武漢大學Adv. Funct. Mater.：基于pH-驅動膜錨定光敏劑由光動力療法抑制腫瘤生長和轉移

【引言】

光動力療法（PDT）作為一種高效的無創治療方法，近些年來受到了極大的關注。這是一種有氧分子參與的伴隨生物效應的光敏化反應。盡管PDT的臨床試驗有很大進展，但是其在癌癥治療中仍有許多阻礙。對腫瘤選擇性不佳和活性氧（ROS）的壽命短是光動力治療（PDT）中的兩個主要挑戰。對如何提高光動力療法效能的研究還在繼續。

【成果簡介】

近日，武漢大學張先正教授（通訊作者）等人通過設計可自我轉換、pH-驅動膜錨定的光敏劑來實現其在特定腫瘤細胞的累積和最大化腫瘤細胞膜上原位PDT的治療效力。實驗發現此光敏劑能夠在酸性條件（pH 6.5或5.5）下形成α-螺旋結構，同時在正常pH 7.4時保持無規卷曲。這種pH驅動的二級結構轉變能夠成功的將此光敏劑插入到細胞膜中的雙層脂質里，特別是在酸性腫瘤微環境中的癌細胞膜中。在激光照射下，細胞膜原位產生的毒性活性氧，對體內腫瘤生長有顯著的抑制作用。相關成果以題為“A Self-Transformable pH-Driven Membrane-Anchoring Photosensitizer for Effective Photodynamic Therapy to Inhibit Tumor Growth and Metastasis”發表在了Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1 自轉型pH-驅動的膜光敏劑（pHMAPS）示意圖?

用于同源靶向腫瘤酸性微環境的自轉型pH驅動的膜光敏劑，通過有效插入癌細胞膜以實現高效的膜原位PDT抗癌。

圖2 有關pHMAPS的一些光譜圖?

A） 游離PpIX（10×10^-6 M，1％DMS/99％PBS緩沖液）和pHMAPS（PBS緩沖液中10×10^-6 M）的紫外-可見光譜；

B） 在630nm激光照射下（30mMm cm^-2），通過檢測DCF的熒光變化對PBS，游離PpIX（5×10^-6 M，0.5％DMSO），pHMAPS（5×10^-6 M）和pHMPAS（5×10^-6 M）+VC（120×10^-6 M）產生ROS的能力進行研究；

C） 研究pHMAPS（10×10^-6 M）在不同條件下的CD光譜。條件I：在pH 7.4下，不存在脂質體時pHMAPS的CD光譜。條件II：在pH 7.4下，在脂質體存在時pHMAPS的CD光譜。條件III：在pH 6.5下，脂質體存在時pHMAPS的CD光譜。狀態I和狀態II顯示了pHMAPS的沒有結構的變化。狀態III表示形成pHMAPS形成了α-螺旋構象；

D） 在低pH下pHMAPS與脂質雙層的相互作用的示意圖。

圖3 不同pH條件下用pHMAPS或NMAPS處理的4T1細胞相關CLSM圖?

A） 在pH值為7.4,6.5或5.5時用pHMAPS或NMAPS處理的4T1細胞的CLSM圖像，以及在pH值為6.5時用pHMAPS處理24小時的4T1細胞，以評估其長時間的細胞膜錨定能力。比例尺：20μm。曲線圖是白色箭頭線對應的熒光強度分布分析。綠線：細胞膜；紅線：PpIX；

B）在不同pH條件下用pHMAPS或NMAPS處理的4T1細胞的平均PpIX熒光的流式細胞計數分析。

圖4 不同pH下用pHMAPS處理兩種癌細胞的CLSM圖像?

A） 分別在pH 7.4，6.5和5.5用pHMAPS處理2小時的HeLa細胞的CLSM圖像。比例尺：20μm；

B） 分別在pH 7.4，6.5和5.5用pHMAPS處理2小時的HepG2細胞的CLSM圖像。比例尺：20μm。

圖5 體外4T1細胞的實驗圖?

