光动力治疗（PDT）是一种利用光激发光敏剂产生有毒的活性氧以实现治疗的方法，在癌症治疗领域展现出巨大潜力。然而，作为光动力治疗核心的光敏剂仍存在一些问题。一方面，大多光敏剂荧光、光动力呈现 “Always-On”状态，从而导致不可避免的副作用并降低成像效果且带来一定光毒副作用；另一方面，由于光敏剂尺寸要求，无法同时实现有效的肿瘤积累和深层的肿瘤渗透，从而严重削弱其光动力治疗效果。因此，设计制备智能高效的光敏剂，并对其性能进行精准调控，从而达到最佳诊治效果，是当前光动力诊疗领域的研究热点和难点。
背景
近日，北京化工大学尹梅贞教授和苏志强教授与国家纳米科学中心陈春英研究员合作报道了一种基于苝单酰亚胺的智能纳米簇，并将之应用于可活化，可深层渗透的光动力肿瘤治疗，同时提出了酶触发分子解组装的多功能级联控制的诊疗策略（流程1）。相关结果以“Enzyme-Triggered Disassembly of Perylene Monoimide-based Nanoclusters for Activatable and Deep Photodynamic Therapy”为题发表于国际顶尖期刊Angew. Chem. Int. Ed.。作者设计合成了一种近红外四氯苝单酰亚胺分子P1作为羧酸酯酶（CE）响应的前驱体，并将其与叶酸修饰的白蛋白共组装成纳米簇光敏剂（FHP）；一旦P1被CE水解，FHP将由~100 nm的纳米簇转变为~10 nm的超小纳米粒子，使FHP可兼顾有效的肿瘤富集和深层渗透；同时，酶触发解组装过程还使FHP荧光发射增强~8倍，光动力性能提升~4倍，实现了近红外荧光成像引导的光动力治疗，显著抑制了肿瘤生长。
流程1. FHP的制备，酶触发解组装，肿瘤渗透及活化的光动力诊疗示意图。
结果与讨论
作者首先研究了FHP对CE 的光活性和纳米尺寸的响应性。酶触发解组装过程还使FHP荧光发射增强~8倍（图 1d），CE处理的FHP的荧光量子产率为8％，是FHP的1％值的八倍。。然后用1O 2指示剂在激光照射（660 nm）下定量测量FHP的1O 2生成能力，结果表明，酶触发解组装过程使FHP光动力性能提升~4倍（图1E）。此外，在CE处理过的FHP的TEM图像中观察到超小纳米颗粒（约10 nm）（图1f），表明当P1水解时，纳米簇会部分分解。
图1. (A) FHP纳米结构；CE作用前后FHP（B）荧光增强，(C) 光动力性能提升，（D）尺寸缩减；（E）实时近红外荧光活体成像；（F）光动力肿瘤治疗
接着，作者利用CE阳性肝癌细胞（Bel-7404，HepG2）和CE阴性细胞（293T）评估了FHP在体外对CE 的反应。HP3处理的HepG2细胞没有显著荧光增加（图 2A）,BNPP可抑制FHP的细胞荧光反应，进一步证实了FHP在癌细胞中的CE响应荧光性能。在癌症和正常细胞中，FHP在黑暗中的毒性都可以忽略不计。一旦CE阳性癌细胞与BNPP预处理，PDT效率降低（图 2B）。然而，经BNPP处理后，正常细胞对FHP的低PDT效率并未改变(图2B)。这一差异证实了在癌细胞中，FHP的PDT被CE特异性激活。了确认FHP的肿瘤渗透性，将Bel-7404细胞衍生的多细胞肿瘤球体用于体外研究。静脉注射后2小时，FHP/ HP可以远离肿瘤血管被检测到，而HP3和HP6主要在血管周围聚集（图2 D）。这些结果表明，FHP的酶促反应尺寸减小可提供优异的肿瘤渗透性。
图2. A）与HP或HP3（5μgmL -1）孵育1 h,HepG2细胞的荧光图像。B）FHP对HepG2细胞（CE +）和293T细胞（CE- ）的PDT效应。C）正交截面图测量FHP和HP3在多细胞球体中的渗透深度。D）注射FHP后小鼠肿瘤切片的免疫荧光图像。
最后，作者在荷瘤小鼠中评估了FHP的体内光热学。静脉注射FHP和控制剂后，通过IVIS系统捕获并定量实时NIRF成像照片（图 3A ）。肿瘤区域所有组的荧光信号迅速增加，并在注射后约2-4 h达到最大值（图3 B）。该FHP组比HP组显示出更高的肿瘤蓄积性，证明了叶酸缀合的纳米颗粒的选择性肿瘤靶向能力。根据NIRF成像结果的指导，PDT在注射后4 h进行（图3C）,通过比较激光照射后的肿瘤大小来评估抗肿瘤功效。如图 3 D所示，激光照射后，经FHP处理的小鼠表现出最高的抗肿瘤功效（97.7％）,且CE响应PDT的增强至关重要。此外，当用HP2或游离的P1进行治疗时，肿瘤的生长只会适度减慢，证明了尺寸可调纳米组装策略的关键作用。作者进行了肿瘤的组织病理学和免疫荧光分析以进一步评估治疗效果。在FHP组(+激光)中，肿瘤细胞大部分凋亡，说明FHP的PDT结果良好(图3G)。FHP具有生物安全性。这些结果证实了极好的NIRF成像引导、可激活和深度PDT, FHP的全身毒性可以忽略不计(图3E)。这些结果证实了出色的NIRF成像引导，可激活和深层PDT， FH显著抑制了肿瘤生长。
图3. A）静脉注射FHP，HP和HP3后，通过荧光成像对荷瘤小鼠进行实时体内监测。B）根据（A）的肿瘤的定量荧光强度曲线。C）体内抗肿瘤治疗的PDT时间表。D）用各种药物处理的H22荷瘤小鼠的肿瘤生长和E）体重曲线。F）在第14天从不同治疗组收获的肿瘤的图像。G）每组中的肿瘤切片的代表性H＆E染色和TUNEL测定图像。
结论
作者开发了一种新型的基于PMI的纳米簇（FHP），该簇可以同时激活NIRF，光动力作用和通过特定的羧酸酯酶诱导的分解而穿透肿瘤。在肿瘤部位水解后，FHP分解成超小纳米颗粒（约10 nm），加深肿瘤穿透。此外，这种酶触发的FHP分解可产生约8倍的荧光和约4倍的光动力效应，从而提高诊断准确性和治疗效果。重要的是，在单剂量静脉内注射和照射后，FHP在体内实现了显着的肿瘤抑制（97.7％），且副作用极小。这是第一种用作体内NIRF成像引导的PDT的可活化的亚芳基酰亚胺衍生物光敏剂。这项工作为解决当前光动力治疗问题提供了新思路，也为未来癌症诊疗中研发刺激响应型纳米药物提供了新途径。
参考文献：https://doi.org/10.1002/anie.202001107
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