武汉大学Adv. Funct. Mater.：基于pH-驱动膜锚定光敏剂由光动力疗法抑制肿瘤生长和转移

【引言】

光动力疗法（PDT）作为一种高效的无创治疗方法，近些年来受到了极大的关注。这是一种有氧分子参与的伴随生物效应的光敏化反应。尽管PDT的临床试验有很大进展，但是其在癌症治疗中仍有许多阻碍。对肿瘤选择性不佳和活性氧（ROS）的寿命短是光动力治疗（PDT）中的两个主要挑战。对如何提高光动力疗法效能的研究还在继续。

【成果简介】

近日，武汉大学张先正教授（通讯作者）等人通过设计可自我转换、pH-驱动膜锚定的光敏剂来实现其在特定肿瘤细胞的累积和最大化肿瘤细胞膜上原位PDT的治疗效力。实验发现此光敏剂能够在酸性条件（pH 6.5或5.5）下形成α-螺旋结构，同时在正常pH 7.4时保持无规卷曲。这种pH驱动的二级结构转变能够成功的将此光敏剂插入到细胞膜中的双层脂质里，特别是在酸性肿瘤微环境中的癌细胞膜中。在激光照射下，细胞膜原位产生的毒性活性氧，对体内肿瘤生长有显著的抑制作用。相关成果以题为“A Self-Transformable pH-Driven Membrane-Anchoring Photosensitizer for Effective Photodynamic Therapy to Inhibit Tumor Growth and Metastasis”发表在了Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图1 自转型pH-驱动的膜光敏剂（pHMAPS）示意图 

用于同源靶向肿瘤酸性微环境的自转型pH驱动的膜光敏剂，通过有效插入癌细胞膜以实现高效的膜原位PDT抗癌。

图2 有关pHMAPS的一些光谱图 

A） 游离PpIX（10×10^-6 M，1％DMS/99％PBS缓冲液）和pHMAPS（PBS缓冲液中10×10^-6 M）的紫外-可见光谱；

B） 在630nm激光照射下（30mMm cm^-2），通过检测DCF的荧光变化对PBS，游离PpIX（5×10^-6 M，0.5％DMSO），pHMAPS（5×10^-6 M）和pHMPAS（5×10^-6 M）+VC（120×10^-6 M）产生ROS的能力进行研究；

C） 研究pHMAPS（10×10^-6 M）在不同条件下的CD光谱。条件I：在pH 7.4下，不存在脂质体时pHMAPS的CD光谱。条件II：在pH 7.4下，在脂质体存在时pHMAPS的CD光谱。条件III：在pH 6.5下，脂质体存在时pHMAPS的CD光谱。状态I和状态II显示了pHMAPS的没有结构的变化。状态III表示形成pHMAPS形成了α-螺旋构象；

D） 在低pH下pHMAPS与脂质双层的相互作用的示意图。

图3 不同pH条件下用pHMAPS或NMAPS处理的4T1细胞相关CLSM图 

A） 在pH值为7.4,6.5或5.5时用pHMAPS或NMAPS处理的4T1细胞的CLSM图像，以及在pH值为6.5时用pHMAPS处理24小时的4T1细胞，以评估其长时间的细胞膜锚定能力。比例尺：20μm。曲线图是白色箭头线对应的荧光强度分布分析。绿线：细胞膜；红线：PpIX；

B）在不同pH条件下用pHMAPS或NMAPS处理的4T1细胞的平均PpIX荧光的流式细胞计数分析。

图4 不同pH下用pHMAPS处理两种癌细胞的CLSM图像 

A） 分别在pH 7.4，6.5和5.5用pHMAPS处理2小时的HeLa细胞的CLSM图像。比例尺：20μm；

B） 分别在pH 7.4，6.5和5.5用pHMAPS处理2小时的HepG2细胞的CLSM图像。比例尺：20μm。

图5 体外4T1细胞的实验图 

A） 在630nm激光照射（30mW cm^-2,1.5分钟）下，在pH 7.4,6.5或5.5时用pHMAPS或NMAPS处理的4T1细胞的细胞活力；

B） 在不同pH条件下用pHMAPS或NMAPS处理后被钙黄绿素AM染色过的4T1细胞。其中左边一般细胞用630nm激光（左，+ L）（30mW cm ^-2，1.5分钟）照射，右边一半细胞被保持在黑暗中（右，-L）。放大倍率：×10；

