大多數(shù)光動力療法(PDT)都是通過高度依賴于O2的II型光反應生成單線態(tài)氧(1O2)。實體**缺氧微環(huán)境嚴重影響治療效果，本文提出了一種新的設計，將傳統(tǒng)的酞菁基光敏劑的光物理和光化學性質(zhì)從II型光反應轉(zhuǎn)移到高效的I型光反應和振動松弛誘導光熱轉(zhuǎn)換，在常氧和低氧條件下都能顯示良好的光療效果。此外，NanoPcAF在靜脈注射后在**組織中有高水平的積累，在臨床前模型中，0.8 nmol.g?1 NanoPcAF和300 J.cm?2光劑量時，94%的**生長被抑制。

光動力療法(PDT)由于其低全身毒性和最小的侵襲性，已成為一種有前景的癌癥治療方式。大多數(shù)現(xiàn)有的PDT過程是基于II型光反應，這高度依賴于O2水平，涉及大量消耗O2。在實體**的不利微環(huán)境中，普遍的特征是嚴重的O2短缺。PDT介導的O2消耗和微血管破壞進一步加劇**缺氧，最終導致不滿意的治療結(jié)果。目前大多數(shù)PDT藥物對**細胞和組織的靶向選擇性較低，這些缺點也導致PDT尚未達到理想的效果。為了解決這個問題，文獻采用納米系統(tǒng)提供PDT試劑、O2或者催化劑，可以催化H2O2在原位生成O2 ，這些納米體系通過增強EPR效應一定程度上提高PDT試劑的**選擇性。然而，O2載體較差的載氧能力和**組織中較低的H2O2水平只能暫時和有限的缺氧緩解。此外，這些納米系統(tǒng)通常需要復雜的構(gòu)建模塊和多步驟制備，從而阻礙其臨床轉(zhuǎn)化。因此，開發(fā)單組分而且不具有不依賴于O2的光治療效果的納米結(jié)構(gòu)光敏劑。
本文設計并合成了多功能硅(IV)酞菁衍生物PcAF，PcAF在水溶液中通過自發(fā)組裝形成均勻穩(wěn)定的納米球(NanoPcAF)。與傳統(tǒng)酞菁高度依賴于O2的II型光反應不同，NanoPcAF表現(xiàn)出高效的I型光反應，產(chǎn)生豐富的超氧自由基(O2??)和顯著的振動松弛，從而誘導相對較高的光熱轉(zhuǎn)換效率。在低氧條件下，NanoPcAF產(chǎn)生的O2??是亞甲基藍(MB)的3.4倍。NanoPcAF的光熱轉(zhuǎn)換效率比吲哚菁綠(ICG)高2.4倍。系統(tǒng)給藥后，NanoPcAF顯示了極好的**聚集，**/肝臟比率高達5。在臨床前模型中，光治療過程中和之后沒有觀察到明顯的毒性。

圖1。 (a) PcAF的化學結(jié)構(gòu)及其自組裝形成NanoPcAF。(b) NanoPcAF的特性包括(I) I型PDT抗缺氧; (II)光熱平均效能; (III)多通道成像; (IV)**聚集增強。

硅(IV)酞菁由于其在光治療窗口(650 ~ 850 nm)的強吸收、高活性氧(ROS)量子產(chǎn)率以及通過軸向化學修飾可調(diào)諧的光化學性質(zhì)等優(yōu)點，已被廣泛探索作為PDT的第二代PSs。到目前為止，兩種硅(IV)酞菁(Pc4和RM-1929)目前正在臨床試驗中。然而，大多數(shù)現(xiàn)有的硅(IV)酞菁主要通過II型機制產(chǎn)生單重態(tài)氧(1O2)，高度依賴于O2水平，導致這種PDT對缺氧**的治療效果有限。最近，Peng的團隊報道了尼羅藍衍生物在光照射下通過I型機制產(chǎn)生O2??。受Peng工作的啟發(fā)，我們引入與尼羅藍結(jié)構(gòu)類似的吩噻嗪結(jié)構(gòu)(圖2a)，以調(diào)節(jié)硅(IV)酞菁的光物理和光化學性質(zhì)。該結(jié)構(gòu)具有良好的生物相容性，帶羥基的側(cè)鏈有助于共價偶聯(lián)。因此，我們設計兩種具有一個或兩個吩噻嗪的多功能硅(IV)酞菁衍生物。PcAF可以在水溶液中自組裝形成均勻的納米顆粒分布(NanoPcAF)， NanoPcAF的平均尺寸約為150 nm。透射電鏡(TEM)結(jié)果顯示NanoPcAF呈規(guī)則的球形，直徑約為130 nm (圖2c)。NanoPcAF在純水和含10%胎牛血清(FBS)的水中放置1周以上，其平均尺寸、電子吸收光譜和熒光發(fā)射光譜均無明顯差異。這些結(jié)果表明NanoPcAF具有良好的分散穩(wěn)定性，這將有利于其在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應用。

