摘要
癌症是一种严重威胁人类身体健康的疾病。目前，光动力治疗是一种治疗癌症的有效方法。光动力治疗的三要素分别是光、光敏染料和氧气，其中光敏染料在光动力治疗中起核心作用。光敏染料在吸收光能后发生能级跃迁，产生的电子与周围的氧结合，产生活性氧ROS（包括：羟基自由基、单线态氧、以及超氧阴离子等），通过氧化细胞中的各种蛋白质、DNA等生物大分子，从而诱导癌细胞死亡。活性氧有两种产生机制，称为Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型机制发生的是电子转移，产生超氧阴离子（O2??）或者羟基自由基（?OH），而Ⅱ型机制发生的是能量转移，产生的是单线态氧（1O2）。与传统的治疗手段如手术、化疗及放疗相比，光动力治疗具有微创性、副作用小等优点。尽管有这些优势，PDT仍存在一定的局限性。主要包括以下几个方面：（1）细胞内光敏染料的非特异性分布导致治疗效果不佳，副作用大;（2）氧作为光化学反应的必要因素，大多数实体瘤缺氧导致PDT治疗效果有限。因此，针对上述问题，亟需开发新的光敏染料并强化其光敏活性。 为了解决光敏染料的非特异性分布对其PDT疗效限制的问题，本论文首先通过光敏染料定位到核心细胞器—线粒体提高活性氧等物质局部瞬时浓度，从而提高其PDT治疗疗效。基于此方法，工作以苯并吡喃腈为母体设计合成了三例光敏染料H-DCM-N、CH3-DCM-N、Br-DCM-N。为了增强电子推拉能力，延长光敏染料的激发波长，将供电子基团二甲氨基引入到母核结构中使其形成D-π-A结构，其中π结构可以分离最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）的能隙，而HOMO-LUMO分离度越高，系间窜越的效率越高，从而产生更多的ROS，提高线粒体内ROS的局部瞬时浓度。基于上述策略，该光敏染料发生了Ⅱ型光动力反应机制，可在6s内产生大量活性氧。实验结果表明，光敏染料具有优异的光稳定性、pH稳定性和低的细胞内暗毒性（即使光敏染料的浓度达到20μM的条件下细胞存活率仍保持在80%以上），适用于细胞、组织、活体内的光动力治疗。且该光敏染料具有的D-π-A结构，使得该分子具有良好的双光子吸收效果，最大激发波长分别在780、770、800nm，在双光子显微成像系统中可获取区域显色清晰的细胞成像，成像实验结果显示，该光敏染料可高效富集在线粒体中（皮尔森相关系数分别达到0.91、0.93、0.95）；通过525nm的氙灯照射，光敏染料对肿瘤细胞的光毒性最高达到75%；组织苏木精伊红染色结果显示，光敏染料在525nm的氙灯照射下对肿瘤组织有明显的生物损伤，而对其他主要器官肝脏及肾脏等无明显损伤。 对于Ⅱ型光动力治疗过程，其是由光敏染料在光照射下通过能量转移产生单线态氧，进而诱导肿瘤细胞坏死或凋亡。其中，在这一过程中单线态氧的产生高度依赖于O2的浓度，因此Ⅱ型PDT的治疗疗效严重受限于实体瘤的缺氧微环境。对此，与Ⅱ型PDT不同，在Ⅰ型PDT中，氧气可以在过氧化氢歧化酶的催化下释放出来，因此对氧气的依赖性较小，提高了抗肿瘤作用。为了解决肿瘤乏氧对其治疗疗效限制的问题，本工作将供电子基团三苯胺引入到苯并吡喃腈的母核结构上设计合成了一例基于Ⅰ、Ⅱ型的纳米光敏染料用于光动力治疗。体外实验结果显示，该纳米光敏染料TPA-DCMns具有良好的稳定性，不受复杂环境中各种氨基酸、离子及生物大分子的干扰；通外体外活性氧测试表明，该纳米光敏染料可以在180s内快速产生单线态氧以及超氧阴离子；通过细胞毒性实验表明，该纳米光敏染料在浓度为20μM的条件下对肿瘤细胞有较高的光毒性（细胞致死率接近70%）；通过细胞共定位实验显示，纳米光敏染料积聚在细胞中的线粒体上，皮尔森相关系数达到0.93；在450nm的光照射下可以产生足够的ROS从而有效地破坏线粒体，诱导线粒体的膜电位下降；活体实验显示该光敏染料可以有效抑制肿瘤的生长，而在治疗过程中对小鼠的体重未产生影响。
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