氟硼类荧光染料及其衍生物在肿瘤诊疗一体化中的应用

冯彤 薛中博 尹娟娟 蒋旭 冯亚青 孟舒献

引用本文: 冯彤, 薛中博, 尹娟娟, 蒋旭, 冯亚青, 孟舒献. 氟硼类荧光染料及其衍生物在肿瘤诊疗一体化中的应用[J]. 有机化学, 2019, 39(7): 1891-1912. doi: 10.6023/cjoc201812016 shu
Citation:  Feng Tong, Xue Zhongbo, Yin Juanjuan, Jiang Xu, Feng Yaqing, Meng Shuxian. Application of Fluoroboron Fluoresceins (BODIPYS) and Their Derivatives in the Synergistic Diagnosis and Treatment of Tumor[J]. Chinese Journal of Organic Chemistry, 2019, 39(7): 1891-1912. doi: 10.6023/cjoc201812016 shu

氟硼类荧光染料及其衍生物在肿瘤诊疗一体化中的应用

    通讯作者: 孟舒献, msxmail@tju.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(No.21676187)、中国国际科技计划(Nos.2012DFG41980,2016YFE0114900)资助项目

摘要: 肿瘤是全世界发病率最高、死亡率最大的疾病之一.鉴于肿瘤的高风险与高死亡率,世界各地的研究人员致力于开发更精确快速的诊断策略和更有效的治疗方法来对抗,针对肿瘤的光学诊疗一体化技术应运而生.氟硼荧类化合物(BODIPY)因其优良的光学性质在肿瘤光诊疗中被广泛关注.详细介绍了BODIPY及其衍生物作为光敏剂、光热转化剂及显影剂在肿瘤诊疗(光动力治疗、光热治疗、光声成像)以及诊疗一体化中的应用,全面系统地评价了不同BODIPY结构以及其衍生物在肿瘤诊疗中的效果.这对于合理设计具有高单线态氧量子产率、高光热转化率以及良好的光稳定性和溶解性等优点的近红外BODIPY材料具有重要意义.

English

  • 肿瘤细胞因其增殖速度快、扩散范围广和不易清除等特点, 已经成为21世纪最致命的杀手之一.全球每年大约有1400万癌症患者, 近800万人死于与癌症有关的疾病[1].传统的癌症诊断、治疗方法包括电子计算机断层扫描(CT)、B超、核磁共振成像(MRI)、正电子发射计算机断层显像(PET-CT)、化学治疗、放射治疗和外科手术治疗等, 这些诊疗方法都存在一定的弊端.比如CT, MRI, PET-CT等不能早期发现肿瘤, 且成像技术因其分辨率低、扫描时间长、适用范围小、使用价格昂贵等缺点限制了在肿瘤诊断中的应用.传统化学治疗法, 因其对细胞分裂的恶性干涉而常引发骨髓抑制、粘液炎、脱发等不良症状; 放射治疗因其较低的累计放射剂量与对正常机体的严重损伤而影响了治疗效果与应用领域; 对于外科手术法, 主要只针对未发生转移的肿瘤, 且风险高、创伤大、易复发、对人体正常组织存在危害[2].因此, 开发更精准快速高效的诊疗方法和技术成为世界各地的研究人员一直奋斗的目标.

    近年来, 光诊疗作为一种重要的无创光触发肿瘤诊疗方法, 已被广泛地应用于临床研究.光诊疗主要包括光动力疗法、光热疗法、光声成像以及多模态光学协同诊疗[3]. BODIPY染料由于具有良好的化学稳定性和光稳定性等优点, 被广泛应用于光成像、光治疗等多个领域, 其在肿瘤的诊疗方面逐渐得到重视, 特别是光动力学领域, 已经得到了长足的发展.有关BODIPY在光动力学肿瘤治疗领域的综述不胜枚举, 但其在光热力学、光声以及协同诊疗中的应用鲜有人报道.针对这一现状, 本文总结了BODIPY及其衍生物作为光敏剂、光热转化剂和显影剂在肿瘤诊疗(光动力治疗、光热治疗、光声成像)以及协同诊疗中的应用.

    光动力学治疗(PDT)是指以特定波长的光源(多为红光, 少数为紫外光、白光)激发光敏剂, 产生可以攻击靶细胞或组织等生物大分子的单线态氧(1O2).单线态氧具有很强的活性, 能使细胞坏死或凋亡, 从而达到治疗的目的.与传统治疗方法相比, PDT具有以下优点: (1)应用于手术不能接触的部位; (2)可应用于不适合手术、化疗和放疗的发病人群; (3)可安全有效地重复使用; (4)不产生免疫抑制; (5)可以在手术、化疗、放疗的各个阶段使用, 具有协同作用[4].

    图 1

    图 1.  光敏剂工作原理
    Figure 1.  Mechanism diagram of photosensitizers in PDT

    A photosensitizer (PS) can be activated from its ground state to a short-lived excited singlet state (PSEs) by light. Then, either the excited PS may decay back to the ground state by emitting fluorescence, or it can undergo intersystem crossing whereby the spin of its excited electron inverts to form a relatively long-lived triplet state (PSEt). The triplet excited PS can also decay back to the ground state by emitting phosphorescence, but most importantly it can directly interact with surrounding substrates (e.g., cell membrane or other biomolecules) to form radicals, which then react with O2 to produce reactive oxygen species (ROS), such as superoxide anion radicals (O2-), hydroxyl radicals (.OH), and hydrogen peroxides (H2O2, type Ⅰ reaction). Alternatively, the energy of the excited PS can be directly transferred to 3O2 (itself a triplet in the ground state) to form 1O2 (type Ⅱ reaction)[6]

    20世纪50年代, 以卟啉作为光敏剂的光动力疗法在癌症治疗领域中得到重视.在此后三十年内, 其他类型的光敏剂逐步出现, 并逐渐被应用于临床试验[5].目前研究较为热门的光敏剂有卟啉型光敏剂、氯型光敏剂、钛菁型光敏剂以及BODIPY型光敏剂[6].卟啉类化合物在650~900 nm的波长范围内摩尔吸收系数通常小于2×104 L·mol-1·cm-1; 其次, 卟啉衍生物由于其平面结构, 在浓溶液中π-π堆积较强, 从而降低了单线态氧的量子产率; 同时, 卟啉衍生物合成较为困难, 传统的有机合成方法生产成本高, 限制了其在商业中的应用[7].氯型光敏剂, 钛菁型光敏剂的化学稳定性和光稳定性差, 容易发生聚集[8]. BODIPY作为一类优良的传感器和荧光成像染料, 在过去十年中已成为一种新型的PDT试剂.与其它染料相比, 具有以下优点:第一, 通常具有较大的摩尔吸光系数(ε>8×104 L·mol-1·cm-1); 第二, 具有极高的化学稳定性和光稳定性; 因此, 近年来BODIPY引起了研究者的广泛关注, 被认为是新一代的抗肿瘤光敏剂[9].以下主要综述了BODIPY在PDT中的最新应用.根据BODIPY与不同配体的结合方式, 将按照BODIPY小分子型光敏剂以及聚合物型光敏剂来进行描述.

    Zou等[10]设计合成了一种具有双光敏剂(BODIPY, DPP)的新型光敏剂结构(图 2).该结构中两分子BODIPY与一分子并吡咯(DPP)通过π键相连形成D-A-D结构.该结构的创新点与优势在于DPP可以弥补BODIPY由于重原子效应所出现的荧光减弱的问题, 同时BODIPY可以弥补DPP的单线态氧产率不足的缺陷.该化合物在535 nm处具有最大吸收波长.之后将D-A-D通过纳米沉降形成统一的纳米颗粒(DPPBDPI NPs), 该纳米粒子的单线态氧量子产率高达80%, 且表现出优良的光学性质.该报道为双光敏剂结构在PDT中的应用提供了新的思路.

    图 2

    图 2.  D-A-D结构及其作为光敏剂在PDT过程中的原理示意图
    Figure 2.  Illustration of the D-A-D structured DPPBDPI NPs with enhanced 1O2 QYs and fluorescence as theranostic agent for PDT

    Raza等[11]合成了与顺铂相连的三种BODIPY分子结构(1~3).顺铂具有良好的细胞聚集性以及肿瘤靶向性.通过两个鸟苷残基的N7位共价键与核DNA形成链内和/或链间DNA交联, 引起转录抑制、细胞凋亡等多种细胞反应, 从而实现该分子对肿瘤的主动靶向性(图 3).在400~700 nm光照射下, 可通过PDT达到对肿瘤的抑制和治疗作用.三种分子的单线态氧量子产率分别为26%, 48%, 65%.由此可见, 单线态氧量子产率随着所引入重原子个数的增加而逐渐增大, 重原子效应对光敏剂的单线态氧产率具有重要影响.