為了更好地理解PcAF的自組裝行為和組裝機理，我們采用不含吩噻嗪的硅(IV)酞菁衍生物(PcA)和含兩個吩噻嗪的硅(IV)酞菁(PcBF)研究它們的聚集現(xiàn)象。PcA在水溶液中自組裝形成100 nm均勻的納米顆粒分布(NanoPcA)。相對于NanoPcA的良好穩(wěn)定性，PcA在時效超過1 h后出現(xiàn)了嚴重的聚集現(xiàn)象，尺寸約為1200 nm。1 d后PcA形成了團聚和沉淀。吩噻嗪基團在硅(IV)酞菁的自組裝形成均勻穩(wěn)定的納米粒子中起著關(guān)鍵作用。PcBF在水溶液中自組裝形成均勻的納米顆粒分布(NanoPcBF)。此外，NanoPcBF在水中和含10%胎牛血清的水中表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。與NanoPcAF相比，NanoPcBF在水中表現(xiàn)出類似的吸收，但更強的熒光強度。這些結(jié)果再次表明，吩噻嗪基團的引入有利于硅(IV)酞菁的自組裝，形成穩(wěn)定的納米顆粒。在酞菁硅(IV)上引入兩個吩噻嗪基團可能使NanoPcBF的內(nèi)部分子排列不夠緊密，因為PcBF的自組裝行為可能只是由于疏水性和π?π堆積。然而，除了PcAF分子之間的疏水相互作用和π?π堆積外，PcAF酚羥基之間的氫鍵相互作用也可能促進PcAF的自組裝行為。因此，NanoPcBF比NanoPcAF具有更強的熒光發(fā)射，不利于光動力和光熱效應的改善。

圖2。(a) PcAF的合成路線及其自組裝形成NanoPcAF的示意圖。(b) DLS檢測NanoPcAF在水中的粒徑分布。(c) NanoPcAF的形貌。(d) NanoPcAF在水中時效不同時間后的平均粒徑。(e) NanoPcAF和NanoPcBF (均為5 μM)在水中的吸收和熒光光譜(f)。
一般情況下，PS吸收的光子可以通過三種不同的方式釋放，包括熒光、振動弛豫產(chǎn)生熱量和進行系統(tǒng)間交叉(ISC)，生成有利于ROS生成的三重態(tài)。NanoPcAF在水中的熒光較弱，表明NanoPcAF在光熱治療(PTT)和光動力治療(PDT)中具有巨大的潛力。為了確認NanoPcAF的光動力學特性，在后續(xù)實驗中測量了NanoPcAF的O2??和1O2生成效率。二氫乙啶(DHE)作為熒光探針檢測O2??。NanoPcAF在光照射下生成O2??的能力是NanoPcA的3.2倍。與MB相比，NanoPcAF也表現(xiàn)出更好的生成O2??的能力。在低氧條件下，測量了NanoPcAF生成O2??的能力。在NanoPcAF組中，DHE探針在缺氧條件下的熒光強度與正常條件下相比沒有顯著降低。這說明納米NanoPcAF在光照射下生成O2??與O2水平無關(guān)。在缺氧條件下，NanoPcAF產(chǎn)生的O2??比MB多3.4倍。我們還探索了NanoPcBF生成O2??的能力。與NanoPcAF相比，NanoPcBF表現(xiàn)出較弱的O2??生成，這可能是因為NanoPcBF吸收的光能以熒光的形式釋放更多。與NanoPcBF相比，NanoPcAF具有更高的低氧**PDT潛力。隨后，采用單氧傳感器綠色(SOSG)作為熒光探針檢測1O2。MB在光照射下產(chǎn)生了顯著的1O2。而NanoPcAF組中SOSG的熒光強度在光照射后幾乎沒有增加，說明NanoPcAF產(chǎn)生1O2的能力可以忽略不計。這些結(jié)果表明NanoPcAF具有良好的I型光反應，吩噻嗪基團在其中起著關(guān)鍵作用。
圖3。(a)NanoPcAF產(chǎn)生O2??和熱的可能機理示意圖。(b)以DHE為熒光探針，在光照射下在水中O2??生成NanoPcA、NanoPcAF和MB。用水作為對照。(c)在正常和缺氧條件下，光照射在水中生成NanoPcA、NanoPcAF和MB。(d) NanoPcAF和(e) NanoPcBF在光輻照水中的O2??生成。(f)以SOSG為熒光探針，在光照射下水中NanoPcA、NanoPcAF和MB的1O2生成。

