摘要：人类与癌症的战争已经持续了上百年甚至更久，全人类为此进行了巨大的投入，然而到现在为止，依然还有很长的路要走。截至目前，人类抗击癌症的武器库更加丰富和强大。本文中，我们针对目前抗击癌症的新兴疗法“光动力治疗”存在的缺陷，设计并合成了一种谷胱甘肽（GSH）和过氧化氢（H2O2）协同响应的可激活型光敏剂，在癌细胞内实现高效的光动力杀伤效果，为推动可激活型光敏剂在光动力治疗领域的应用提供了新思路。
关键词：光动力治疗可激活型光敏剂肿瘤乏氧活性氧物种双光子激活
谈起癌症，相信大家都不陌生，但大家一定很难想象，世界上每三个人中至少就有一个人罹患癌症，而在我国每年新发癌症病例高达400万以上、每分钟都有6个人因癌症失去生命。更可怕的是，人类至今仍未找到治愈癌症的办法。那么，癌症是什么、如何治疗癌症呢？
癌症是所有恶性肿瘤的统称。而肿瘤是指人体的某些细胞受到物理或化学等刺激后，脱离正常调控不断地进行分裂，在局部形成一个肿块（实体瘤，如乳腺癌），或者是不断扩散到全身（非实体瘤，如白血病）。根据其生长速度及对人体的危害程度，又可将肿瘤分为良性肿瘤和恶性肿瘤两大类。
癌细胞自身并不强大，但它擅长伪装、转移和繁殖。临床上癌症主要的治疗手段包括化疗、放疗和手术治疗等，但这些治疗方法存在副作用大、效率低、易复发和转移等缺点。因此，在对常规治疗方法不断改进的同时，发展更加安全、高效的癌症治疗手段一直是全球科研工作者孜孜不倦的奋斗目标。
中国古语云：知己知彼，方能百战百胜。要想战胜癌症，首先要了解癌细胞有什么不同于正常细胞的显著特征。科学家们经过长期研究发现，癌细胞的内部环境一般具有过氧化氢（H2O2）浓度偏高、谷胱甘肽（GSH）浓度偏高和特殊酶过量表达等特点。针对这些特点，科学家们开发出了很多新型的治疗手段：光热治疗通过在癌细胞内把光转换为热，将它高温杀死；药物靶向治疗以癌细胞为“靶子”把抗癌药物准确地运送进去从而杀死它；光动力治疗在癌细胞内通过“光”触发“开关”，产生寿命短但毒性强的物质来杀死目标细胞。而光动力治疗便是我们这里研究的主要手段。
光动力治疗（photodynamictherapy,PDT）是20世纪末新兴的一种癌症治疗方法。如图1所示，其治疗过程是通过将光敏剂（photosensitizer,PS）引入至肿瘤区域，随后在特定波长光的激活下，光敏剂经系列光化学反应（光化学反应又称光化作用，是指物质由于光的作用而引起的化学反应）产生大量高毒性的活性氧（Reactiveoxygenspecies,ROS）（活性氧：是指机体内或者自然环境中由氧组成,含氧并且化学性质活泼的物质的总称，包括单线态氧、超氧负离子自由基、羟基自由基等），最终诱导肿瘤细胞凋亡或坏死，达到治疗癌症的目的。1简单来说，对抗癌症就像一场绝地求生，如果把光动力治疗比作飞往“癌细胞海岛”的飞机，那么光敏剂就是机舱里的特种兵，而氧气就是热武器，光则是控制特种兵的玩家们。
图1.光动力治疗过程示意图1
其中，光敏剂主要通过两类光化学反应途径发挥作用（图2）：第一类反应（typeI）是激活后的光敏剂分子（PS*）和周围底物分子（如水分子、氧分子）发生电子转移过程，产生超氧负离子、羟自由基等ROS自由基；第二类反应（typeII）则是光敏剂激发态直接与氧气分子发生能量转移，产生单线态氧。目前临床上广泛应用的卟啉类光敏剂主要发生第二类光反应。
图2.光敏剂作用机制
从光敏剂作用机制不难看出，基于typeII光化学过程的光敏剂高度依赖氧气，因此，光敏剂、光和氧气也被称为PDT的“三要素”。但是肿瘤内部的氧气含量很低，限制了typeII过程，且光动力治疗还要消耗氧气，使肿瘤更加缺氧，PDT的临床治疗效果受到限制。2特种兵没有了武器，求生更加艰难。相比之下，typeI型光化反应大大削弱了对氧气的需求，也就是说，typeI型特种兵能用平底锅等冷兵器消灭敌人！因此发展兼具typeI和typeII型的光敏剂是保障PDT在常氧和乏氧肿瘤环境中都能正常发挥功效的重要选择。