    图 3

    图 3.  BODIPY作为光敏剂在PDT过程中的示意图
    Figure 3.  Illustration of BODIPY act as photosensitizers

    为提高PDT的效率, 研究者们致力于增大单线态氧的量子产率. Wang等[12]首次设计并合成了两类四种亲水性氮杂Aza-BODIPY衍生物(4~7).在Aza- BODIPY骨架2, 6位上引入溴原子, 通过重原子效应促进电子从激发态到三重态的系间窜跃, 从而使化合物成为高效的单线态氧发生器.通过共聚焦实验发现, 此类探针与Hela细胞的线粒体或溶酶体具有很高的亲和力.如表 1所示, 引入重原子后, 分子的最大吸收峰、发射峰均出现轻微蓝移, 且表现出较低的荧光量子产率和较高的单线态氧量子产量.该报道证明了重原子的引入在提高单线态氧量子产量中发挥着积极影响.

    表 1

    表 1  四种BODIPY分子的光学性能总结
    Table 1.  Summary of four BODIPY molecules
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    化合物 最大吸收峰 最大发射峰 荧光量子产率 单线态氧量子产率
    4 706 723 0.13
    5 706 723 0.10
    6 685 710 0.02 0.92
    7 685 710 0.02 0.90

    Ruan等[13]合成了一种碘代BODIPY分子(BDPI), 结构(图 4). BDPI具有较强的近红外吸收峰(692 nm)和发射峰(715 nm)以及高的单线态氧产率(80%).而后将BDPI包覆于具有生物相容性的多肽PEG-PLys中, 形成聚合物胶束纳米粒子(PBDPI NPs). PBDPI NPs的水分散性使其能更好地通过高通透性和滞留效应(EPR)到达与停留在肿瘤组织中.此外, 通过使用低功率的辐照光, PBDPI NPs表现出前所未有的光动力治疗效果(19 d内, 肿瘤体积下降到原先的20%), 这使得通过PDT有效地杀死深部组织中的癌细胞成为可能(图 4).

    图 4

    图 4.  BDPI结构、多肽PEG-PLys结构、高ROS产率的PEG-PLys@BDPI纳米颗粒的PDT过程示意图
    Figure 4.  Structures of BDPI, peptide PEG-PLys, and the schematic illustration of high ROS generation micelles PEG-PLys@BDPI nanoparticles for PDT in vivo

    Yan课题组设计合成了溴代BODIPY (NHS-BDP- Br2, 8). NHS-BDP-Br2分子的meso位与苯甲酸琥珀酰亚胺酯相连, 使其更易与不同聚合物通过共价键结合; 吡咯环与3-溴-2-对甲氧基苯基噻吩相连, 增大该结构的共轭程度, 使其发生红移, 为生物体内近红外成像提供保障. NHS-BDP-Br2在近红外区域具有最大吸收峰(664 nm)和发射峰(707 nm)以及高的单线态氧量子产率(76%), 使其在肿瘤PDT中具有良好的结构基础.之后, 该课题组将NHS-BDP-Br2与不同功能聚合物(氟化多肽PHFB, 两亲性聚合物POEGMA-PAsp, 酸敏感多肽Polypeptide)通过自组装形成纳米粒子.其中PHFB可自主携氧以改善肿瘤组织中的缺氧状态, 提高氧含量[14]; POEGMA-PAsp因具有类似的功能而被选用, 在提高水溶性的同时, 可与人造红细胞通过Click反应相连, 形成具有自携氧功能的光敏剂[16]; 酸敏感多肽会在肿瘤组织中(pH 5.5~6.5)发生裂解, 从而提高光敏剂的主动靶向定位能力(图 5)[15].这三种光敏剂的单线态氧量子产量分别为36%, 36%和52%, 由此得知, 较前两者而言, 酸敏感多肽型光敏剂具有更好的肿瘤治疗能力, 为NIR成像引导的主动靶向PDT提供了一种新的策略.

    图 5

    图 5.  光敏剂对肿瘤细胞PDT过程示意图
    Figure 5.  Scheme for NIR imaging and PDT on cancer cells

    与上述携带氧气进入肿瘤组织来克服组织中氧缺失的情况不同的是, Chen等[18]近期利用肿瘤组织的缺氧环境作为PDT的诱发因子, 从而实现光动力治疗的高度选择性和主动靶向性.他们合成了一种含有两分子BODIPY的光敏剂(9), 如图 6所示.该正交二聚体BODIPY分子(DiBDP)中右侧的第二位BODIPY分子可对BODIPY母核的正交结构促进激发态到三重态的有效转化, 从而提高单线态氧量子产率(46%); 中位硝基基团的取代导致了硝基还原酶(NTR)可控的光毒性和荧光激活.后将DiBDP与脂质体DSPE-mPEG2000通过自组装相结合形成纳米粒子(Ab-DiBDP NPs).体内和体外实验均表明, 硝基还原酶(NTR)激活的纳米粒子能有效地破坏癌细胞, 防止对正常细胞的损伤.该研究为NTR触发的PDT治疗肿瘤细胞提供了新的研究范式, 为准确诊断肿瘤缺氧提供了一条新的途径.

    图 6

    图 6.  DiBDP NPs用于双缺氧标记物成像和可激活PDT示意图
    Figure 6.  Schematic illustration of DiBDP NPs for dual hypoxia markers imaging and activatable PDT against tumor

    纳米金属-有机骨架(N-MOFs)是近年来发现的一种新型的肿瘤治疗材料. BODIPY等有机光敏剂可共价地定向排列在MOF框架中, 有效地避免了它们的聚集和自猝灭, 从而提高其治疗肿瘤的效率.

    Wang等[19]设计合成出meso位羧基功能化的双碘代BODIPY分子(I2BDP, 10).首次利用UIO型MOFs和I2BDP, 通过溶剂辅助配体交换合成含有BODIPY分子的MOF(命名为UIO-PDT, 图 7). UIO-PDT具有良好的生物相容性和高效的单重态氧量子产率, 能够有效地杀伤癌细胞, 可进一步作为潜在的PDT药物应用于肿瘤治疗.这种配体交换策略为功能化分子引入N-MOFs开辟了一条新的途径.

    图 7

    图 7.  UiO-PDT纳米晶体的合成方法及其在PDT中的应用示意图
    Figure 7.  Schematic presentation of UiO-PDT nanocrystal synthesis and its application in PDT

    与Wang等设计出的I2BDP类似的是, Guan等[20]合成了meso位含有对硝基苯基的双碘代BODIPY分子(11).将BODIPY、咪唑-2-甲醛、硝酸锌通过原位生长法合成了具有核壳结构的MOF光敏剂BODIPY@ZIF- 90. ZIF-90易在酸性环境中裂解, 释放出内部包裹的BODIPY分子.故可利用肿瘤组织的微酸环境作为诱发因子, 将PDT主动靶向定位于肿瘤区域(图 8).这种原位生长法合成的光敏剂可达到较高的单线态氧量子产率(52%), 为MOF作为光敏剂载体在肿瘤治疗中应用提供了新的思路.

    图 8

    图 8.  MOF组装过程
    Figure 8.  Schematic illustration of the fabrication of MOF

    光热力学治疗是指光热转化剂在光激发下, 从基态跃迁到激发态.电子在激发态的寿命很短, 部分电子会通过系间窜越到三重态, 三重态的电子和激发态的电子部分会通过震动松弛(非辐射转化)到基态(图 9).这个非辐射转化的过程, 会产生热量并提高周围环境的温度, 从而抑制了肿瘤细胞的生长与扩散, 达到治疗肿瘤的效果[21].光热治疗具有治疗肿瘤的巨大潜力, 作为新型的肿瘤治疗方法, 与传统的化学治疗、放射治疗、手术治疗相比、具有无创、高选择性、无副毒性等优点[22].

    图 9

    图 9.  光热治疗机理图
    Figure 9.  Photothermal therapy mechanism diagram

    自从光热治疗法兴起以后, 迄今已经发展了四代材料体系, 如表 2所示.

