新型葡萄糖共轭菌绿素用于光动力疗法的抗肿瘤效应研究

《Scientific Reports》：Antitumor effects of a novel glucose-conjugated bacteriochlorin for photodynamic therapy

为解决传统光敏剂在晚期肿瘤中疗效有限的问题，研究人员开发了新型葡萄糖共轭菌绿素Glc-TFPB。研究表明，该化合物通过Warburg效应增强肿瘤靶向性，在近红外区（760 nm）具有强吸收，能诱导更强的活性氧（ROS）生成和细胞凋亡。体内外实验证实，其光动力疗效显著优于他拉泊芬钠（TS），为深部肿瘤治疗提供了新策略。

　　

癌症作为当今社会的主要健康威胁，其治疗手段的发展一直备受关注。在众多治疗方法中，光动力疗法（Photodynamic Therapy, PDT）以其微创、靶向性强和可重复治疗等优点，成为一种颇具前景的癌症治疗策略。PDT的核心在于光敏剂（Photosensitizer, PS），这是一种能被特定波长光激活的化合物，激活后能将周围环境中的氧气转化为具有细胞毒性的活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS），从而选择性地杀伤肿瘤细胞。在日本，他拉泊芬钠（Talaporfin Sodium, TS）是临床上广泛使用的第二代光敏剂，相较于第一代光敏剂，它显著降低了皮肤光敏反应的持续时间和严重程度。然而，临床实践表明，当肿瘤侵犯至肌层时，TS-PDT的完全缓解率会显著下降，这凸显了开发新一代光敏剂的迫切性。理想的下一代光敏剂需要具备更好的肿瘤选择性、更深的组织穿透能力以及更强的疗效。

针对这一挑战，由日本名古屋市立大学医学研究科胃肠与代谢学部的田中学¹（Mamoru Tanaka）领导的研究团队，在《Scientific Reports》上发表了一项创新性研究。他们设计并合成了一种名为5,10,15,20-四(4-(β-D-吡喃葡萄糖硫基)-2,3,5,6-四氟苯基)-2,3-(甲烷(N-甲基)亚氨基甲烷)菌绿素（简称Glc-TFPB）的新型葡萄糖共轭菌绿素衍生物。这项研究旨在评估Glc-TFPB作为新一代光敏剂在体外和体内模型中的抗肿瘤效果。研究思路基于两个关键的科学原理：一是“瓦博格效应”（Warburg effect），即肿瘤细胞即使在有氧条件下也倾向于通过高速率的糖酵解获取能量，从而导致其对葡萄糖的摄取量远高于正常细胞。将葡萄糖分子与光敏剂连接，有望利用肿瘤细胞这种特殊的代谢需求，提高光敏剂在肿瘤部位的富集。二是菌绿素（Bacteriochlorin）这类化合物本身的光物理特性。与常用的氯素（Chlorin）类光敏剂（如TS）相比，菌绿素的最大吸收波长更偏向近红外区域（Near-Infrared, NIR）。近红外光（通常指700-900 nm波段）在生物组织中的吸收和散射较少，因此具有更深的组织穿透能力，这对于治疗体积较大或位置较深的肿瘤至关重要。

研究人员为验证Glc-TFPB的潜力，开展了一系列系统性的实验。他们采用的关键技术方法主要包括：化合物合成与表征（核磁共振波谱法NMR、紫外-可见吸收光谱法UV-Vis、质谱法MS）、细胞培养（人结直肠癌细胞系HCT116）、流式细胞术分析细胞摄取和活性氧产生、共聚焦显微镜观察亚细胞定位、异种移植肿瘤模型（使用BALB/c裸鼠皮下接种HCT116细胞建立）的体内荧光光谱分析以及体内光动力治疗疗效评估。

Glc-TFPB exhibits absorption at a longer wavelength than TS

研究结果首先证实了Glc-TFPB在光学性质上的优势。通过紫外-可见吸收光谱分析，发现Glc-TFPB在磷酸盐缓冲液（PBS）中的最大吸收波长约为760 nm，而TS的最大吸收波长为660 nm。这100 nm的红移表明Glc-TFPB可以被波长更长的近红外光激活，为其在深部肿瘤治疗中的应用奠定了物理基础。

