综述：生物发光介导的光动力疗法在深部肿瘤治疗中的应用

《Hormones & Cancer》：Applications of bioluminescence-mediated photodynamic therapy (BL-PDT) for the treatment of deep-seated tumours

本综述系统阐述了生物发光介导的光动力疗法（BL-PDT）这一新兴技术，其通过内源性生物发光（BL）替代传统外部光源，有效克服了传统光动力疗法（PDT）组织穿透深度不足的瓶颈。文章详细解析了萤火虫（FLuc）、海肾（RLuc）、NanoLuc及细菌（Lux）等主要生物发光系统的反应机制（涉及ATP、Mg2+、O2等辅因子），并重点探讨了生物发光共振能量转移（BRET）在激活光敏剂（PS，如Rose Bengal、Ce6）产生活性氧（ROS）杀伤肿瘤细胞中的核心作用。BL-PDT在深部肿瘤治疗、免疫激活及克服肿瘤缺氧微环境方面展现出独特优势，尽管目前仍处于临床前研究阶段，但其在精准肿瘤治疗领域具有广阔前景。

　　

1 引言

癌症是全球主要死亡原因之一，尽管手术、化疗、放疗等传统治疗手段已取得显著成效，但其选择性差、副作用大及难以应对深部转移性肿瘤等问题依然突出。光动力疗法（PDT）作为一种微创、可控性强且不易产生耐药性的治疗方式，通过光敏剂（PS）在特定波长光激活下与氧分子（O₂）反应生成细胞毒性活性氧（ROS）来杀伤肿瘤细胞。然而，传统PDT依赖的外部光源（如激光、LED）组织穿透能力有限，严重制约了其在深部肿瘤治疗中的应用。为突破此限制，利用生物体内部产生的生物发光（BL）作为内源光源的生物发光介导的光动力疗法（BL-PDT）应运而生。BL-PDT利用荧光素酶催化底物（如D-荧光素、腔肠素）发生生化反应产生可见光至近红外光（400-700 nm），直接激活肿瘤内部的PS，从而实现无需外部光照的深部肿瘤治疗。

2 生物发光系统及其机制

生物发光是生物体通过生化反应将化学能转化为光能的现象，其核心组件包括底物荧光素和催化酶荧光素酶。与荧光和磷光不同，BL无需外部光激发，避免了组织散射、表面淬灭等问题。目前已有40余种BL途径被识别，其中以下几种系统在BL-PDT研究中应用最为广泛：

2.1 D-荧光素依赖系统

萤火虫荧光素酶（FLuc）是最常用的BL系统之一，其在ATP、Mg²⁺和O₂存在下催化D-荧光素氧化，生成激发态oxyluciferin并释放约560 nm的光子。点击甲虫荧光素酶则能产生540-593 nm的多色发光，其pH耐受性强，适用于多种生物环境。

2.2 腔肠素依赖系统

海肾荧光素酶（RLuc，36 kDa）催化腔肠素（CTZ）氧化产生450-480 nm的蓝光，其工程变体具有更高亮度和红移光谱。高斯荧光素酶（GLuc，20 kDa）分泌性强、热稳定性好，而NanoLuc（19 kDa）与呋喃嗪底物反应产生460 nm的强光信号，适用于单细胞及活体成像。

2.3 细菌依赖系统

细菌荧光素酶（Lux）由luxCDABE操纵子编码，能自主完成FMNH₂和长链醛类的再生循环，在NADPH和O₂存在下发射约490 nm的蓝绿光，无需外源底物补充，具备自持续发光能力。

3 生物发光介导的光动力疗法

3.1 生物发光共振能量转移（BRET）

BRET是BL-PDT的核心能量传递机制：荧光素酶作为能量供体，通过非辐射方式将能量转移至距离小于10 nm的光敏剂（PS）受体。此过程严格遵循F?rster定律，效率与供受体间距的六次方成反比。近红外量子点（NIR QDs）、金纳米颗粒（AuNPs）等纳米材料可作为高效能量受体，通过物理吸附、共价修饰等方式与荧光素酶构建稳定BRET配对，显著提升PS激活效率。

3.2 BL-PDT用光敏剂

高效PS是BL-PDT成功的关键。常用PS包括具有四吡咯结构的卟啉类（如ZnPP，单线态氧量子产率达0.91）、氯类（适用于低氧环境）及酞菁类（近红外吸收强）。PS激活依赖于BL发射光谱与其吸收谱的重叠，例如FLuc的560 nm发光与Rose Bengal的吸收峰匹配良好。BL-PDT的作用流程包括：底物递送→荧光素酶催化发光→BRET能量转移至PS→ROS介导的细胞死亡。