    表 2

    表 2  四代光热转化材料总结
    Table 2.  Summary of photothermal agents
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    材料类型 代表 优点 缺点
    第一代 贵金属纳米颗粒 Au、Ag、Pt 光热转换效率较高 价格昂贵
    第二代 碳类材料 石墨烯、碳纳米棒 较大的光热转换面积 近红外区吸收能力差
    第三代 金属与非金属化合物 CuS、ZnS 处于研究的热潮
    第四代 有机染料物质 吲哚菁绿、氟硼荧类 处于研究的热潮

    以下主要总结了氟硼荧类有机染料作为光热转化剂在肿瘤光热治疗中的应用.与BODIPY在PDT中的应用分类方法类似的是, 以下按照BODIPY与不同配体的结合方式, 将以BODIPY小分子型光热剂和聚合物型光热剂的顺序进行描述.

    Liu等[23]以氮杂BODIPY (Aza-BODIPY)为原料, 设计合成了一种新型光热转化剂(12).该分子的最大吸收峰(781 nm)和发射峰(830 nm)均在近红外区域, 为体内肿瘤的深度治疗提供了保障.此外, 在NIR激光照射下, Aza-BODIPY具有良好的光稳定性和较高的光热转换效率(50%).体内外实验证明, 光热处理能有效抑制肿瘤生长.同时, 在NIR成像的指导下, 利用成像系统对NIR辐射进行检测, 实现了治疗的自我监测, 如图 10.此研究的创新点在于BODIPY分子中未引用任何的重原子或卤素原子以提高光热转化效率, 因此降低了该类型转化剂在生物体内的毒性.

    图 10

    图 10.  Aza-BODIPY分子作为光敏剂在PDT过程中的作用原理示意图
    Figure 10.  Aza-BODIPY acts as photosensitizer in PDT process

    现有光热转化剂在近红外区域的低效率是阻碍PTT进一步发展的主要原因.因此, Xu课题组[24]提出了一种利用分子内光诱导电子转移(PET)机制构建高效光热剂的有效方法, 该机制能显著提高NIR区的光热转换效率.该课题组设计合成了一种以二甲基胺(DMA)为电子供体, Aza-BODIPY核为电子受体的近红外染料(13). BODIPY分子包裹在生物可降解聚合物DSPE-mPEG5000中, 得到纳米级别的光热转化剂.该转化剂的最大吸收峰在近红外区域(850 nm).在低剂量的情况下, 该转化剂在体内仍能保持良好的光热转换效率(35.0%).因此, 分子内PET的合理设计, 为构建优良的光热剂指明了方向, 为今后的临床癌症治疗创造了新的机遇.

    Zhu等[25]合成了meso位含有氰基的BODIPY分子结构, 其最大紫外吸收峰为665 nm, 最大荧光发射峰位于669 nm.该BODIPY结构因其易与介孔硅纳米颗粒(MSNs)相结合而受到关注.将CN-BDP分子(14)、PEG- CHO与MSNs通过Passerini反应相结合形成两亲性聚合物. CN-BDP在MSNs表面上相结合导致荧光猝灭进而增强光热效率.光热转化剂的效率为36.7%.这项工作突出了Passerini反应作为无机材料表面改性的一种温和方法的潜在作用, 特别是MSNS对癌症热敏剂的表面修饰作用, 如图 11.

    图 11

    图 11.  MSN-BDP-PEG在PTT过程作用原理图
    Figure 11.  Schematic illustration of the synthetic route of MSN-BDP-PEG and its PTT of tumors and NIRF imaging

    Lin等[26]合成了在meso位含有氰基的BODIPY分子(NC-BDP, 15).将该结构与一分子二硫键, 两分子的邻硝基苄基通过Passerini反应合成含有一个二硫键和两个邻硝基苯基的分子(SNBDP).疏水的SNBDP可通过二硫诱导自组装形成纳米颗粒(SNBDP NCs).该报道的亮点在于将SNBDP与吲哚菁绿(ICG)相混合, 并自组装形成纳米粒子(ICG@SNBDP NCs)(图 12).结果显示, ICG@SNBDP NCs与单独的ICG, SNBDP NCs相比, 具有更强的光热效率, 且随着ICG的浓度的增加, 光热转化效率增大, 如图 13.这些结果显示了双硫诱导自组装纳米颗粒作为PTT智能光热转化剂的可能.

    图 12

    图 12.  SNBDP合成路线图及其在PTT过程中的原理示意图
    Figure 12.  Schematic illustration of the self-assembly, disassembly and celluar uptake of SNBDP NCs

    图 13

    图 13.  肿瘤区域温度-时间变化图
    Figure 13.  Heating curves of the ICG@SNBDP NCs and free ICG under NIR laser irradiation with different concentrations

    Kang和Sharker等利用BODIPY的荧光成像优势, 将其应用于体内外光热治疗中. Sharker等[27]将BODIPY、邻苯二酚连接到甲基丙烯酸二甲胺乙酯PgP上, 形成C/B-PgP.之后, 将C/B-PgP、聚(3, 4-乙基二氧噻吩)(PEDOT)、聚(4-苯乙烯磺酸盐-共马来酸) (D-PSM)连接到氧化石墨烯rGO上形成光热转化剂(图 14). Kang等[28]采用甲基丙烯酸二甲氨基乙酯衍生物DMA-CO- NIPAAm将BODIPY分子、染料IR825、磺酸内酯连接在一起, 形成光热转化剂, 如图 15.通过实验数据可以得知, 当转化剂中同时含有IR825, BODIPY时, 其光热转化率最大, 肿瘤治疗效果最佳(图 16).

    图 14

    图 14.  基于氧化石墨烯光热转化剂制备过程及作用原理示意图
    Figure 14.  Schematic illustration of the preparation and principles of hybrid photothermal agents based on organic PEDOT

    D-PSM and fluorescent polymeric composite C/B-PgP anchored rGO/[PEDOT: D-PSM]: C/B-PgP

    图 15

    图 15.  制备zwitterionic IR825/BOD-PDNS纳米颗粒原理图
    Figure 15.  Schematic illustration for the preparation of zwitterionic IR825/BOD-PDNS nanoparticles activated in response to near infrared (NIR) light exposure

    图 16

    图 16.  (a) 时间-温度变化曲线(对照组, IR825+NIR, IR825-BOD/PDNS+NIR)和(b)治疗天数-肿瘤体积变化曲线(对照组, IR825+NIR, IR825-BOD/PDNS+NIR)
    Figure 16.  (a) temperature elevation curve from localized intra-tumorally administered PBS (control), free IR825, and IR825/ BOD-PDNS nanoparticles into tumor bearing nude mice, (b) time-dependent tumor growth rate

    光声成像是指光热转化剂(显影剂)在脉冲激光的照射下, 将光能转化成热能, 引起组织局部轻微变热进而产生热弹性扩张.通过检测这种瞬态的热弹性组织扩张产生的压力波(即超声波)而达到成像目的的一种技术为肿瘤的诊治提供有力依据, 如图 17[29].

    图 17

    图 17.  光声成像作用机理图
    Figure 17.  Photoacoustic imaging mechanism diagram

    光声成像(PAI)作为一种无创成像技术, 是一种非常有潜力的医学诊断、治疗的成像方法.光声成像将超声成像的高分辨率和深组织穿透性与光学成像的高对比度结合起来, 这些特性使PAI成为活体动物成像的有力工具, 而非单纯的光学成像方法[30].

    以下按照BODIPY与不同配体的结合方式, 将以BODIPY小分子型显影剂和聚合物型显影剂的顺序进行描述.

    光声(PA)传感器已经被开发应用于各种物质的分析, 但将PA分子用于分析深部组织物质的传递和监测仍然是一个未被探索的研究领域. Zhou等[31]合成了四种氮杂Aza-BODIPY分子结构16~19.这四种BODIPY结构在不同溶液中的最大紫外吸收峰均在近红外区域, 且rNOD系列较photoNOD系列发生了红移(约100 nm), 如表 3所示.

    表 3

    表 3  四种BODIPY分子的在不同溶液中的最大紫外吸收峰
    Table 3.  Maximum ultraviolet absorption peak in different solution
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    Species λ/nm
    Chloroform Aqueous buffer
    rNOD-1 (16) 733 746
    rNOD-2 (17) 745 762
    photoNOD-1 (18) 681 677
    photoNOD-2 (19) 678 691

    Frenette等[32, 33]合成了含有双苯乙烯基的BODIPY分子(MeOPh)2BODIPY (20)以及含有苯乙烯二茂铁的BODIPY分子Fc2BODIPY (21).光学和光声Z扫描实验对分子进行了光学和光声表征.结果表明, 与单纯的BODIPY分子相比, (MeOPh)2BODIPY表现出作为高效PAI显影剂的潜力.究其原因, 原BODIPY分子的3, 5位的甲基被双苯乙烯基通过Knoevanagel反应所取代, 这增大了该分子的自由度及共轭程度, 有效地促进了激发电子从激发态S1到基态S0的非辐射跃迁, 进而提高了PA信号的强度.将(MeOPh)2BODIPY和Fc2BODIPY进行对比可知, 荧光强度从0.859降低到0, 同时, 光声响应被放大, 最终达到四倍的增长.究其原因, 苯乙烯二茂铁氧化还原中心的能级排列导致了光诱导电子转移中BODIPY荧光完全猝灭.