以水和ICG作為對照，研究了NanoPcAF的光熱性能。NanoPcAF在水中的溫度迅速升高，在光照射10 min后升高約30℃，而對照組的溫度變化不明顯。通過改變NanoPcAF的濃度和685 nm激光的能量密度來測量其在水中的光熱效應。功率密度越大，溫度升高越高。當激光功率密度保持在0.5 W cm?2時，還觀察到顯著的濃度依賴性溫度升高。當NanoPcAF濃度為10 μM時，NanoPcAF在水中的溫度達到57℃。NanoPcAF的光熱轉(zhuǎn)換效率達到18.3%，。此外，經(jīng)過4次加熱/冷卻循環(huán)后，NanoPcAF沒有觀察到明顯的光漂白。NanoPcAF的紫外-可見光譜在輻照10min后沒有明顯下降，而ICG在相同輻照時間內(nèi)明顯下降。這些結(jié)果表明NanoPcAF在PTT過程中保持了良好的光穩(wěn)定性。NanoPcAF可以將傳統(tǒng)硅(IV)酞菁的光物理和光化學性質(zhì)從II型光反應轉(zhuǎn)移到高效的I型光反應和振動松弛誘導光熱轉(zhuǎn)換。
圖4。 (a)NanoPcAF和ICG(均為10 μM)在685和808 nm激光照射10 min下的隨時間變化的溫度。(b)不同功率密度(0,0.5，和1.0 W/cm2)的685 nm激光輻照NanoPcAF溶液10 min的溫度升高。(d)NanoPcAF (10 μM)水懸浮液在激光多次曝光下的光穩(wěn)定性測試。(e)NanoPcAF在685 nm激光照射10 min前后的吸收光譜;插圖顯示了NanoPcAF水懸浮液在光照前(左)和光照后(右)的照片。(f) 808 nm激光(0.5 W/cm2)照射10 min前后ICG的吸收光譜;插圖顯示ICG溶液在光照射前(左)和照射后(右)的照片。

