癌症已经成为人类生命健康的重大威胁，其已经夺去许多国家人民的生命。一直以来，人们针对癌症开发了一些治疗手段，包括手术切除、化学疗法及放射疗法，但由于消除不彻底和副作用明显等局限性，临床癌症治疗迫切需要更安全有效的手段。光动力疗法（PDT）因其具非侵袭性、时空选择性、极低副作用等优势，获得人们巨大的青睐。然而，由于氧气是PDT发挥作用的三要素之一，实体肿瘤固有的乏氧微环境，极大地限制了PDT的临床疗效。因此，克服PDT乏氧环境的肿瘤治疗难题，是本领域的重大挑战。最近，报道表明，在PDT中引入光化学疗法和氧阱已经被证明是一种摆脱氧气依赖性和提升抗肿瘤活性的高效策略。
中山大学巢晖教授等人发表了相关成果。他们开发出一种双光子激发的内过氧化铱（III）前体药物2-O-IrAn。其通过协同光动力疗法/光激活化疗（PDT/PACT），有效解决PDT乏氧肿瘤治疗耐药性问题（图1a）。在乏氧情况下，2-O-IrAn能靶向线粒体并以纳摩尔的极低剂量对癌细胞产生光毒性，且其暗毒性低于2-IrAn。针对这种现象，作者进一步研究其产生优异光毒性的作用机理。
图1.(a)2-O-IrAn结构和PDT/PACT机制图示；(b)光照下，2-O-IrAn产生单线态氧，ESRspectra分析；(c)光照下，2-O-IrAn产生烷氧自由基，ESRspectra分析;(d)光照下，2-O-IrAn产生烷基自由基，HPLC-MS分析;(e)光照下，2-O-IrAn与2-IrAn的相互转化；(f)光照下，2-O-IrAn的磷光成像分析。
作者研究了2-O-IrAn在光照下的产物。2-O-IrAn被摄取进入细胞后，在nm光照射下，产生了单线态氧（图1b），这表明，传统的II型机制也存在于2-O-IrAn。但II型机制主要依赖于氧气发挥作用，这难以解释其在乏氧环境依然保持喜人的疗效，因此可能存在其他作用机制。作者使用5,5-二甲基-1-吡咯啉N-氧化物（DMPO）作为自由基捕获剂，在双光子近红外光照射下，对其成分进行分析。ESRspectra显示烷氧自由基（细胞毒性物质）特征信号（图1c），串联质谱中同样出现烷氧基物种峰值（m/z=）(图1d)。这均表明2-O-IrAn可光解产生烷氧自由基。同时，在乏氧条件下光照十分钟后，使用HPLC-MS技术分析，显示保留时间及m/z发生变化，这表明大部分的2-O-IrAn在光照下可转化成2-IrAn（图1e）。随后，在乏氧情况下光辐照9分钟后，进行磷光寿命成像，发现磷光寿命从～降为~ns，同时观察到电池内的发射信号减少（图1f），这也辅证了2-O-IrAn向2-IrAn转化的事实。因此，在乏氧情况下，合适的光照能使2-O-IrAn光降解并生成单线态氧、烷氧自由基以及2-IrAn，即同时产生PDT/PACT效应，从而表现出优异的肿瘤细胞杀伤力。
作者进一步研究了2-O-IrAn的体内外抗肿瘤活性。作者将2-O-IrAn与2-IrAn的活性进行对照，发现在乏氧条件下光照后，2-IrAn失去杀伤肿瘤细胞能力，而2-O-IrAn无论是常氧还是乏氧条件，均表现出高度光毒性。值得注意的是，2-O-IrAn在乏氧条件下的光毒性数据甚至达到IC50，nm=60nM，PI=.3。为研究2-O-IrAn在乏氧实体肿瘤中的活性，作者接着进行了AD多细胞肿瘤球体及动物体内抗肿瘤活性研究。在两种波长光照下，乏氧肿瘤模型AD多细胞肿瘤球体的每个截面深度都显示出2-O-IrAn的强发光信号，表明金属配合物能够完全穿透3D细胞结构（图2a）。此外，对比2-IrAn处理组，2-O-IrAn处理组可以在3D肿瘤球体的每个部分产生ROS（绿色）（图2b）。因此，2-O-IrAn既具备优异渗透能力，也具备杀死深部肿瘤的潜能。为适应体内应用，作者使用DSPE-PEG-Biotin对2-O-IrAn进行包载形成纳米颗粒，进行小鼠体内抗肿瘤实验。小鼠的肿瘤在这种纳米颗粒的作用下，几乎被消除（图2c,2d）。因此，综合体内外抗肿瘤活性研究结果，说明该化合物是在乏氧条件下最有效的金属基光敏剂之一。
图2.(a)2-O-IrAn对AD肿瘤细胞球的渗透；(b)2-O-IrAn与2-IrAn在AD肿瘤细胞球中的单线态氧生成成像;(c)不同处理组的肿瘤体积变化曲线；（I）生理盐水处理组；(II)顺铂处理组；（III）DSPE-PEG-Biotin
2-O-IrAn处理组；（IV）生理盐水+纳米双光子照射处理组；(V)顺铂+纳米双光子照射处理组；(VI)DSPE-PEG-Biotin2-O-IrAn+纳米双光子照射处理组;(d)IV,V,VI实验组肿瘤生长抑制研究及HE,TUNEL染色。总而言之，将PACT效应和内过氧化修饰（产生氧阱）组合到Ir（III）配合物中，再通过双光子近红外光激发，可对肿瘤产生致命性杀伤力。这是一种非常有前景的光敏剂设计策略，它能有效提高光敏剂在乏氧环境中对肿瘤的杀伤效应。本研究将为构建用于乏氧肿瘤治疗的光敏剂提供新思路，并为目前临床PDT治疗提供一种有前景的候选药物。
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