4 BL-PDT在癌症治疗中的机制与应用

4.1 萤火虫荧光素酶系统

Theodossiou团队于2003年首次验证BL-PDT可行性，利用FLuc激活Rose Bengal在NIH 3T3细胞中实现90%的细胞毒性。Yang等人开发的可生物降解聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）纳米颗粒负载Rose Bengal，通过瘤内注射显著抑制H22荷瘤小鼠肿瘤生长。碳点（CDs）与原卟啉IX（PIX）偶联的CDs-PIX系统通过荧光共振能量转移（FRET）在肝癌细胞中产生单线态氧，展示60%的治疗效率。

4.2 海肾荧光素酶系统

Hsu等将RLuc与量子点（QDs）偶联，通过BRET将蓝光转换为红光激活光敏剂Foscan，在肺癌模型中实现23.3%的肿瘤生长抑制。Kim团队利用RLuc-QDs-Ce6复合物证明BL激活效率可达激光的7.5倍。Yan等人优化RLuc8与Ce6比例为1:25，实现80%的激活效率，在三阴性乳腺癌模型中单次注射即实现肿瘤完全消退并抑制转移。

4.3 NanoLuc系统

NanoLuc-SOPP3 BRET对（BRET比率=1.12）通过HER2靶向脂质体递送，在皮下和深部肿瘤模型中均显著抑制肿瘤生长，展示出深度不依赖的治疗潜力。

4.4 细菌荧光素酶系统

减毒鼠伤寒沙门氏菌（AppGpp）工程化表达FLuc，通过水凝胶瘤内定植产生持续光源激活Ce6，成功抑制黑色素瘤及大型兔肿瘤生长，并激发抗肿瘤免疫响应。基因递送策略如PEI-CaP纳米颗粒携带荧光素酶质粒，可实现肿瘤细胞内持续荧光素酶表达，增强治疗持续性。

5 高效BL-PDT系统设计关键

光谱匹配：FLuc的560 nm发光与Rose Bengal吸收谱匹配，而RLuc的480 nm蓝光需通过QDs转换以激活红光吸收PS（如Foscan）。量子产率：FLuc系统总效率超25%，高于RLuc-QD系统的不足5%。递送策略：纳米颗粒（PLGA）、细菌载体及基因治疗（质粒转染、AAV病毒）是提高肿瘤内荧光素酶/底物浓度的有效手段。细菌Lux系统具自持续发光优势，而NanoLuc底物呋喃嗪的系统稳定性优于易自氧化的腔肠素。

6 BL-PDT前沿进展

靶向递送系统：丁奇团队开发的DK@RA-PEG探针通过狂犬病毒糖蛋白靶向，穿越血脑屏障实现NIR-II成像及病毒特异性PDT。线粒体靶向：自发光铱配合物（IrL2H）利用肿瘤过氧化氢激活化学发光，克服缺氧抵抗，瘤抑制率达78%。微纳机器人：磁导或光导微纳机器人提升PS靶向递送精度。智能PS分子：pH激活型近红外PS（DHTPA）利用感染微环境酸性增强ROS生成，实现选择性抗菌光疗。

7 优势与挑战

BL-PDT免除外源光穿透限制，尤其适用于脑、胰腺等深部肿瘤；通过抗体或肽靶向可提升选择性；自发光机制简化设备需求；与免疫治疗联用可增强远期疗效。当前挑战包括BL光强低于激光、荧光素酶体内稳定性差、肿瘤缺氧微环境制约ROS生成、光谱错配及免疫原性等。未来需通过蛋白质工程优化荧光素酶红光发射、开发氧无关PS体系及推进临床标准化试验。

8 结论

BL-PDT通过内源生物发光突破传统PDT穿透深度瓶颈，在深部肿瘤治疗中展现出独特优势。多种生物发光系统（如FLuc、RLuc、NanoLuc、Lux）与智能纳米载体、靶向技术的结合，正推动其向临床转化。尽管在光强、氧依赖及递送效率等方面仍存挑战，但随着光谱优化、基因编辑及微环境响应型PS的发展，BL-PDT有望成为精准肿瘤治疗的重要工具。