【纳米】聚合增强双光子光敏效应实现精准光动力肿瘤治疗

来源：X一MOL资讯

光动力治疗是一种利用特定波长的光激发光敏剂产生具有细胞毒性的活性氧物质以实现治疗的方法。由于其非侵入性和高选择性的特点，光动力治疗已经在各种肿瘤、皮肤疾病和细菌感染等疾病的治疗方面展现出巨大的优势和应用前景。对光具有强烈吸收，并且具有高效活性氧产生能力的光敏剂在光动力治疗中扮演着重要的角色。目前，经过批准可临床应用的光敏剂主要是卟啉及其衍生物，其激发波长主要分布在可见光波段。为了实现对深层组织中的肿瘤进行光动力治疗，需要利用在组织中穿透能力强的近红外光来激发光敏剂。双光子光动力就是一种利用近红外光来激发光敏剂产生活性氧的方法。它的优势一方面将激发光波长从可见光红移到了近红外，为深层组织的肿瘤治疗提供了可能。另一方面，基于光敏剂的非线性双光子吸收的固有属性，双光子激发可以对分布在肿瘤组织中的光敏剂在三维层面上进行精准激活，实现高效可控的精准光动力治疗。

活性氧产生效率和双光子吸收截面是决定双光子光敏效应的两个主要因素。卟啉及其衍生物具有较高的活性氧产生效率，通过分子设计增强π共轭可提高双光子吸收截面。但是较差的水溶性使得这些光敏剂容易在水溶液环境中发生聚集，而分子聚集诱发的淬灭效应会进一步减弱光敏剂的荧光发射和活性氧产生能力。为了克服这个问题，具有聚集诱导发光（aggregation-induced emission，AIE）效应的光敏剂近年来吸引了广泛的研究和关注。新加坡国立大学刘斌教授课题组设计开发了一系列AIE光敏剂，并且首次报道了双光子激发AIE光敏剂实现光动力治疗。通过分子HUMO和LUMO分离降低分子最低单重态（S1）至最低三重态（T1）之间的能级差以提高系间窜越可以增强AIE光敏剂的光敏化效应。但是这样导致分子共轭受限，不利于提高分子的双光子吸收能力。事实上，很多基于卟啉的光敏剂也都面临这样的问题，双光子吸收和活性氧产生效率是相互矛盾的。因此，在一个分子内同时提高双光子吸收能力和活性氧产生效率是非常具有挑战性的。

近日，刘斌教授课题组在美国化学会旗舰期刊ACS Nano 上报道了利用聚合同时增强AIE光敏剂双光子吸收能力和活性氧产生效率实现高效精准的活体肿瘤光动力治疗。在小分子AIE光敏剂TPEDC的基础上，通过聚合合成聚合物光敏剂PTPEDC1和PTPEDC2（图1a）。这两种聚合物分子都表现出AIE特性，利用两亲性分子DSPE-PEG将他们包覆制备出具有优异的水溶液分散性的纳米颗粒AIE dots（图1b）。在单光子激发下，相比于小分子TPEDC，PTPEDC1和PTPEDC2 dots都表现出增强的活性氧产生能力，其中PTPEDC2 dots的活性氧产生效率是TPEDC dots的5.48倍，是目前广泛使用的光敏剂之一的Chlorin e6的6.37倍。同时，PTPEDC2 dots的双光子吸收截面（7.36 × 105 GM）是TPEDC dots（1.13 × 105 GM）的6.51倍。TD-DFT理论模拟结果表明，相比于小分子，聚合物光敏剂的激发态的能级差更加致密，有利于发生系间窜越从而提高活性氧产生效率。聚合也进一步改善了分子共轭，提高了双光子吸收截面。这些结果都证明了通过聚合可以同时实现活性氧产生效率的提高和双光子吸收能力的增强。

图1. (a) 小分子光敏剂TPEDC和聚合物光敏剂PTPEDC1和PTPEDC2的分子结构。(b) AIE-TAT dots 制备示意图。(c) AIE dots的吸收和荧光光谱。(d) AIE dots 光敏效率评价。(e) AIE dots的双光子吸收光谱。

在这篇报道中，研究者们首次提出了在双光子激发下评价分散在水溶液中的AIE dots的活性氧产生能力的方法（图2）。在双光子激发下，活性氧指示剂DCFDA发射出明亮的绿色荧光，证明了高效的活性氧产生。这种方法操作简单、可靠性高，可以推广到评价和比较不同光敏剂的双光子光敏效应，避免了以往在细胞层面评价带来的复杂性和误差。图3展示了三种AIE 光敏剂在细胞内双光子激发下产生活性氧的比较。在同样的激光辐照下，PTPEDC2表现出快速高效的活性氧产生能力，这得益于其大的双光子吸收截面和活性氧产生效率。在癌细胞的杀灭应用上也表现出优异的光动力治疗效果（图4）。将PTPEDC2 dots注射入斑马鱼体内，通过血液循环颗粒可以在肝脏肿瘤中聚集（图5b）。经过双光子激光辐照之后，肿瘤体积出现了明显的缩小，证明了高效的双光子光动力治疗。

图2. 分散在水溶液中的PTPEDC2 dots在双光子激发下的活性氧产生效率评价。图中红色为PTPEDC2 dots的双光子荧光，绿色为活性氧指示剂DCFDA的双光子荧光。

图3. 细胞内AIE-TAT dots在双光子激发下的活性氧产生效率评价。图中白色虚线框为激光辐照区域。图中红色为AIE dots的双光子荧光，绿色为活性氧指示剂DCFDA的双光子荧光。

图4. 双光子激发PTPEDC2-TAT dots产生活性氧杀灭癌细胞。图中绿色为活细胞，红色为死亡细胞。

图5. 双光子激发PTPEDC2 dots产生活性氧实现斑马鱼肝肿瘤治疗。(a) 实验示意图。(b) PTPEDC2 dots在斑马鱼肝肿瘤中的分布。红色为PTPEDC2 dots的双光子荧光，绿色为斑马鱼肝肿瘤的绿色荧光蛋白的双光子荧光。(c-e) 双光子光动力治疗前后肿瘤体积大小变化。

论文原文近期在线发表在ACS Nano上，论文第一作者为王少伟博士和武文博博士，通讯作者为刘斌教授。

导师介绍

刘斌，新加坡国立大学教授，化学与生物分子工程系系主任，新加坡工程院院士，亚太材料科学院院士，英国皇家化学会会士。同时也是ACS Materials Letters, Advanced Materials and Advanced Functional Materials 等多个杂志的副主编及编委。致力于共轭聚合物发光材料、聚集诱导发光材料等在生物医学及能源中的应用研究，其成果多次发表在国际一流期刊，h-因子为82 （Google Scholar），连续多年荣获科睿唯安“高被引科学家”称号。其多项研究成果实现产业化并创立了LuminiCell公司。