    Ni等[34]近期报道了一类萘熔融BODIPY二聚体分子(Na-BD, 22).该报道发现将给电子基团连接到合适的位置后, 能有效激活融合位点, 促进环化, 进一步研究了电子结构对环脱氢过程的影响.与ICG相比, Na-BD显示出更好的光稳定性和更高的光声活性.之后, 该课题组将Na-BD包覆在牛血清蛋白纳米颗粒(BSA NPs)中, 通过EPR效应在肿瘤部位累积.活体实验证明该显影剂具有优良的PAI效果.

    Ni等[35]还设计合成了4种新型的推拉型BODIPY分子结构23~26, 分子meso位被甲酸甲酯所取代.其中分子23, 25的3, 5位具有苯基间隔结构, 24, 26的3, 5位具有噻吩间隔的结构.由于分子内电荷转移特性强, 它们在NIR区域表现出很强的吸收能力.四种分子结构的紫外最大吸收峰如表 4所示.

    表 4

    表 4  BODIPY分子23~26的最大吸收波长
    Table 4.  Maximum absorption of BODIPY 23~26
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    BODIPY 23 24 25 26
    最大吸收波长/nm 738 747 820 795

    通过对比可以看出, 具有更多富电子噻吩间隔的染料2526比带有苯基间隔的染料2324具有更大的最大紫外吸收波长, 这可能是分子内电荷转移较强的结果.此外, 以ICG为对照, 测量4种不同结构BODIPY在不同浓度下的光声强度(图 18).结果表明, 在同一浓度下, BODIPY 23~26较ICG而言具有更强的光声强度, 其中BODIPY 26具有最强的光声强度.究其原因, BODIPY 26具有更多的富电子噻吩结构, 从而加强了其光声强度.将疏水的BODIPY 26分子用双亲性的牛血清蛋白包覆, 形成纳米粒子(BSANPs).包覆染料后, 牛血清蛋白纳米颗粒的尺寸由51.3 nm增加到145 nm. BSANPs具有统一的球状结构以及平滑的表面, 且其最大吸收峰位于800 nm附近, 这与BODIPY 4的性质相吻合.

    图 18

    图 18.  BODIPY分子23~26及ICG浓度与PA强度关系图
    Figure 18.  Concentration dependent photoacoustic intensity of 23~26 and ICG

    Liu等[36]开发过一种检测过氧化氢的脂质体纳米探针, 用于治疗炎症和肿瘤光声成像.由于受到生物体内各种环境因素干扰, 其吸收“开启”效应只能提供单一通道的PA信号输出.受启发于该纳米探针, Liu等[37]首先制备出Aza-BODIPY分子(27).后将寡聚乙二醇(OEG)或脂肪醇(Alk)连接到Aza-BODIPY分子上(28, 29).通过分子自组装形成纳米粒子, 提高亲水性.通过监测两个或两个以上吸收带的信号强度变化并计算比值来实现精确的定量诊断.据此原理研制了一种新型近红外吸收探针, 该探针可与H2O2进行反应, 致使探针中的BODIPY分子发生断裂, 通过断裂前后BODIPY分子光声成像的差异定量的检测H2O2的含量, 并将其应用在了活体小鼠体内.

    Miki等[38]通过简易共轭法设计合成出两类Aza- BODIPY分子PPAB和TAB.然后将其与聚乙二醇修饰的透明质酸进行自组装形成纳米颗粒PPAB-HA-PEG和TBD-HA-PEG(图 19).将一系列的光学实验结果与传统的造影剂ICG进行性能对比后发现: PPAB-HA-PEG, TBD-HA-PEG产生的光声信号, 比市售的ICG强1.49~1.83倍, 同时TBD-HA-PEG比PPAB-HA-PEG具有更强的PA信号.究其原因: PA信号强度与物质的弹性模量和体积膨胀系数成正比. PPAB和TBD之间PA信号产生的差异可能是由于TBD能够产生具有高弹性模量的聚集体而引起的.因为聚乙二醇化的TBD衍生物在稀释条件下能够自组装, 形成更稳定的纳米颗粒, 产生比PPAB更有效的PA信号.纳米颗粒PPAB-HA-PEG和TBD-HA-PEG的出现为双BODIPY共轭分子在光声成像的应用中提供了新的思路.

    图 19

    图 19.  纳米颗粒PPAB-HA-PEG和TBD-HA-PEG在PAI过程中作用原理图
    Figure 19.  Schematic illustration of PAI process of nanoparticles of PPAB-HA-PEG and TBD-HA-PEG

    肿瘤组织中的低氧环境使得单一的光动力治疗难以将其完全治愈.而对于单一的光热治疗, 光热剂分布不均匀等问题导致光热转换效率低下, 残留的肿瘤细胞可迅速产生耐热性, 导致治疗癌症的光热疗法失败[39].

    为解决上述问题, 开发不同治疗方式相结合的新策略成为一种新的肿瘤治疗思路, 协同治疗应运而生(如PDT & PTT协同治疗).在协同作用下, 光热剂产生热, 克服肿瘤的低氧状态, 提高光动力治疗效果; 光敏剂能杀死变异的热免疫肿瘤细胞, 提高光热治疗效果.基于该设想, 许多研究者开始着手将各种不同的肿瘤治疗方法相结合形成协同治疗, 同时辅以成像诊断技术, 达到更好的治疗效果[40].

    根据不同的诊疗结合方法, 分别按照PDT & PTT, PDT/PTT & PAI, PDT/PTT & CHEM来进行分类并描述.

    Zhao等[39]设计合成了4种氮杂BODIPY分子30~33.其中分子31~33中吡咯环的2, 6位分别被卤素原子氯、溴、碘所取代, 如图 20(a).其中, 33具有良好的光动力性能(33的单线态氧产率是32的1.57倍)和光热效应(比32高1.3 ℃), 如图 20(a), 由此可见, 与氯、溴相比, 在吡咯环中引入碘原子能够更有效地提高单线态氧量子产率及光热转化率.将分子33 (B4)与DSPE- mPEG5000聚合物通过自组装制备了具有良好生物相容性的IABNs纳米粒子, 如图 20(a). IABNs具有优异的光稳定性且光动力效应强, 光热转换效率高(34.8%).此外, IABNs的强荧光发射使其适合于体内荧光成像引导下的肿瘤治疗(最大吸收峰678 nm, 最大发射峰712 nm).实验表明, IABNs在NIR荧光成像和光热成像引导的协同光热和光动力学治疗下, 成功地治愈了Hela荷瘤小鼠, 具有广阔的临床应用前景.

    图 20

    图 20.  分子30 (B4)的自组装过程中PDT/PTT协同治疗过程示意图(a)以及DPBF的降解、溶液中温度与时间的关系图(b)
    Figure 20.  NIR fluorescence imaging and photothermal imaging-guided synergistic PTT/PDT phototherapy (a) and the relationship between time and DPBF, time and temperature differences (b)

    Chen等[41]设计合成出一种溴代Aza-BODIPY分子MeOABBr (34), 该结构的3, 5位被对甲氧基苯基所取代; 1, 7位被3, 4-二甲氧基苯基所取代.将MeOABBr与聚乙二醇-氨基(PEG-NH2)、聚乙二醇-三苯基(PEG- TPP)、聚乙二醇-叶酸(PEG-FA)通过自组装形成具有肿瘤 & 线粒体双靶向性的两亲性纳米粒子FMAB NPs(图 21).

    图 21

    图 21.  FMAB NPs用于多模态成像制导PDT/PTT示意图
    Figure 21.  Schematic illustration of FMAB NPs for multimodal imaging guided PDT/PTT

    该纳米粒子在近红外区域具有较宽的吸收峰(690~735 nm)以及由于低荧光量子产率而引起的微弱的荧光带(735~850 nm, 最大峰在775 nm).此外, MeOABBr具有优良的单线态氧量子产率(84%).同时, FMAB NPs纳米粒子具有高的光热转化率(40%), 使得FMAB NPs成为深组织治疗和体内荧光成像协同治疗的一种性能优良光敏剂.