首先評估了在常氧和缺氧條件下，NanoPcAF在人肝癌(HepG2)細胞內(nèi)生成O2??的能力。缺氧條件下厭氧指示器(ROS-ID)的熒光強度比正常條件下高6.9倍，說明后續(xù)體外實驗成功構(gòu)建了缺氧條件。隨后，用DHE作為O2??熒光指示劑檢測NanoPcAF細胞內(nèi)O2??生成能力。在沒有光照的情況下，NanoPcAF不能在細胞中產(chǎn)生O2??。在685 nm光照射下，無論在常氧或低氧條件下，細胞都能觀察到明顯的DHE熒光。與常氧條件下相比，低氧條件下DHE熒光強度沒有顯示任何降低，表明NanoPcAF在常氧和低氧環(huán)境下均能誘導體外O2??效率。此外，添加自由基清除劑維生素C (VC)后，細胞內(nèi)O2??降低了4.0倍，證實了NanoPcAF具有較強的生成O2??的能力。我們還使用2,7-二氯熒光素二乙酸酯(DCFH-DA)作為探針，檢測HepG2細胞中NanoPcAF細胞內(nèi)ROS的生成。當細胞與NanoPcAF孵育而沒有光照射時，不產(chǎn)生ROS。然而，在685 nm激光照射后，DCFHDA在常氧和缺氧條件下都顯示出明亮的綠色熒光，說明無論在常氧或缺氧條件下，NanoPcAF都能有效地產(chǎn)生ROS。與常氧狀態(tài)相比，低氧狀態(tài)下細胞內(nèi)ROS并沒有降低，這與O2??檢測結(jié)果一致。采用3-(4,5-二甲基-2-噻唑基)-2,5 -二苯基- 2h -四唑溴化銨(MTT)比色法評價NanoPcAF的體外光治療效果。NanoPcAF在黑暗環(huán)境下未觀察到明顯的毒性。而在685 nm光照，NanoPcAF在常氧和低氧條件下均表現(xiàn)出顯著的濃度依賴性細胞毒性，90%的抑制濃度(IC90)分別為0.45±0.08 μM和0.42±0.10 μM。這些結(jié)果表明，O2濃度對NanoPcAF的細胞毒性沒有影響。為了進一步證實NanoPcAF的體外光療機制，一方面用VC處理細胞清除自由基。與NanoPcAF +光組相比，NanoPcAF + VC +光組的治療效果明顯下降，這應該是PDT受到抑制的結(jié)果。另一方面，冰袋被用來控制細胞的溫度。與NanoPcAF +光組相比，NanoPcAF +冰+光組的細胞抑制作用也降低。NanoPcAF +冰+光組的IC50達到3.69±0.12 μM，是NanoPcAF +光組的8.2倍。這些結(jié)果表明PTT在光細胞毒性中也起重要作用?；?死細胞染色實驗結(jié)果也表明PTT和PDT在NanoPcAF誘導細胞死亡的光細胞毒性中發(fā)揮了重要作用。NanoPcAF由于其優(yōu)越的I型PDT和PTT能力，在常氧和缺氧條件下均具有較高的體外光治療效果。這些結(jié)果進一步表明，NanoPcAF在光動力治療中表現(xiàn)出高的I型光反應和光熱作用協(xié)同效率來克服缺氧條件。
圖5。 (a)使用ROS-ID作為厭氧指標進行細胞內(nèi)缺氧成像，并量化相應的細胞內(nèi)平均熒光強度。(b)共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)圖像(i)控制(無光)，(ii)常氧，(iii)缺氧，(iv)維生素C (VC)條件下常氧，在685 nm光下，使用DHE作為熒光探針10分鐘，檢測HepG2細胞中的NanoPcAF。(c)在(i)對照(無光)、(ii)常氧、(iii)低氧、(iv) VC存在下，以DHE作為熒光探針，在685 nm光照射10分鐘下，定量HepG2細胞中相應的胞內(nèi)O2??生成NanoPcAF。(d)以DCFH-DA作為熒光探針，在685 nm光照射下，(i)對照(無光)、(ii)常氧、(iii)缺氧條件下，細胞內(nèi)ROS生成的CLSM圖像和相應的細胞內(nèi)ROS生成的定量。(e)在常氧或缺氧條件下，NanoPcAF對HepG2細胞的細胞毒性作用。(f)NanoPcAF對HepG2細胞的PDT(冰+光)和PTT (VC +光)效應。(g)熒光顯微鏡檢測Calcein-AM/PI共染(標尺= 250 μm)。將細胞分為4組(i)對照(無光)、(ii) NanoPcAF + VC + 685 nm光、(iii) NanoPcAF +冰+ 685 nm光、(iv) NanoPcAF + 685 nm光。綠色通道為Calcein-AM染色，紅色通道為PI染色。

以肝癌(H22)小鼠為實驗對象，靜脈注射NanoPcAF，觀察NanoPcAF的生物分布。選擇H22是因為它相對容易建立**模型。利用熒光成像技術(shù)評價NanoPcAF在體內(nèi)的生物分布。熒光圖像連續(xù)監(jiān)測至24 h，發(fā)現(xiàn)**部位的熒光信號逐漸增加，在10 h時達到最大值。雖然NanoPcAF在水中的熒光非常弱，熒光成像結(jié)果顯示，注射NanoPcAF 10 h后，熒光信號清晰，且?guī)缀踔怀霈F(xiàn)在**部位，這可能是由于NanoPcAF具有顯著的**聚集能力，并在**部位恢復了熒光生成。老鼠犧牲24小時接受和**的熒光強度和其它主要器官包括皮膚、心、肝、脾、肺、腎進行評估。**部位的熒光信號遠高于其他器官。**的熒光強度是肝臟的5.1倍。這個**/肝臟的比值比大多數(shù)報道的PSs要高得多，表明NanoPcAF具有出色的**靶向能力。為了研究NanoPcAF在體內(nèi)的穩(wěn)定性，還利用體內(nèi)熒光成像技術(shù)評價了NanoPcAF在含10%胎牛血清的水中的生物分布。如圖6a所示，熒光成像結(jié)果與在純水中注射NanoPcAF的小鼠相似。此外，由于CEL是一種常見的表面活性劑，可以破壞PSs的自組裝，因此在注射小鼠之前，我們使用cremoophor EL (CEL)破壞NanoPcAF的結(jié)構(gòu)。在含1% CEL (v/v)的水中，PcAF在吸收光譜中呈現(xiàn)強烈吸收，在610 nm激發(fā)下發(fā)出強烈的熒光，說明NanoPcAF的納米結(jié)構(gòu)被CEL破壞。將含1% CEL的NanoPcAF注入荷瘤小鼠體內(nèi)，熒光信號迅速擴散至全身，然后逐漸減弱，無明顯**積聚。體外熒光分布也顯示，熒光信號主要存在于肝臟。這些結(jié)果表明，NanoPcAF在生理環(huán)境中具有良好的穩(wěn)定性，而未斷裂的納米結(jié)構(gòu)在**選擇性中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其次，利用光熱成像監(jiān)測NanoPcAF在體內(nèi)的**積累。H22**小鼠靜脈注射NanoPcAF。使用685 nm激光(0.5 W cm?2)每隔一小時照射**部位3分鐘。在照射過程中，通過紅外熱像儀持續(xù)評估**部位的溫度。熱成像持續(xù)監(jiān)測至24小時。注射NanoPcAF 10小時后，**部位溫度明顯升高，約升高28°C。光熱成像觀察到的**富集時間與上述熒光成像結(jié)果一致。
圖6。(a)體內(nèi)和(b) H22荷瘤小鼠靜脈注射NanoPcAF前后的體內(nèi)和體外熒光圖像。(c)在200 μM的不同溶液(純凈水、含10%胎牛血清的水或含1% CEL的水)中靜脈注射NanoPcAF后，對H22荷瘤小鼠不同器官和**組織的熒光強度進行定量分析。(d)在685 nm光照下靜脈注射NanoPcAF后H22荷瘤小鼠的體內(nèi)實時光熱成像和(e)溫度變化。