A） 在630nm激光照射（30mW cm^-2,1.5分鐘）下，在pH 7.4,6.5或5.5時用pHMAPS或NMAPS處理的4T1細胞的細胞活力；

B） 在不同pH條件下用pHMAPS或NMAPS處理后被鈣黃綠素AM染色過的4T1細胞。其中左邊一般細胞用630nm激光（左，+ L）（30mW cm ^-2，1.5分鐘）照射，右邊一半細胞被保持在黑暗中（右，-L）。放大倍率：×10；

C） 分析在不同pH條件下用激光照射pHMAPS處理的4T1細胞的凋亡和壞死。將只被激光照射的細胞用作對照；

D） 在不同pH條件下用激光照射用pHMAPS處理的4T1細胞產生細胞內ROS的CLSM圖。DCFH-DA用作ROS的傳感器。比例尺：20μm。

圖6 體內荷瘤小鼠相關熒光成像圖?

A） 在不同時間點靜脈注射pHMAPS或NMPAS后，4T1荷瘤小鼠的熒光成像；

B） 小鼠器官的離體成像；

C） 在注射pHMAPS或NMPAS 24小時后，腫瘤和主要器官的相應平均熒光強度；

D） 在分別注射PBS，NMAPS和pHMAPS 24小時后，4T1荷瘤小鼠的腫瘤組織的CLSM圖像。比例尺：50μm。放大倍率：×200。

圖7 小鼠體內抗腫瘤生長評估?

A） 不同處理后相對腫瘤體積；

B） 不同處理后平均腫瘤重量；

C） 不同處理后離體腫瘤的代表性照片。**p<0.05；

D） 腫瘤細胞凋亡相關蛋白表達（caspase-3和Bcl-2）的蛋白印跡分析；

E） 腫瘤細胞凋亡相關蛋白表達（caspase-3和Bcl-2）的相應定量評價；

F）不同處理后腫瘤組織TUNEL和H＆E染色。

圖8 膜定位PDT抗轉移能力評估?

A） 不同處理后肺和肝臟的照片圖像；

B） 不同處理后用H＆E染色肺和肝臟的圖像。黃色箭頭表示肺轉移，黑色虛線表示肝轉移；

C） 不同處理后4T1荷瘤小鼠體內的micro-CT圖像。黃色箭頭表示骨轉移性病變。

【小結】

張先正教授等人精心設計了一種腫瘤酸性驅動膜錨定的光敏劑——pHMAPS，利用此光敏劑使得光動力療法的治療效果顯著提高。通過PpIX與pHLIP鍵接制備pHMAPS，其構象在腫瘤酸性微環境中發生變化以利于插入細胞膜。結果使得腫瘤的生長被有效的抑制。這種簡單設計的pHMAPS克服了PDT治療中的關鍵挑戰，即腫瘤的選擇性差和ROS的短持續時間。同時對抑制腫瘤轉移也有著顯著的效果。

文獻鏈接：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）

通訊作者介紹：張先正教授，武漢大學化學與分子科學學院副院長，生物醫用高分子材料教育部重點實驗室(武漢大學) 主任。研究方向：生物醫用高分子。1994年于武漢大學獲學士學位，1997年于武漢大學獲碩士學位，2000年于武漢大學獲博士學位。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月在美國康奈爾大學(Cornell University)作博士后。自2004年9月起在武漢大學化學與分子科學學院高分子系任教授。國際生物材料科學與工程學會聯合會(IUSBSE) Fellow、長江學者特聘教授、國家杰出青年基金獲得者、國家“萬人計劃”科技創新領軍人才、中國生物材料學會青年科學家獎獲得者、科技部中青年科技創新領軍人才等。中國生物材料學會理事會常務理事，中國材料研究學會高分子材料與工程分會常務理事，中國化學會理事會高分子學科委員會委員等。

本文由材料人編輯部生物材料學術組昝菲供稿，材料牛編輯整理。

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