    Liu等[42]设计合成出一类碘代Aza-BODIPY分子结构(图 22).该BODIPY的1, 7位被聚乙二醇连接形成分子IABDP.该分子在近红外区域存在吸收峰(643 nm), 且由于重原子效应导致荧光猝灭.后通过自组装形成纳米粒子IABDP NPs(图 22).该纳米粒子具有较高的稳定性.在低功率光照射下, 表现出突出的PDT治疗效率(96%), 在提高辐照功率的同时, 展现出良好的PTT转化率(54%).此外, 通过PDT/PTT协同作用, 可使Hela和HepG 2细胞受到严重损伤, 对肿瘤有明显的抑制作用.该报道的创新点在于将亲水性基团直接通过化学键连接在Aza-BODIPY上, 形成两亲性Aza-BODIPY分子, 通过该分子自组装形成纳米粒子, 而未引入其他聚合物.这让该纳米粒子能充分接触肿瘤组织而不会受到干扰, 这使得纳米粒子IABDP NPs的单线态氧量子产量及光热转化率较为突出.

    图 22

    图 22.  IABDP及其自组装过程及其PDT/PTT协同肿瘤治疗过程示意图
    Figure 22.  Structure of IABDP and its Self-assembly nanoparticles in PDT/PTT process

    Lu等[43]报道了一种低氧环境下的光依赖性衰减剂, 用于准确的磁共振成像(MRI)和低氧环境下肿瘤的光治疗.首先合成BODIPY分子DBA (35). DBA的3, 5位与对甲氧基苯乙烯基相连, meso位连接5-(苄氧基)间苯二甲酸二乙酯.而后将BODIPY分子与PdpaMn通过氢键相连自组装构成感光型Mn-DBA纳米组装体.然后用牛血清白蛋白(BSA)组装, 用聚乙二醇-叶酸(PEG-FA)修饰, 形成具有主动靶向性的Mn-DBA@BDA-PF纳米组装物(图 23).该纳米粒子能提供精准的T1磁信号, 并能在红色发光二极管(LED)光照射下, 随着O2和热的产生, 催化水的氧化反应.此外, 利用清晰的T1磁共振成像(MRI)信号, 选择性地穿透肿瘤组织并在肿瘤组织中积累, 在体内显著消除肿瘤的同时, 对正常机体几乎没有影响.纳米粒子在酸性环境中释放的Mn(Ⅱ)配合物以及体内的生物分布结果证实了其靶向选择性.该报道证明了该纳米粒子具有作为优良热敏剂(17.9%)与光治疗相结合的磁共振成像的潜力.

    图 23

    图 23.  Mn-DBA@BSA-PF NPs的制备过程及PDT/PTT协助治疗原理图
    Figure 23.  Schematic illustration of the fabrication of Mn-DBA@BSA-PF NPs

    Zou等[44]设计并合成三种含不同数量二乙基氨基苯基的BODIPY分子BDPmPh (36), BDPbiPh (37)和BDPtriPh (38).其吸光度易于控制, 可轻易实现可调控的组织穿透深度.此外, 设计的光敏剂中的二乙胺基可作为溶酶体低pH触发的质子受体, 提高光动力疗法和光热疗法的疗效.体外研究表明, BDPtriPh NPs(半数最大抑制浓度, IC50 4.16 mm)的超低药物剂量远低于BDP- mPhNPs (50.09 mm)和BDPbiPh NPs (22.4 mm), 表明二乙基氨基苯基的数量对肿瘤治疗效果具有积极影响.体内荧光显像显示, 三种NPs可通过EPR效应被动靶向于肿瘤部位, 其中BDPtriPh NPs的累积速度最快(累计所需时间约4 h), 而BDPmPh NPs与BDPbiPh NPs的累计所需时间分别为8和6 h.这证明了BDPbiPh NPs具有更优良的肿瘤诊疗效果.体内光治疗表明, 具有最长NIR吸收度(813 nm)和最高光热转换效率(60.5%)的BDPtriPh NPs能有效抑制肿瘤生长, 减少对正常组织的副作用.本研究为光敏剂在临床上的渗透深度可调和pH依赖性PDT/PTT协同治疗提供了一种新的策略.

    Ye等[45]设计合成了三类BODIPY分子39~41:单体BODIPY (mono-BDP)与二聚BODIPY (di-BDP)或三聚BODIPY (tri-BDP). mono-BDP与di-BDP或tri-BDP的共轭耦合导致荧光向非辐射跃迁转换的比例增加, 辐射跃迁明显减少, 吸收波长发生红移进入NIR区(756, 794 nm).然后将BODIPY分子与聚乙二醇114-b-聚己内酯60自组装形成三类纳米粒子: mono-BDP-NPs、di-BDP- NPs以及tri-BDP-NPs(图 24).其中di-BDP-NPs和tri-BDP-NPs在近红外光照射下分别表现出较好的光热转化效率(32.2%, 45.2%)和单线态氧量子产率(25%, 18%).特别是具有宽共轭结构的tri-BDP-NPs, 在785 nm光照射下能产生中等单线态氧量子产率(18%)和较好的光热效应(45.2%), 实现肿瘤的消融.此外, 这种方法可避免在传统策略中因使用重原子(如I、Br和Pt)而引起的安全问题.这种方法的提出, 与采用光治疗的供体-受体型共轭大分子的复杂设计相比, 更易于合成具有可调谐光转换的强效耦合光敏剂CPs.这种方法在制备具有明显红移吸收的高效光敏剂方面显示出新的潜力, 为肿瘤精准光治疗提供一个有价值的范例.

    图 24

    图 24.  mono-BDP-NPs, di-BDP-NPs和tri-BDP-NPs模拟图以及PDT/PTT协同治疗过程原理示意图
    Figure 24.  Nanoparticles of mono-BDP, di-BDP, tri-BDP and cooperative phototherapy of tri-BDP-NPs against tumor cells through PTT/PDT treatments under light exposure

    Gawale等[46]合成和表征了4种新型的Aza-BODIPY染料分子42~45.它们的1, 7位均与N-乙基咔唑连接, 而3, 5位分别与苯或对溴苯基连接.此外, 分子44, 45被碘取代. 42~45的光学性质总结如下表 5.可以得知, 42~45的吸收光谱均在近红外区域, 原因在于分子中N-乙基咔唑的存在使发生红移.分子44, 45的最大发射波长较42, 43而言发生了蓝移(约70 nm).究其原因:所引入的碘原子具有较大的电负性, 使得最大紫外吸收峰波长变小.此外, 这些染料在(3~4)×104 L·mol-1·cm-1范围内具有较强的摩尔吸光系数, 且荧光量子产率较低.这些Aza-BODIPY分子的独特之处在于它们具有高效的三重态量子产率、高的单重态产氧率和良好的光稳定性.其中, 分子44, 45的单重态产氧率分别为70%和60%, 远远大于分子42, 43的产率(1%).由此可见得重原子对于单线态氧产率的积极影响.此外, 通过体外深层组织成像观察了分子42与血清相比具有更清晰的PA信号, 从而证实了其作为一种优良的光声对比剂及PDT光敏剂的应用潜力.

    表 5

    表 5  42~45的性能总结
    Table 5.  Summary of maximum absorption of 42~45
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    BODIPY 42 43 44 45
    最大吸收波长/nm 705 723 653 649
    最大发射波长/nm 818 820 815 830
    荧光量子产率/% 22 3 3 32
    单线态氧量子产率/% 1 1 70 61

    Tang等[47]近期设计合成了碘、溴双取代的BODIPY分子(46), 该分子1, 7位连接对甲氧基苯基; 3, 5位连接对溴苯基; 2, 6位被碘原子取代.将该BODIPY与双亲性的DSPE-mPEG2000通过脱水缩合反应相结合后, 自组装形成纳米粒子IABDP NPs.该纳米粒子在近红外区域有强烈的吸收峰(721, 772 nm)和发射峰(694, 733, 829 nm), 且展示出高的单线态氧量子产率(92%)与光热转化效率(37.9%)以及优良的光声响应效果.通过EPR效应在肿瘤组织累积后, IABDP NPs可以作为光声(PAI)和光热成像(PTI)引导下的光动力(PDT)/光热(PTT)的常用试剂(图 25).