Glc-TFPB is slowly taken up by HCT116 cells and localized to lysosomes

接下来，研究人员深入探究了Glc-TFPB与肿瘤细胞的相互作用。细胞摄取动力学实验显示，Glc-TFPB进入HCT116细胞是一个相对缓慢的过程，其荧光强度在给药后24小时内持续增加，并在24小时后达到平台期。这表明最佳的体外光动力治疗时间点可能在给药后24小时。更为重要的是，通过共聚焦显微镜观察亚细胞定位，发现Glc-TFPB主要聚集在溶酶体（Lysosomes）中，而在线粒体、高尔基体和内质网中的分布很少。这种特定的定位模式对于其发挥作用机制具有重要提示意义。

Glc-TFPB-PDT induces ROS production, singlet oxygen generation, and apoptosis

光动力疗法的核心是产生活性氧。研究团队发现，即使在较低浓度（5μM）下，Glc-TFPB-PDT也能诱导HCT116细胞产生大量的活性氧，而相同条件下的TS-PDT则几乎检测不到明显的活性氧信号。进一步使用单线态氧传感器绿（SOSG）进行检测，确认Glc-TFPB在光照下确实能有效产生单线态氧（¹O₂），这是光动力疗法中杀伤作用最强的活性氧之一。此外，通过检测凋亡关键蛋白caspase-3的活性，证实Glc-TFPB-PDT能够有效诱导细胞凋亡，且凋亡细胞的比例在光照后16小时比4小时显著增加，呈现时间依赖性。

Glc-TFPB exhibits higher cytotoxicity than TS in vitro

细胞毒性实验直接比较了Glc-TFPB与TS的疗效差异。结果非常引人注目：当在给药后2小时进行光照时，Glc-TFPB的半数抑制浓度（IC₅₀）高于TS，表明其短期疗效反而较差。然而，当治疗时间点推迟到给药后24小时（即细胞摄取达到峰值时），Glc-TFPB的IC₅₀值急剧下降至1.10 ± 0.08μM，而TS的IC₅₀值变化不大（13.60 ± 1.98μM）。这意味着在最佳时间点，Glc-TFPB-PDT的体外细胞毒性大约是TS-PDT的13倍。这一结果与其缓慢摄取的特性完全吻合，强调了治疗时间窗选择的重要性。

Glc-TFPB shows peak tumor accumulation 24 hours after in vivo injection

在动物水平，研究人员利用荧光光谱仪监测了Glc-TFPB在荷瘤小鼠体内的分布。他们通过计算光敏剂荧光与组织自发荧光的比值来相对定量其在肿瘤和正常组织中的富集情况。结果显示，在正常皮肤组织中，该比值在给药后变化不大。而在肿瘤组织中，该比值在给药后24小时达到峰值，之后逐渐下降。这为体内光动力治疗选择给药后24小时作为照射时间点提供了直接依据，并与体外实验结果高度一致。

Glc-TFPB-PDT significantly suppresses tumor growth in vivo

最终的体内疗效实验证实了Glc-TFPB的强大抗肿瘤能力。在荷瘤小鼠模型中，与未治疗对照组相比，Glc-TFPB-PDT能显著抑制肿瘤生长。更重要的是，在给药后24小时进行光照的治疗组，其肿瘤抑制效果明显优于给药后2小时即进行治疗组。这充分证明了基于药物动力学特性优化治疗时机对于最大化Glc-TFPB疗效至关重要。

综上所述，本研究系统地论证了新型葡萄糖共轭菌绿素Glc-TFPB作为一种极具潜力的下一代光动力治疗光敏剂的优越性。其优势主要体现在三个方面：首先，其吸收波长位于近红外区（760 nm），理论上允许更深的治疗深度；其次，葡萄糖修饰可能通过瓦博格效应增强其对肿瘤组织的靶向性，这在体内分布实验中得到了初步印证；最后，在最佳时间点（给药后24小时）施照，Glc-TFPB-PDT在体外和体内均展现出远超临床常用药TS的强大杀伤效果。尽管本研究仍存在局限性，如仅使用了一种癌细胞系和一种动物模型，未能完全阐明其细胞摄取的具体分子机制，以及尚未全面评估其全身毒性和药代动力学，但这些发现无疑为克服现有光动力疗法的局限提供了有力的概念验证和新的方向。Glc-TFPB的成功研发有望未来拓展光动力疗法在胃肠道肿瘤乃至其他类型实体瘤治疗中的应用前景。