由于NanoPcAF具有良好的**聚集能力，我們進一步對H22荷瘤小鼠進行了體內(nèi)光治療。小鼠分為6組：(1)對待PBS(控制),(2)關(guān)照1(激光波長685 nm),(3)光照2(激光波長685 nm),(4) NanoPcAF,(5) NanoPcAF + light 1, 和(6) NanoPcAF + light 2，NanoPcAF聯(lián)合光2照射小鼠后，溫度升高約30°C。僅用光2處理的小鼠和先用NanoPcAF再用光1處理的小鼠的溫度都有輕微變化。然后，每隔一天對各組小鼠的體重和**體積進行評估。各組小鼠體重無明顯差異，并在治療過程中保持穩(wěn)定增長。小鼠**體積在不同組之間顯示出顯著的變化。所有對照組(包括PBS、light 1、light 2和NanoPcAF單獨)均顯示出顯著水平的**生長，而NanoPcAF + light 1組和NanoPcAF + light 2組的**生長均受到明顯抑制。14天之后,**治療的老鼠1 NanoPcAF其次是光輻照表現(xiàn)出抑制增長64%,這應該來自PDT的影響是引起**部位的溫度顯示一個微不足道的增加后,老鼠接受NanoPcAF光1緊隨其后。與NanoPcAF + light 1組相比，NanoPcAF + light 2組的**抑制效果顯著提高(94%)，這應該得益于PDT和PTT的聯(lián)合作用。因此，這些結(jié)果表明，NanoPcAF通過PTT與I型PDT聯(lián)合具有高效的抗**能力。代表性圖像和**平均重量進一步證實了NanoPcAF在光照射下具有顯著的抗**效果。
圖7。 (a)含H22**小鼠的紅外熱成像。(b)治療后小鼠H22**溫度變化曲線。光:685 nm激光。(c)小鼠在相應處理下的平均體重變化。(d) H22荷瘤小鼠經(jīng)各種治療后的**生長曲線。(e)具有代表性的**圖像和(f)適應癥治療14天后的平均**重量。

本文開發(fā)了一種新型的納米結(jié)構(gòu)NanoPcAF，基于硅(IV)酞菁與奮寧軸向單取代的自組裝。NanoPcAF與傳統(tǒng)PSs不同，后者通過II型機制作為PDT生成1O2。NanoPcAF通過I型機制產(chǎn)生了豐富的O2??，并具有良好的光熱性能，使其能夠克服PDT中的**缺氧。熒光成像和光熱成像結(jié)果表明NanoPcAF在靜脈注射后有明顯的**聚集。因此，NanoPcAF具有很好的I型光反應和光熱作用協(xié)同抑制**生長的作用。結(jié)果表明，NanoPcAF在臨床上是一種很有前景的低氧**治療光敏劑。

Nanostructured Phthalocyanine Assemblies with Efficient Synergistic Effect of Type I Photoreaction and Photothermal Action to Overcome Tumor Hypoxia in Photodynamic Therapy. Yuan-Yuan Zhao, Ling Zhang, Zixuan Chen, Bi-Yuan Zheng, Meirong Ke, Xingshu Li,* Jian-Dong Huang*. : J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 13980?13989 .DOI: 10.1021/jacs.1c07479
https://doi.org/10.1021/jacs.1c07479