    图 25

    图 25.  氙灯辐照下IABDP NPs在PAI/PTI引导下的PDT/PTT协同治疗示意图
    Figure 25.  Schematic illustration of PAI and PTI guided PTT/PDT synergistic phototherapy with Xenon lamp irradiation using IABDP NPs

    Tang等[48]通过在Aza-BODIPY (NAB)上引入一个pH敏感受体(二甲基氨基苯基), 合成了一种pH敏感光敏剂(NAB, 47).弱酸环境下, 二甲氨基苯基中的氮原子被逐步质子化, 形成NAB1H (48), NAB2H (49)(图 26).其最大吸收峰及发射峰如表 6所示.可以得知, NAB1H和NAB2H较NAB而言均发生蓝移.原因在于N原子轨道半径较小, 质子化后, 电子跃迁到低能轨道时, 释放出能量, 发生蓝移.通过两亲性聚合物DSPE- mPEG2000包覆疏水NAB2H, 得到了具有强近红外吸收(792 nm)的纳米粒子(NAB NPs). NAB NPs可选择性地累积在肿瘤细胞的溶酶体中, 并在弱酸性环境中得以活化, 得到较高的单线态氧量子产率以及较强的光热效应(67.8%).在体内, pH增强的光声成像(PAI)和光热成像(PTI)证实NAB NPs可以选择性地聚集在肿瘤中, 并且通过协同光疗(光动力学和光热疗法, PDT/PTT)有效地抑制肿瘤的生长.此外, 根据药物动力学实验得到的PAI信号和末端消除半衰期(T1/2)显示Nab NPS可以被快速代谢.该pH敏感的NAB NPs为PAI, PTI成像指导下的PDT/PTT协同治疗提供了一种新的可能性, 如图 27.

    图 26

    图 26.  pH变化诱导NAB质子化的预期过程
    Figure 26.  Expected protonation mechanism of NAB protonation induced by pH change

    表 6

    表 6  分子47~49的性能
    Table 6.  Summary of maximum absorption of 47~49
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    分子 47 48 49
    最大吸收波长/nm 792 542, 743, 946 553, 670, 946
    最大发射波长/nm 838 723 608

    图 27

    图 27.  氙灯照射下pH敏感NAB NPs的PAI和PTI引导PTT/ PDT协同诊疗示意图
    Figure 27.  Schematic illustration of pH-sensitive NAB NPs for PAI and PTI guided PTT/PDT synergistic therapy with Xenon lamp irradiation

    Xiao等[49]合成了一种含2-吡啶酮的Aza-BODIPY型光敏剂BDY (50), 在光照条件下, 吡啶酮被过氧化形成含有内过氧桥的吡啶酮内过氧化物BDY-EPO (51); 无光照时, BDY-EPO可释放单线态氧从而还原成BDY.之后, BDY又可继续在光照条件下转化为BDY-EPO, 如此循环, 使得该光敏剂具有连续生成单线态氧的能力, 如图 28.该过程中单线态氧量子产率高达90%.采用自组装制备多功能水溶性BDY NPs纳米粒子, 其光热转化效率为35.7%, 具有优良的1O2生成能力.在光照和非光照条件下, 2-吡啶酮分子与其内过氧化物形成可逆转化, 具有连续的1O2生成能力.同时, BDP NPs通过EPR效应和光声成像(PAI)能力, 显示出优良的肿瘤靶向性.该光热协同下的可持续光动力治疗能高效的抑制肿瘤的生长(抑制率93.4%).

    图 28

    图 28.  BDY, BDY-EPO化学结构式及连续释放1O2原理示意图
    Figure 28.  Structures of BDY, BDY-EPO and illustration for continuous 1O2 release model

    Hu等[50]设计合成出3, 5位连接4-(二乙基氨基)苯乙烯基, 2, 6位连接1-叔丁基-4-乙炔苯结构的BODIPY分子bis-styryl BODIPY (52).该分子含有大量共轭结构, 使其在近红外区域有强烈的吸收峰(760 nm).然后将bis-styryl BODIPY与生物可溶性的脂质体DSPE- mPEG5000通过自组装形成纳米颗BODIPY NPs(最大吸收峰775 nm), 如图 29.该溶酶体靶向的有机纳米粒子在微酸环境中释放大量单线态氧, 且在超低纳秒脉冲激光剂量下表现出高性能的溶酶体PAI, 是一种性能优良的酸性纳米光敏剂.

    图 29

    图 29.  溶酶体靶向BODIPY NP的制备及其在PAI和可pH激活PDT中的应用
    Figure 29.  Schematically illustrating the fabrication of lysosome-targeting BODIPY NP and their use in lysosomal PAI and pH-activatable PDT under NIR-light

    Chen等[51]设计合成了一种近红外光敏剂碘代Aza- BODIPY分子(53).该分子3, 5位连接对氰基苯基, 1, 7位连接3, 4-二甲氧基苯基.该BODIPY分子的最大吸收峰在近红外区域(680 nm), 且具有高的单线态氧量子产率(82%).将阿霉素(DOX)与聚乙二醇苯甲醛(PEG- CHO)缩合反应得到的Schiff碱作为聚合物基质, 包覆Aza-BODIPY, 制备了亲水性纳米粒子(DAB NPS).在辐照条件下, DAB NPS具有较高的单线态氧量子产率和良好的光热转换效率(38.3%).且该纳米粒子可在生物体内进行荧光和光热成像, 成像结果表明DAB NPs可以在肿瘤组织中定向累积.同时, 肿瘤组织的微酸环境能诱发Schiff碱中的HC=N键断裂, 致使纳米粒子中的抗肿瘤药物DOX释放, 进而增强该纳米粒子对于肿瘤的化学主动靶向治疗效果, 如图 30.与单独的DOX相比, 该纳米粒子通过PDT, PTT, CHEM的协同治疗手段, 能更高效地抑制肿瘤的生长.

    图 30

    图 30.  DAB NPs用于荧光和光热成像引导的多模癌症治疗示意图
    Figure 30.  Schematic illustration of DAB NPs for fluorescence- and photothermal-imaging-guided multimodal cancer therapy

    He等[52]设计合成了碘代且meso位含有饱和脂肪醇的BODIPY分子(图 31).然后与聚合囊泡PEG45-PCL60- PNIPAM33自组装形成具有波长依赖性的光转换聚合物小泡(PDT 660, PTT 785 nm). BODIPY分子在高载药量的聚合物囊泡内组装后, 以J型和H型构象聚集在一起, 从而导致吸收波长红移到近红外区(770 nm), 且具有超低辐射跃迁以及理想的抗光漂白等性能.这些囊泡还具有更强的血液循环, 较好的肿瘤蓄积能力, 以及优良的细胞摄取能力.特别是在660 nm照射下, 囊泡能产生丰富的细胞内单线态氧(52%); 在785 nm照射下, 主要通过单线态氧协同光热坏死对肿瘤部位进行热疗(PDT 5.7%, PTT 29%).该方法为荧光染料在波长依赖性光诱导肿瘤治疗中的光转换特性调整提供了一种简便、通用的策略.

    图 31

    图 31.  碘代BODIPY分子结构及其与聚合囊泡PEG45-PCL60-PNIPAM33组装过程示意图
    Figure 31.  Structure of designed BODIPY and Schematic illustration of self-assembling with polymeric vesicles

    Ramu等[53]设计合成出两类含有抗肿瘤药物顺铂的BODIPY分子54, 55(图 32).由于多种肿瘤中葡萄糖转运蛋白过度表达, 故通过在配体上附加糖基, 可以保证肿瘤细胞对这些复合物的更高摄取, 从而提高分子对于肿瘤的靶向性.故BODIPY (55)中葡萄糖分子被连接在顺铂上以提高分子的主动靶向性.这两类BODIPY分子在近红外区域具有最大吸收峰和发射峰如表 7所示.且BODIPY分子54, 55均具有优良的单线态氧量子产率(57%, 58%).同时, 与BODIPY 54相比, BODIPY 55在肿瘤细胞中显示出较高的细胞摄取率, 这证实了葡萄糖单体对于肿瘤细胞的主动靶向性.这些性质为PDT, 化学治疗的肿瘤协同治疗方法提供了思路.

