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光動力學療法——新型光敏劑精準擊殺癌細胞

  目前,光動力學療法在癌癥的診斷和治療中發揮越來越重要的作用,其關鍵是利用光敏劑的熒光特性。然而,目前應用于臨床和診斷的光敏劑,依然存在熒光亮度低、對細胞的毒性高、組織滲透性差等問題。

  近日,密歇根州立大學的研究人員發現通過采用不同的陰離子與熒光染料配對,可靈活調節光敏劑的細胞毒性和光毒性,不僅可以在診斷中降低細胞毒性,提高熒光亮度,還可以在癌癥治療中提高光毒性,更有效的殺傷癌細胞,同時降低副作用。

  光動力學療法(photodynamic therapy,PDT)是1970年左右出現的腫瘤治療方法,它通過腫瘤組織對光敏劑的選擇性吸收和潴留,然后用合適波長和劑量的光來激發光敏劑產生細胞毒性物質來殺傷腫瘤細胞,從而達到治療目的。隨著各種新型光敏劑、激光器的研究成功,光動力學療法的技術也愈發成熟。

  PDT療法有三大因素:光敏劑、可見光、氧氣,其中光敏劑為核心因素。目前光敏劑的發展已經經歷三代。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),它是光敏劑內源性卟啉Ⅸ(protopor-phyrinⅨ,PPⅨ)的前體,可進入靶細胞的線粒體內,在機體血紅素合成的過程中代謝成為PPⅨ從而發揮光敏劑的作用。第三代光敏劑,則是第二代的光敏劑偶聯上不同的靶向分子如單克隆抗體,以提高其靶向性,降低PDT治療過程中的不良反應。

  然而,對于目前用于治療和診斷的光敏劑,依然存在熒光亮度低、對細胞的毒性高、組織滲透性差等問題。

  光敏劑導致的毒性由兩種因素共同決定:1)細胞毒性,即光敏劑在沒有光源激發時對細胞的毒性;2)光毒性,即光敏劑在相應光源激發時對細胞的毒性。由于光敏劑的靶向性,會在腫瘤組織保持較高的濃度。因此,對于腫瘤近紅外(NIR)成像技術,需要降低細胞毒性和光毒性。而對于PDT,則需要增強光毒性以增強對腫瘤細胞的靶向殺傷,同時需要降低細胞毒性以避免對正常組織的毒性。

  該研究是Sophia和Richard Lunt夫婦合作的成果。他們首次證實了陰離子能夠獨立的控制熒光染料的細胞毒性和光毒性。

  Sophia and Richard Lunt

  該研究發現,將發熒光的陽離子如Cy+與不同的陰離子配對,可調節近紅外(NIR)成像技術和光動力學療法(photodynamic therapy, PDT)中光敏劑/熒光染料的細胞毒性。

  左側的陰離子(anion)細胞毒性更強;中間的陰離子具有合適的光毒性,適用于光動力學療法;右側的陰離子細胞毒性低,適用于成像技術。Cy+為商業化熒光染料七甲川菁(heptamethine cyanine) ;下排為陰離子:Iodide、SbF6-、PF6-、CB-、FPhB-等。

  研究人員發現采用較小的陰離子配對時,細胞毒性往往較高,即使在低濃度時依然如此。相反,采用較大的且鹵化的陰離子配對時,即使濃度提高20倍,依然沒有細胞毒性。同時發現了一組適用于PDT的理想配對,不但具有高光毒性,細胞毒性幾乎可以忽略不計。

  不同陰離子配對下Cy+對A549的細胞毒性。(A)Cy+與I、SbF6-、PF6-、CB-配對時細胞毒性高;(B) Cy+與PhB-、CoCB-配對時細胞毒性中等;(C) Cy+與TPFB-、TFM-、TRIS-配對時無細胞毒性。

  低細胞毒性、高光毒性的配對可用于光動力學療法。而在活細胞成像中則需要細胞毒性低的熒光染料,這樣一方面可以保持細胞活性,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。研究人員對不同細胞毒性的配對進行了比較,證明通過陰離子的調節可提高活細胞的體外成像亮度,而且陰離子對細胞毒性的調節并不限于某一特定的熒光陽離子,即這種調節效果可以應用于其它的熒光染料中。研究人員通過不同的陰離子配對實現了對Cy+和Cy7+成像效果的提升,也對其體內成像效果進行了初步的驗證。

  商業化熒光染料(Cy7Cl)和新型熒光染料(Cy)可通過陰離子調節細胞毒性,獲得更高的亮度。(A)商業化熒光染料(Cy7Cl) 和TPFB、TRIS平衡離子配對后降低對A549細胞的毒性。(B)(C) Cy+和高細胞毒性的PF6配對導致熒光亮度降低,和低細胞毒性的TPFB配對導致熒光亮度升高。(D)(E)與商業化熒光染料Cy7Cl相比,和TPFB配對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胞毒性和光毒性在細胞水平的調控提供了一個平臺,不僅可以應用于光動力療法和近紅外(NIR)成像技術,也可應用于新發現的和現有的熒光物質,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研究,在綠色熒光蛋白研究方面做出突出貢獻的科學家也獲得了2008年諾貝爾獎化學獎,該研究照亮了癌癥光動力學療法之路,期待其在臨床中實現更快的轉化。(來源:轉化醫學)

  參考文獻:

  Modulating cellular cytotoxicity and phototoxicity of fluorescent organic salts through counterion pairing. Scientific Reports (2019). DOI: 10.1038/s41598-019-51593-z

  medicalxpress.com/news/2019-10-solar-technology-cancer-cells.html

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光動力學療法

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