激活型光敏剂（aPS）：通过化学修饰（化学修饰：通过化学基团的引入或除去，使化学分子性质发生改变）的方法使光敏活性被抑制的光敏剂，或是自身没有光敏活性，而在肿瘤细胞中经过化学转化等过程获得光敏活性的光敏剂。这样一来特种兵只能在癌细胞海岛上才能觉醒战斗力。前文已经提到过，癌细胞的内环境通常处于过氧化氢（H2O2）和谷胱甘肽（GSH）浓度异常偏高的状态。这些环境因素为激活型光敏剂激活因子（激活因子：能够使光敏剂恢复或者获得光敏特性的化学物质）的选择提供了思路。相比传统的光敏剂，多个激活因子协同激活光敏剂，更能提高PDT过程的可控性和安全性。
基于此，我们实验室开发了一种GSHH2O2协同响应的小分子光敏剂，并对其细胞内协同激活光动力治疗进行了应用研究。
图3.GSH和H2O2参与的NO2ArSH底物分子转化
NO2ArSH分子这一有趣的GSHH2O2双响应特性给了我们研究灵感：是不是可以基于这一结构设计出可GSHH2O2激活的光敏剂呢？为实现这个想法，我们设计并合成了HO-NB-Bpin分子，进一步提高了结构稳定性和响应选择性（图4）。HO-NB-Bpin在GSHH2O2共同作用下，可快速、高效地转化为HO-NH2ArSO3H产物。与传统的卟啉等氧依赖型光敏剂有很大的不同，HO-NH2ArSO3H具有很强的typeI和typeII双重光动力活性，经光照作用，可同时产生大量超氧负离子自由基和单线态氧等活性氧物种。这种光敏特性，是解决乏氧-光动力治疗的一把钥匙。这样一来，我们找到了可多模式作战的特种兵！
图4.GSH和H2O2参与的HO-NB-Bpin分子转化过程
为了将该光敏剂靶向递送（靶向递送：将药物特异性地输送到目标区域）到肿瘤细胞的重要细胞器，我们又安装了靶向基团（-PPh3+），使mitoaPS分子具有导向并富集在肿瘤细胞线粒体的能力，相当于在“导弹”上安装了“定位器”。线粒体是细胞进行有氧呼吸的主要场所，被称为“能量工厂”，而且在这里GSH和H2O2的含量更高。因此，定位于线粒体可以高效地激活mitoaPS、光敏化产生大量活性氧，破坏线粒体膜电位以诱导细胞凋亡。
图5.mitoaPS分子的合成
图6.(a)常氧和乏氧下mitoaPS对HeLa肿瘤细胞的光毒性；(b)PDT结束后的细胞双染图
综上所述，针对目前光动力治疗在光敏剂环节面临的氧浓度限制、可控性不足等问题，我们开发了一种新型的可激活型光敏剂mitoaPS。如图7所示，mitoaPS在肿瘤细胞两种激活因子GSH和H2O2的共同作用下转化为具有typeI和typeⅡ双重光反应途径的光敏剂，经光照产生大量超氧负离子自由基和单线态氧等活性氧物种，最终诱导细胞凋亡，达到杀死肿瘤细胞的目的。这项研究成果拓展了激活型光敏剂的设计思路，在增强光动力治疗过程的可控性和安全性方面具有重要应用价值。
图7.GSH和H2O2共激活光敏剂设计与PDT应用示意图
研究成果以“GSHandH2O2Co-ActivatableMitochondria-TargetedPhotodynamicTherapyunderNormoxiaandHypoxia”为题在线发表在德国应用化学杂志上（Angew.Chem.Int.Ed.,2020,DOI:10.1002/anie.202003895）。
参考文献：
南京大学化学化工学院孙剑博士（2018年博士毕业生），蔡雪彤，冯福德教授供稿。