    图 32

    图 32.  含顺铂BODIPY分子5455化学结构
    Figure 32.  Chemical structures of the platinum complexes 54 and 55

    表 7

    表 7  分子5455的性能总结
    Table 7.  Summary of maximum absorption of 54 and 55
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    分子 BODIPY 54 BODIPY 55
    最大吸收波长/nm 713 715
    最大发射波长/nm 822 825
    单线态氧量子产率 57% 58%

    Wang等[54]合成了一种3, 5位连接N, N-二甲基苯乙烯基, meso位连接对苯氨基的BODIPY分子BDP (56).由于肿瘤组织中谷胱甘肽(GSH)浓度约为正常组织的4倍, 且有助于细胞内药物的释放.故将BDP与PDG-SS连接, 形成对GSH敏感的两亲NIR BODIPY染料(PEG- SS-BDP). PEG-SS-BDP中含有二硫键, 通过自组装可以在水中形成稳定的纳米颗粒PEG-SS-BDP NPs (57).其在水中的最大吸收峰为730 nm, 较PEG-SS-BDP分子而言, 在DCM中的最大吸收峰产生了约为30 nm的红移.通过测定NPs的光热性质, 验证了PEG-SS- BDP NPS具有良好的光稳定性, 且随着PEG-SS-BDP NPS浓度的增加, 升温速率加快, 表现出浓度依赖性的光热效应, 光热转化率为49.9% (808 nm激光辐射).此外, 该纳米粒子还可用于肿瘤药物的传递.同时, 氧化还原敏感的二硫键可诱导PEG-SS-BDP NPS的解离, 促进荧光生物成像, 如图 33.总的来说, PEG-SS-BDP纳米粒子作为一种可载药的热敏纳米粒子, 可用于PTT光热治疗、CHEM化学治疗、FI荧光成像和PAI光声成像的肿瘤协同治疗.大体上证实了光热治疗化学治疗与影像学相关的肿瘤治疗方法.

    图 33

    图 33.  PEG-SS-BDP NPs的结构及其在生物体内外作用机理示意图示意图
    Figure 33.  Schematic of PEG-SS-BDP NPs and main function in vitro and in vivo of PEG-SS-BDP NPs

    Guo等[55]设计合成出一种BODIPY分子结构PEGylated Bodiplatin, 如图 34.该BODIPY分子meso位连接顺铂, 3, 5位连接聚乙二醇.自组装后形成具有双功能的纳米粒子Bodiplatin-NPs. BODIPY分子及其纳米粒子在近红外区域存在强烈的吸收峰(680 nm), 表现出突出的PDT (28%, 34%)和PTT (27%, 37%)效率.该纳米粒子为肿瘤的PDT、PTT、CHEM协同治疗以及荧光成像奠定了基础.

    图 34

    图 34.  PEGylated Bodiplatin分子结构及其自组装纳米粒子
    Figure 34.  Structure of PEGylated Bodiplatin and Schematic illustration of self-assembled nanoparticles

    Zhou等[56]报道了两类以BODIPY为基础, 通过配位驱动自组装形成的超分子三角形结构5859.其中铂受体为毒性化疗药物, BODIPY供体为成像探针和光敏剂.此外, BODIPY荧光载体作为一种优良的光敏剂, 使金属环成为光动力疗法(PDT)和化疗协同治疗的平台.体外研究表明, PDT与化疗的结合具有良好的协同作用, 且金属环的形成提高了其抗癌效果(对抗Hela细胞综合指数CI: 0.56; 0.48).更重要的是, 自组装BODIPY-铂超分子三角形结构为荧光成像引导肿瘤治疗提供了一个很有潜力的平台, 如图 35.

    图 35

    图 35.  超分子三角结构5859在细胞内的PDT示意图
    Figure 35.  Illustration of the Cellular Uptake and PDT process of nanoparticles prepared from 58 and 59

    通过以上报道可以得出, 在肿瘤治疗过程中, BODIPY及其衍生物的化学结构和所连配体对肿瘤治疗的效果影响较大.

    为了提高生物组织穿透能力、单线态氧量子产率及光热转化率, 达到高效治疗肿瘤的目的.通常采用以下3种方法对BODIPY及其衍生物的化学结构进行修饰.

    提高生物组织穿透能力:通过Aza-BODIPY的设计使光敏剂的最大吸收峰和发射峰发生红移至近红外区域, 进而提高其生物组织穿透能力; 通过在吡咯环上连接共轭基团, 例如苯乙烯基、苯乙炔基、噻吩基、或形成超分子三角结构等, 增大分子的共轭程度, 从而使最大吸收峰和发射峰发生红移; 将分子设计为推拉结构, 以增大电子的离域性, 发生红移; J-typeH-type分子构象型的BODIPY聚集产生明显的π-π相互作用, 发生红移.

    提高单线态氧量子产率:在BODIPY中引入重原子, 利用重原子效应, 提高单线态氧量子产率; 采用双光敏剂正交的方法(例如双BODIPY光敏剂, BODIPY & DPP光敏剂), 促进激发态到三重态的有效转化, 从而提高单线态氧量子产率; 采用内过氧化物的可逆转化性能, 在光照、黑暗条件下循环连续的生成单线态氧, 从而提高单线态氧量子产率.

    提高光热转化率:共轭耦合导致荧光向非辐射跃迁转换的比例增加, 辐射跃迁明显减少, 从而提高光热转化率; 引入重原子, 通过分子聚集增大荧光减弱, 猝灭的概率, 从而提高光热转化率; 将BODIPY与其他染料分子, 例如IR825, ICG等, 混合掺入聚合物中, 提高光热转化率; 通过分子内诱导电子转移(PET)致使荧光发生猝灭, 从而提高光热转化率.

    为提高BODIPY及其衍生物的水溶性、生物相容性及靶向性等性能, 通常将分子制备成粒径合适的两亲性纳米颗粒, 常用采用以下2种方法.将分子与功能性多肽(酸敏感, 携氧)自组装形成纳米粒子; 与聚合物(硬质磷酸酯-聚乙二醇DSPE-PEG; Schiff碱、聚乙二醇-聚己内酯MOF、聚合物囊泡、牛血清蛋白、氧化石墨烯、介孔硅材料MSNs等)通过自组装或纳米沉淀形成纳米粒子.

    综上所述, 从结构简单的BODIPY小分子到具备各种功能的BODIPY聚合物型光诊疗剂, BODIPY在肿瘤光诊断和治疗中的应用越来越广泛.协同诊疗是近几年来公认的最具有发展前景的肿瘤诊疗手段.设计并合成出同时具有高单线态氧量子产率、高光热转化率、较强的主动靶向能力及生物组织穿透能力的光诊疗剂是实现肿瘤诊疗一体化的关键.虽然目前已被设计合成的BODIPY光诊疗剂还未进入临床应用阶段, 但它特有的光学性质注定了其在肿瘤光诊疗领域中的广阔前景.

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  • 图 1  光敏剂工作原理

    Figure 1  Mechanism diagram of photosensitizers in PDT

    A photosensitizer (PS) can be activated from its ground state to a short-lived excited singlet state (PSEs) by light. Then, either the excited PS may decay back to the ground state by emitting fluorescence, or it can undergo intersystem crossing whereby the spin of its excited electron inverts to form a relatively long-lived triplet state (PSEt). The triplet excited PS can also decay back to the ground state by emitting phosphorescence, but most importantly it can directly interact with surrounding substrates (e.g., cell membrane or other biomolecules) to form radicals, which then react with O2 to produce reactive oxygen species (ROS), such as superoxide anion radicals (O2-), hydroxyl radicals (.OH), and hydrogen peroxides (H2O2, type Ⅰ reaction). Alternatively, the energy of the excited PS can be directly transferred to 3O2 (itself a triplet in the ground state) to form 1O2 (type Ⅱ reaction)[6]

    图 2  D-A-D结构及其作为光敏剂在PDT过程中的原理示意图

    Figure 2  Illustration of the D-A-D structured DPPBDPI NPs with enhanced 1O2 QYs and fluorescence as theranostic agent for PDT

    图 3  BODIPY作为光敏剂在PDT过程中的示意图

    Figure 3  Illustration of BODIPY act as photosensitizers

    图 4  BDPI结构、多肽PEG-PLys结构、高ROS产率的PEG-PLys@BDPI纳米颗粒的PDT过程示意图

    Figure 4  Structures of BDPI, peptide PEG-PLys, and the schematic illustration of high ROS generation micelles PEG-PLys@BDPI nanoparticles for PDT in vivo

    图 5  光敏剂对肿瘤细胞PDT过程示意图

    Figure 5  Scheme for NIR imaging and PDT on cancer cells

    图 6  DiBDP NPs用于双缺氧标记物成像和可激活PDT示意图

    Figure 6  Schematic illustration of DiBDP NPs for dual hypoxia markers imaging and activatable PDT against tumor

    图 7  UiO-PDT纳米晶体的合成方法及其在PDT中的应用示意图

    Figure 7  Schematic presentation of UiO-PDT nanocrystal synthesis and its application in PDT

