国科大黄辉团队：超分辨成像指导的光动力学和光酸化治疗

Original 中国科学：化学中国科学化学 2023-03-16

中国科学院大学黄辉课题组报道了一种集成了超分辨成像、I型/II型光动力和光酸化三种功能的有机纳米诊疗药物，并从实验和理论上深入研究了其多功能机理。此外，该药物在体外和体内均获得了优异的抗肿瘤性能。这项工作为多模式癌症诊断和治疗提供了多功能纳米药物范例。

具有光激活特性的光老化荧光团在生物结构和过程成像中具有重要应用。利用它们的超分辨率成像优点来操纵和可视化抗癌治疗一直是现代临床医学的目标。传统的光动力疗法（PDT）是一种无创治疗，但细胞内氧含量有限。对于缺氧条件下的光动力学治疗，I型PDT和光酸化是传统PDT的两种有效补充。然而尽管I型PDT和PAT都由光控制，但在一种纳米药物中同时实现两种功能非常困难。

图1. 诊疗药物示意图与机理。

近日，中国科学院大学黄辉课题组设计并合成了集超分辨成像、I/II型PDT和光酸化于一体的诊疗药物。文章采用了一种新型白光驱动荧光开关（7H-二苯并[c，g]咔唑-7-基）（2-碘苯基）甲酮（2IB），图2b为随着白光光照时间增强其荧光强度不断增强的荧光发射光谱图，470 nm左右的荧光发射峰在开始不存在，而随着白光光照时间增加出现并不断增强，说明有光化学反应发生并不断生成量子产率高的产物。同时，溶液的pH值也在光照过程中不断降低，证明了有酸性物质的生成。接着以1,3-二苯基异苯并呋喃（DPBF）为活性氧探针，随着白光照射时间增长，图2c中DPBF探针的吸收峰不断下降，同时，顺磁共振（ESR，图2d）信号在光照下的增强也证明有活性氧物种的生成，ROS产率24.8%。这表现了该化合物可用作光敏剂，可用于光动力效应杀死肿瘤细胞。

图2. （a）诊疗药物示意图；（b）荧光强度与pH值随光照时间的变化；（c）DPBF探针随光照降解；（d）光照ESR信号增强。

实验和理论研究表明，其工作机理是基于激发下的两条竞争路径：光敏化和光环化反应（图3）。有效的系间窜越（ISC）确保了PDT的活性氧物种（ROS）的生成，而较低的势垒在室温下就能发生光环化反应，同时生成了强发光产物（2IBC）和H⁺，分别用于超分辨率成像和光酸。

图3. 机理图。

将2IB制备成纳米颗粒后（图4a），发现其具有线粒体靶向特性。其光活化荧光增强的性质可用于随机光学重建显微成像（STORM，图4b），并且集I/II型光动力与光酸化为一体可用作肿瘤治疗（图4c）。此外，该药物的荧光强度与治疗效果正相关，有利于时空可视化治疗过程和结果。综上所述，该药物在体外和体内均获得了优异的抗肿瘤性能，这一贡献为多模式癌症诊断和治疗提供了多功能纳米药物范例。

图4. （a）2IB纳米颗粒形貌；（b）STORM成像图；（c）不同条件下的细胞存活率；（d）注射PBS或2IB后肿瘤在持续激发下的荧光辐射效率变化；（e）15天后不同组别的肿瘤体积。

论文第一作者是博士生陈皓，共同通讯作者为中国科学院大学的黄辉教授、彭谦教授和温凯凯博士。详见：Hao Chen, Kaikai Wen*, Yu Lu, Xin Zhang, Yuhao Shi, Qinqin Shi, Han Ma, Qian Peng*, Hui Huang*. White-Light-Driven Fluorescence Switch for Super-Resolution Imaging Guided Photodynamic and Photoacid Therapy. Sci China Chem, 2022, doi: 10.1007/s11426-022-1369-9。

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