpress.com/news/2019-10-solar-technology-cancer-cells.html
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