    图 8  MOF组装过程

    Figure 8  Schematic illustration of the fabrication of MOF

    图 9  光热治疗机理图

    Figure 9  Photothermal therapy mechanism diagram

    图 10  Aza-BODIPY分子作为光敏剂在PDT过程中的作用原理示意图

    Figure 10  Aza-BODIPY acts as photosensitizer in PDT process

    图 11  MSN-BDP-PEG在PTT过程作用原理图

    Figure 11  Schematic illustration of the synthetic route of MSN-BDP-PEG and its PTT of tumors and NIRF imaging

    图 12  SNBDP合成路线图及其在PTT过程中的原理示意图

    Figure 12  Schematic illustration of the self-assembly, disassembly and celluar uptake of SNBDP NCs

    图 13  肿瘤区域温度-时间变化图

    Figure 13  Heating curves of the ICG@SNBDP NCs and free ICG under NIR laser irradiation with different concentrations

    图 14  基于氧化石墨烯光热转化剂制备过程及作用原理示意图

    Figure 14  Schematic illustration of the preparation and principles of hybrid photothermal agents based on organic PEDOT

    D-PSM and fluorescent polymeric composite C/B-PgP anchored rGO/[PEDOT: D-PSM]: C/B-PgP

    图 15  制备zwitterionic IR825/BOD-PDNS纳米颗粒原理图

    Figure 15  Schematic illustration for the preparation of zwitterionic IR825/BOD-PDNS nanoparticles activated in response to near infrared (NIR) light exposure

    图 16  (a) 时间-温度变化曲线(对照组, IR825+NIR, IR825-BOD/PDNS+NIR)和(b)治疗天数-肿瘤体积变化曲线(对照组, IR825+NIR, IR825-BOD/PDNS+NIR)

    Figure 16  (a) temperature elevation curve from localized intra-tumorally administered PBS (control), free IR825, and IR825/ BOD-PDNS nanoparticles into tumor bearing nude mice, (b) time-dependent tumor growth rate

    图 17  光声成像作用机理图

    Figure 17  Photoacoustic imaging mechanism diagram

    图 18  BODIPY分子23~26及ICG浓度与PA强度关系图

    Figure 18  Concentration dependent photoacoustic intensity of 23~26 and ICG

    图 19  纳米颗粒PPAB-HA-PEG和TBD-HA-PEG在PAI过程中作用原理图

    Figure 19  Schematic illustration of PAI process of nanoparticles of PPAB-HA-PEG and TBD-HA-PEG

    图 20  分子30 (B4)的自组装过程中PDT/PTT协同治疗过程示意图(a)以及DPBF的降解、溶液中温度与时间的关系图(b)

    Figure 20  NIR fluorescence imaging and photothermal imaging-guided synergistic PTT/PDT phototherapy (a) and the relationship between time and DPBF, time and temperature differences (b)

    图 21  FMAB NPs用于多模态成像制导PDT/PTT示意图

    Figure 21  Schematic illustration of FMAB NPs for multimodal imaging guided PDT/PTT

    图 22  IABDP及其自组装过程及其PDT/PTT协同肿瘤治疗过程示意图

    Figure 22  Structure of IABDP and its Self-assembly nanoparticles in PDT/PTT process

    图 23  Mn-DBA@BSA-PF NPs的制备过程及PDT/PTT协助治疗原理图

    Figure 23  Schematic illustration of the fabrication of Mn-DBA@BSA-PF NPs

    图 24  mono-BDP-NPs, di-BDP-NPs和tri-BDP-NPs模拟图以及PDT/PTT协同治疗过程原理示意图

    Figure 24  Nanoparticles of mono-BDP, di-BDP, tri-BDP and cooperative phototherapy of tri-BDP-NPs against tumor cells through PTT/PDT treatments under light exposure

    图 25  氙灯辐照下IABDP NPs在PAI/PTI引导下的PDT/PTT协同治疗示意图

    Figure 25  Schematic illustration of PAI and PTI guided PTT/PDT synergistic phototherapy with Xenon lamp irradiation using IABDP NPs

    图 26  pH变化诱导NAB质子化的预期过程

    Figure 26  Expected protonation mechanism of NAB protonation induced by pH change

    图 27  氙灯照射下pH敏感NAB NPs的PAI和PTI引导PTT/ PDT协同诊疗示意图

    Figure 27  Schematic illustration of pH-sensitive NAB NPs for PAI and PTI guided PTT/PDT synergistic therapy with Xenon lamp irradiation

    图 28  BDY, BDY-EPO化学结构式及连续释放1O2原理示意图

    Figure 28  Structures of BDY, BDY-EPO and illustration for continuous 1O2 release model

    图 29  溶酶体靶向BODIPY NP的制备及其在PAI和可pH激活PDT中的应用

    Figure 29  Schematically illustrating the fabrication of lysosome-targeting BODIPY NP and their use in lysosomal PAI and pH-activatable PDT under NIR-light

    图 30  DAB NPs用于荧光和光热成像引导的多模癌症治疗示意图

    Figure 30  Schematic illustration of DAB NPs for fluorescence- and photothermal-imaging-guided multimodal cancer therapy

    图 31  碘代BODIPY分子结构及其与聚合囊泡PEG45-PCL60-PNIPAM33组装过程示意图

    Figure 31  Structure of designed BODIPY and Schematic illustration of self-assembling with polymeric vesicles

    图 32  含顺铂BODIPY分子5455化学结构

    Figure 32  Chemical structures of the platinum complexes 54 and 55

    图 33  PEG-SS-BDP NPs的结构及其在生物体内外作用机理示意图示意图

    Figure 33  Schematic of PEG-SS-BDP NPs and main function in vitro and in vivo of PEG-SS-BDP NPs

    图 34  PEGylated Bodiplatin分子结构及其自组装纳米粒子

    Figure 34  Structure of PEGylated Bodiplatin and Schematic illustration of self-assembled nanoparticles

    图 35  超分子三角结构5859在细胞内的PDT示意图

    Figure 35  Illustration of the Cellular Uptake and PDT process of nanoparticles prepared from 58 and 59

    表 1  四种BODIPY分子的光学性能总结

    Table 1.  Summary of four BODIPY molecules

    化合物 最大吸收峰 最大发射峰 荧光量子产率 单线态氧量子产率
    4 706 723 0.13
    5 706 723 0.10
    6 685 710 0.02 0.92
    7 685 710 0.02 0.90
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    表 2  四代光热转化材料总结

    Table 2.  Summary of photothermal agents

    材料类型 代表 优点 缺点
    第一代 贵金属纳米颗粒 Au、Ag、Pt 光热转换效率较高 价格昂贵
    第二代 碳类材料 石墨烯、碳纳米棒 较大的光热转换面积 近红外区吸收能力差
    第三代 金属与非金属化合物 CuS、ZnS 处于研究的热潮
    第四代 有机染料物质 吲哚菁绿、氟硼荧类 处于研究的热潮
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    表 3  四种BODIPY分子的在不同溶液中的最大紫外吸收峰

    Table 3.  Maximum ultraviolet absorption peak in different solution

    Species λ/nm
    Chloroform Aqueous buffer
    rNOD-1 (16) 733 746
    rNOD-2 (17) 745 762
    photoNOD-1 (18) 681 677
    photoNOD-2 (19) 678 691
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    表 4  BODIPY分子23~26的最大吸收波长

    Table 4.  Maximum absorption of BODIPY 23~26

    BODIPY 23 24 25 26
    最大吸收波长/nm 738 747 820 795
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    表 5  42~45的性能总结

    Table 5.  Summary of maximum absorption of 42~45

    BODIPY 42 43 44 45
    最大吸收波长/nm 705 723 653 649
    最大发射波长/nm 818 820 815 830
    荧光量子产率/% 22 3 3 32
    单线态氧量子产率/% 1 1 70 61
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    表 6  分子47~49的性能

    Table 6.  Summary of maximum absorption of 47~49

    分子 47 48 49
    最大吸收波长/nm 792 542, 743, 946 553, 670, 946
    最大发射波长/nm 838 723 608
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    表 7  分子5455的性能总结

    Table 7.  Summary of maximum absorption of 54 and 55

    分子 BODIPY 54 BODIPY 55
    最大吸收波长/nm 713 715
    最大发射波长/nm 822 825
    单线态氧量子产率 57% 58%
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  • 发布日期:  2019-07-25
  • 收稿日期:  2018-12-10
  • 修回日期:  2019-01-06
  • 网络出版日期:  2019-07-19
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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