德國應化:癌症診療新突破!「酶促解組裝」納米簇光敏劑!

光動力治療（PDT）是一種利用光激發光敏劑產生有毒的活性氧以實現治療的方法，在癌症治療領域展現出巨大潛力。然而，作為光動力治療核心的光敏劑仍存在一些問題。一方面，大多光敏劑螢光、光動力呈現 「Always-On」狀態，從而導致不可避免的副作用並降低成像效果且帶來一定光毒副作用；另一方面，由於光敏劑尺寸要求，無法同時實現有效的腫瘤積累和深層的腫瘤滲透，從而嚴重削弱其光動力治療效果。因此，設計製備智能高效的光敏劑，並對其性能進行精準調控，從而達到最佳診治效果，是當前光動力診療領域的研究熱點和難點。

背景

近日，北京化工大學尹梅貞教授和蘇志強教授與國家納米科學中心陳春英研究員合作報導了一種基於苝單醯亞胺的智能納米簇，並將之應用於可活化，可深層滲透的光動力腫瘤治療，同時提出了酶觸發分子解組裝的多功能級聯控制的診療策略（流程1）。相關結果以「Enzyme-Triggered Disassembly of Perylene Monoimide-based Nanoclusters for Activatable and Deep Photodynamic Therapy」為題發表於國際頂尖期刊Angew. Chem. Int. Ed.。

作者設計合成了一種近紅外四氯苝單醯亞胺分子P1作為羧酸酯酶（CE）響應的前驅體，並將其與葉酸修飾的白蛋白共組裝成納米簇光敏劑（FHP）；一旦P1被CE水解，FHP將由~100 nm的納米簇轉變為~10 nm的超小納米粒子，使FHP可兼顧有效的腫瘤富集和深層滲透；同時，酶觸發解組裝過程還使FHP螢光發射增強~8倍，光動力性能提升~4倍，實現了近紅外螢光成像引導的光動力治療，顯著抑制了腫瘤生長。

流程1. FHP的製備，酶觸發解組裝，腫瘤滲透及活化的光動力診療示意圖。

結果與討論

作者首先研究了FHP對CE 的光活性和納米尺寸的響應性。酶觸發解組裝過程還使FHP螢光發射增強~8倍（圖1d），CE處理的FHP的螢光量子產率為8％，是FHP的1％值的八倍。。然後用1O 2指示劑在雷射照射（660 nm）下定量測量FHP的1O 2生成能力，結果表明，酶觸發解組裝過程使FHP光動力性能提升~4倍（圖1E）。此外，在CE處理過的FHP的TEM圖像中觀察到超小納米顆粒（約10 nm）（圖1f），表明當P1水解時，納米簇會部分分解。

圖1. (A) FHP納米結構；CE作用前後FHP（B）螢光增強，(C) 光動力性能提升，（D）尺寸縮減；（E）實時近紅外螢光活體成像；（F）光動力腫瘤治療

接著，作者利用CE陽性肝癌細胞（Bel-7404，HepG2）和CE陰性細胞（293T）評估了FHP在體外對CE 的反應。HP3處理的HepG2細胞沒有顯著螢光增加（圖2A）,BNPP可抑制FHP的細胞螢光反應，進一步證實了FHP在癌細胞中的CE響應螢光性能。在癌症和正常細胞中，FHP在黑暗中的毒性都可以忽略不計。一旦CE陽性癌細胞與BNPP預處理，PDT效率降低（圖2B）。然而，經BNPP處理後，正常細胞對FHP的低PDT效率並未改變(圖2B)。這一差異證實了在癌細胞中，FHP的PDT被CE特異性激活。了確認FHP的腫瘤滲透性，將Bel-7404細胞衍生的多細胞腫瘤球體用於體外研究。靜脈注射後2小時，FHP/ HP可以遠離腫瘤血管被檢測到，而HP3和HP6主要在血管周圍聚集（圖2 D）。這些結果表明，FHP的酶促反應尺寸減小可提供優異的腫瘤滲透性。

圖2. A）與HP或HP3（5μgmL -1）孵育1 h,HepG2細胞的螢光圖像。B）FHP對HepG2細胞（CE +）和293T細胞（CE- ）的PDT效應。C）正交截面圖測量FHP和HP3在多細胞球體中的滲透深度。D）注射FHP後小鼠腫瘤切片的免疫螢光圖像。

最後，作者在荷瘤小鼠中評估了FHP的體內光熱學。靜脈注射FHP和控制劑後，通過IVIS系統捕獲並定量實時NIRF成像照片（圖3A ）。腫瘤區域所有組的螢光信號迅速增加，並在注射後約2-4 h達到最大值（圖3 B）。該FHP組比HP組顯示出更高的腫瘤蓄積性，證明了葉酸綴合的納米顆粒的選擇性腫瘤靶向能力。根據NIRF成像結果的指導，PDT在注射後4 h進行（圖3C）,通過比較雷射照射後的腫瘤大小來評估抗腫瘤功效。如圖3 D所示，雷射照射後，經FHP處理的小鼠表現出最高的抗腫瘤功效（97.7％）,且CE響應PDT的增強至關重要。

此外，當用HP2或游離的P1進行治療時，腫瘤的生長只會適度減慢，證明了尺寸可調納米組裝策略的關鍵作用。作者進行了腫瘤的組織病理學和免疫螢光分析以進一步評估治療效果。在FHP組(+雷射)中，腫瘤細胞大部分凋亡，說明FHP的PDT結果良好(圖3G)。FHP具有生物安全性。這些結果證實了極好的NIRF成像引導、可激活和深度PDT, FHP的全身毒性可以忽略不計(圖3E)。這些結果證實了出色的NIRF成像引導，可激活和深層PDT， FH顯著抑制了腫瘤生長。

圖3. A）靜脈注射FHP，HP和HP3後，通過螢光成像對荷瘤小鼠進行實時體內監測。B）根據（A）的腫瘤的定量螢光強度曲線。C）體內抗腫瘤治療的PDT時間表。D）用各種藥物處理的H22荷瘤小鼠的腫瘤生長和E）體重曲線。F）在第14天從不同治療組收穫的腫瘤的圖像。G）每組中的腫瘤切片的代表性H＆E染色和TUNEL測定圖像。

結論

作者開發了一種新型的基於PMI的納米簇（FHP），該簇可以同時激活NIRF，光動力作用和通過特定的羧酸酯酶誘導的分解而穿透腫瘤。在腫瘤部位水解後，FHP分解成超小納米顆粒（約10 nm），加深腫瘤穿透。此外，這種酶觸發的FHP分解可產生約8倍的螢光和約4倍的光動力效應，從而提高診斷準確性和治療效果。重要的是，在單劑量靜脈內注射和照射後，FHP在體內實現了顯著的腫瘤抑制（97.7％），且副作用極小。這是第一種用作體內NIRF成像引導的PDT的可活化的亞芳基醯亞胺衍生物光敏劑。這項工作為解決當前光動力治療問題提供了新思路，也為未來癌症診療中研發刺激響應型納米藥物提供了新途徑。

參考文獻：https://doi.org/10.1002/anie.202001107

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