肿瘤乏氧
乏氧是肿瘤微环境的一个重要特征，它是由肿瘤细胞的快速生长和有限的新生血管所引起的肿瘤缺氧情况。在这一特征中，肿瘤微环境趋于低氧、高质子化、还原性强，从而促使肿瘤细胞通过各种细胞机制适应不利环境，最终增强耐药性和生存能力。特别是乏氧诱导因子-1 (hypoxia inducible factor-1, HIF-1)，其在乏氧条件下呈现高表达特点，并与肿瘤的增殖、侵袭、转移、耐药和最终治疗失败密切相关。
光热疗法有望克服乏氧？
为了克服肿瘤乏氧，光热治疗(PTT)因其非氧气依赖性和高时空准确性而被认为是一种有效的治疗方法。PTT通常利用光热剂在近红外光(NIR)照射下触发局部热疗，可导致肿瘤细胞的不可逆消融，治疗效率较高。而在治疗乏氧的过程中，为了使PTT具有低氧反应性，可以使用乏氧靶向载体来递送光热剂，或者可以引入还原性基团来激活光热剂。在这些策略作用下，乏氧能够触发光热性能。虽然如此，但开发新型的乏氧诱导光热剂来实现控制“开关”状态下的特异性PTT仍然具有重要的意义。
有鉴于此，清华大学张希院士、徐江飞副研究员等人通过苝酰亚胺（PDI）衍生物与葫芦[7]脲 (CB[7])的主-客体络合反应制备了超分子配合物PDI- 2CB[7]。研究发现，在乏氧这样的还原性环境中，PDI- 2CB[7]可被还原成超分子的苝酰亚胺自由基阴离子。而CB[7]的主-客体络合能有效抑制水溶液中PDI自由基阴离子的猝灭，显著提高其光热转换效率，不仅展现出了优异的光热治疗效果，还能抑制HIF-1的表达。因此，研究认为这一乏氧诱导的特异性PTT策略可为提高肿瘤乏氧的光热治疗效力提供更具特异性和安全性的思路。相关工作以“In Situ Hypoxia-Induced Supramolecular Perylene Diimide Radical Anions in Tumors for Photothermal Therapy with Improved Specificity”为题发表在JACS。
【文章要点】
一、基于PDI的超分子复合物
在化学还原剂的作用下，苝酰亚胺（PDI）能够产生离域自由基阴离子。PDI自由基阴离子表现出典型的近红外吸收红移和良好的光热转换性能。此外，PDI自由基阴离子对氧极为敏感，与氧接触后迅速猝灭。也就是说，PDI自由基阴离子可以在相应的还原或氧化环境中可逆地形成和淬灭。而由于还原性物质如谷胱甘肽、NAD(P)H、细胞色素还原酶、硝酸还原酶等的大量积累，乏氧肿瘤常常表现出较强的还原性。因此，通过调节摩尔比例，研究制备了超分子复合物PDI- 2CB[7]以期待其在乏氧区域能产生自由基阴离子发挥治疗作用。其中，CB[7]包裹了PDI上的疏水苯基，屏蔽了带正电的季铵盐基团，降低了PDI- 2CB[7]的细胞毒性（图1）。同时，CB[7]阻止了PDI的π -π堆积，减弱了PDI自由基阴离子的猝灭，从而提高了光热转换效率。此外，3D细胞模型横切面共焦图像显示，PDI-2CB[7]可以在4 h内迅速扩散到整个3D细胞模型，说明PDI-2CB[7]避免了缺氧肿瘤药物积累受限的问题。
图1原位乏氧诱导超分子PDI自由基阴离子实现光热治疗示意图
二、PDI自由基阴离子
为了探究PDI- 2CB[7]是否能被乏氧肿瘤还原为超分子PDI自由基阴离子，研究进行了电子顺磁共振(EPR)光谱分析。如图2所示，在不同肿瘤细胞缺氧条件下，研究观察到数值为2.0035的 gEPR信号，证实了超分子PDI自由基阴离子的形成。而相比之下，正常细胞常氧状态下并无EPR信号。氧气供应不足导致肿瘤细胞中还原性物质的积累，由此形成的还原环境使PDI-2CB[7]被乏氧的肿瘤细胞原位还原形成具有功能的自由基阴离子。此外，光热性能检测则显示，808nm激光辐照下，超分子自由基阴离子的光热转换效率可达到35.7%。
图2超分子PDI自由基阴离子的EPR谱学分析
三、抗肿瘤性能
当这一超分子复合物注射到肿瘤内时，激光辐照可在8分钟内使肿瘤温度上升到62摄氏度左右，从而发挥光热抑瘤的效果。进一步地活体抗癌实验显示，由此复合物光热治疗的活体抑瘤率可高达93%左右。更重要的是，治疗组肿瘤组织HIF-1α的表达由0.43 pg/mg明显下降至0.21 pg/mg，接近于正常组织的水平。研究推测认为可能的原因是广泛的细胞损伤使肿瘤变得松散，从而恢复了供氧，最终减少了HIF-1α的积累。也正因为HIF-1α表达减少，治疗后肿瘤的增殖和转移也受到了一定的限制。此外，充足的氧气供应“关闭”了超分子PDI自由基阴离子的光热性能，从而避免了残留的超分子PDI自由基阴离子可能引起的生物安全性问题和副作用（图3）。
图3活体光热治疗评价
结论：综上所述，乏氧诱导的超分子PDI自由基阴离子被成功地用于控制“开-关”态的特定光热治疗，并在多种乏氧肿瘤上实现了原位生物还原性的PDI- 2CB[7]生成超分子PDI自由基阴离子的过程。基于该自由基阴离子的特异性PTT在人源性肿瘤荷瘤小鼠模型和鼠源性荷瘤小鼠模型中均表现出良好的光热治疗效果和生物安全性。此外，PTT治疗后HIF-1α在肿瘤中的表达降低到正常水平，抑制了肿瘤的增殖和转移。不仅如此，超分子PDI自由基阴离子经PTT处理后可被恢复的常氧环境淬灭，从而关闭PTT治疗窗口。基于乏氧响应型有机自由基或超分子自由基，研究认为上述策略可以推广到其他类型的光热剂以克服缺氧。这种乏氧诱导的特异性PTT策略有望为乏氧肿瘤的光热治疗开辟新的领域，并提高其特异性和安全性。
文献链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c13067
来源：高分子科学前沿
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