黄维院士、赵强教授：提出一种全新的单线态氧释放策略，可实现乏氧肿瘤的光动力治疗

来源：高分子科学前沿

2019年5月15日，黄维院士和赵强教授课题组报道了一种新型的聚合物单线态氧载体，实现了乏氧肿瘤内单线态氧的高效、可控释放，成功抑制了肿瘤的生长。

该工作以“De Novo Design of Polymeric Carrier to Photothermally Release Singlet Oxygen for Hypoxic Tumor Treatment”为题发表在Research上（Research, 2019, 9269081, DOI: 10.34133/2019/9269081）

研究背景

光动力治疗（Photodynamic therapy，PDT）因具有较小的侵入性和较高的空间与时间精确度等特点，已经成为了一种新兴的癌症治疗手段。光动力治疗通过光敏剂被特定波长的光敏化后在病灶组织内产生具有细胞毒性的活性氧物种，从而达到治疗目的。光动力治疗已被应用于年龄相关性黄斑变性、病毒感染、动脉粥样硬化和皮肤癌等疾病，并在深层实体肿瘤的治疗中展现出巨大潜力。然而，实体肿瘤具有异常的血管分布和代谢，使其内部处于乏氧环境，限制了单线态氧的产生。并且，光动力治疗过程中会消耗氧气，使肿瘤的乏氧程度增加，导致临床上PDT对肿瘤的治疗效果受到限制。

研究进展

黄维院士和赵强教授课题组设计、合成了一种新型的聚合物单线态氧载体（P1），如图1所示。该聚合物由1,4-二甲基萘衍生物（DMN）、氮杂氟化硼二吡咯化物（B1）和水溶性的聚乙二醇（PEG）构成。其中，DMN能与单线态氧反应生成内过氧化物且在受热时释放出单线态氧，B1由于其较大的摩尔消光系数和较强的近红外吸收、发射，使其不仅能作为光热试剂，还是一种良好的近红外成像试剂，可有效增强组织穿透深度。同时，PEG的引入提高了聚合物载体的水溶性，也增强了对肿瘤组织的靶向性。

图1 聚合物载体捕获和释放单线态氧机理

首先，作者研究了该聚合物载体的光物理性质、光热性能和单线态氧捕获及释放性能，如图2所示。从吸收光谱上可以看出P1在243 nm和689 nm的吸收分别与DMN和B1单体吻合。当负载了单线态氧后，P1-SO在243 nm的吸收较P1明显较弱，这是由于单线态氧的捕获打破了DMN的共轭结构，导致243 nm处的吸收急剧下降。P1和P1-SO的最大发射峰均在730 nm处，与B1单体的发射峰吻合。P1可捕获单线态氧形成内过氧化物P1-SO，并在乏氧环境中，通过光照快速释放单线态氧。

图2 （a）-（c）B1和聚合物载体的紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱；（d）P1的单线态氧捕获性能；在乏氧环境中，不同温度（e）和光照后（f）P1-SO的单线态氧释放性能

接着，作者研究了P1-SO在癌细胞中的光动力治疗效果，如图3所示。发现在光照后，P1-SO可以在乏氧的癌细胞中释放大量的单线态氧，具有较强的光毒性，并对乏氧癌细胞有很好的光动力治疗效果。

图3 （a）P1和P1-SO在光照后ROS产生；（b）孵育过P1和P1-SO的Hela细胞凋亡成像；P1和P1-SO（c和d）的细胞暗毒性和光毒性；孵育P1和P1-SO（e和f）后Hela细胞在光照后的流式细胞术结果

最后，作者将P1-SO应用于小鼠活体肿瘤治疗中，证明了富集在肿瘤部位的P1-SO在光照后能快速大量的释放出单线态氧，并进一步实现了活体乏氧肿瘤的光动力治疗，如图4所示。

图4 小鼠的肿瘤相对大小变化（a），小鼠的体重变化（b）以及治疗结束后解剖小鼠获得的肿瘤照片（c）

研究展望

乏氧，一直以来是限制光动力治疗效果的一个重要因素，严重阻碍了光动力治疗的进一步发展和临床应用。目前解决实体肿瘤乏氧的策略均是利用自供氧材料体系，而其实际效果有限。作者设计的多功能集成单线态氧载体在光动力治疗中不需要氧气的参与，为乏氧肿瘤的光动力治疗提供了新的思路，对光动力治疗在临床应用上的发展具有重要意义。