C） 分析在不同pH条件下用激光照射pHMAPS处理的4T1细胞的凋亡和坏死。将只被激光照射的细胞用作对照；

D） 在不同pH条件下用激光照射用pHMAPS处理的4T1细胞产生细胞内ROS的CLSM图。DCFH-DA用作ROS的传感器。比例尺：20μm。

图6 体内荷瘤小鼠相关荧光成像图 

A） 在不同时间点静脉注射pHMAPS或NMPAS后，4T1荷瘤小鼠的荧光成像；

B） 小鼠器官的离体成像；

C） 在注射pHMAPS或NMPAS 24小时后，肿瘤和主要器官的相应平均荧光强度；

D） 在分别注射PBS，NMAPS和pHMAPS 24小时后，4T1荷瘤小鼠的肿瘤组织的CLSM图像。比例尺：50μm。放大倍率：×200。

图7 小鼠体内抗肿瘤生长评估 

A） 不同处理后相对肿瘤体积；

B） 不同处理后平均肿瘤重量；

C） 不同处理后离体肿瘤的代表性照片。**p<0.05；

D） 肿瘤细胞凋亡相关蛋白表达（caspase-3和Bcl-2）的蛋白印迹分析；

E） 肿瘤细胞凋亡相关蛋白表达（caspase-3和Bcl-2）的相应定量评价；

F）不同处理后肿瘤组织TUNEL和H＆E染色。

图8 膜定位PDT抗转移能力评估 

A） 不同处理后肺和肝脏的照片图像；

B） 不同处理后用H＆E染色肺和肝脏的图像。黄色箭头表示肺转移，黑色虚线表示肝转移；

C） 不同处理后4T1荷瘤小鼠体内的micro-CT图像。黄色箭头表示骨转移性病变。

【小结】

张先正教授等人精心设计了一种肿瘤酸性驱动膜锚定的光敏剂——pHMAPS，利用此光敏剂使得光动力疗法的治疗效果显著提高。通过PpIX与pHLIP键接制备pHMAPS，其构象在肿瘤酸性微环境中发生变化以利于插入细胞膜。结果使得肿瘤的生长被有效的抑制。这种简单设计的pHMAPS克服了PDT治疗中的关键挑战，即肿瘤的选择性差和ROS的短持续时间。同时对抑制肿瘤转移也有着显著的效果。

文献链接：A Self-Transformable pH-Driven Membrane-Anchoring Photosensitizer for Effective Photodynamic Therapy to Inhibit Tumor Growth and Metastasis （Adv. Funct. Mater.，2017，DOI: 10.1002/adfm.201702122）

通讯作者介绍：张先正教授，武汉大学化学与分子科学学院副院长，生物医用高分子材料教育部重点实验室(武汉大学) 主任。研究方向：生物医用高分子。1994年于武汉大学获学士学位，1997年于武汉大学获硕士学位，2000年于武汉大学获博士学位。2000年9月至2001年8月在新加坡材料研究所(IMRE)作Research Associate。2001年9月至2004年9月在美国康奈尔大学(Cornell University)作博士后。自2004年9月起在武汉大学化学与分子科学学院高分子系任教授。国际生物材料科学与工程学会联合会(IUSBSE) Fellow、长江学者特聘教授、国家杰出青年基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才、中国生物材料学会青年科学家奖获得者、科技部中青年科技创新领军人才等。中国生物材料学会理事会常务理事，中国材料研究学会高分子材料与工程分会常务理事，中国化学会理事会高分子学科委员会委员等。

本文由材料人编辑部生物材料学术组昝菲供稿，材料牛编辑整理。

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