光动力疗法进展与综述.docx

1、光动力疗法进展与综述光动力疗法进展和综述08级药学2班 陈昌斌1引言光动力疗法可定义为这样一种操作：对身体遭受损害(常常但并不总是 由于癌变)病人系统或者局部施用一种被称作光敏剂无毒药物或者染料， 接着在一段时间后用可见光(通常是长波红外光)直接照射受损部位，在氧 存在条件下，产生细胞毒物质，从而导致细胞死亡和组织凋亡。在这里 Ivf先要区分三个基本概念：光疗(phototherapy),光化学疗法 (photochemotherapy)以及光动力疗法(photodynamic therapy, PDT)。光 疗是一种包含光诱导这种光化学现象治疗方式，用于治疗各种疾病。光化 学疗法是光疗一种形

2、式，除光之外还使用一种化学物质。而在光动力疗法 中，联合使用了0：,光以及光敏剂。因此PDT既是光疗一种形式，又是光化 学疗法一种形式。PDT是一种主要影响目标组织具有双重选择性治疗方式。其双重选择性 是基于光敏剂在正常组织和目标组织中浓度差异，以及通过空间限制和聚 焦方式使光对目标组织直接照射。光敏剂在注射3-96小时后积聚在目标组 织，具体时间取决于所用光敏剂。在积聚期间，用光直接照射目标组织以 活化光敏剂，活化光敏剂将能量传递给基态氧CO：, 3E；)从而形成各种形 式活性氧，损伤细胞重要结构和功能，进而导致组织破坏：。生物体系 中光敏化，氧依赖反应称为光动力作用(photodynami

3、c action)儿。光动力疗法这个概念源自于二十世纪早期工人们利用一些染料比如 曙红和光结合治疗皮肤癌实践。血吓咻第一次被使用也是在这个时期曲, 直到二十世纪六十年代才出现关于吓卩 林在肿瘤细胞中选择性聚集以及暴 露在可见光下症状恢复零星报道”:。现代对PDT兴趣急剧增加源自于1960 年Lipson和Baldes对血川、卩林衍生物(HpD)发现,Dougherty等人在基础科 学和临床应用方面开创性研究大大推动了这一趋势Photofrin (PF) 即血川7林部分纯化制品是第一种在世界范围内很多国家(包括美国)获得 正式批准用来治疗各种癌症光敏剂。光动力疗法在临床癌症治疗中已取得 了令人嘱

4、目成就，1993年加拿大卫生部门首先批准将PF应用于膀胱癌和食 管癌光动力治疗，到目前为止，光动力疗法在荷兰、法国、徳国、日本和 美国等国相继获得批准，还有11个欧洲国家正在寻求获得批准。2003年5 月中国SFDA批准了这一治疗系统进入临床应用。光动力疗法已被公认为临 床上除手术、放疗、化疗之外第4种治疗癌症方法111 x l0o随着利用HpD-PDT治疗癌症经验积累，人们认识到这个混合物有很多缺 点，包括由于长时间皮肤过敏迫使病人不得不在数周内避免口光照射，其 对肿瘤细胞选择性低于理想值，由于使用光波长较短(630nm)使得光穿透 肿瘤细胞能力较差，而且事实上它是一个结构不确定混合物-近年

5、来为了开发新光敏剂人们做了很多工作，合成了数目众多可用于 PDT潜在光敏剂，人们逐渐将重点放在那些易由丰富天然前体，比如血红 素以及叶绿素类化合物制备光敏剂上。这样做主要是考虑经济和环境因 素。如果光敏剂比如川、卩林通过全合成来制备，其产率通常很低，导致大量 化学药品浪费以及最终产品高价格。如果光敏剂是一种天然化合物或者可 通过简单合成过程从天然前体制备，这些缺陷可被最小化PDT中应用大多数光敏剂都具有环状四毗咯结构，包括吓咻，二氢吓吩和细菌吓吩取代衍生物(Fig. Do天然存在叶绿素(Chi)和细菌叶绿素 (BChl)类化合物分别是二氢吓吩和细菌吓吩取代衍生物。命名叶绿素以及相关二氢吓吩时，

6、一般使用Fischer提出俗名(trivial name)Fig. 1吓帐二氢吓吩以及细菌吓吩母环结构。原子编号方式和IUBAC-IUB半系统编号体系-致。粗线指出了这类化合物典型具有18it电子18-二氮杂轮烯芳香结构。命名法，这些命名简洁而且在文献中应用非常广泛。Fig. 1中显示是IUBAC-IUB半系统编号体系编号方式。叶绿素类母环为17, 18-二氢吓咻， 而细菌叶绿素类则是7, & 17, 18-四氢叫、咻，它们都具有典型18开电子 18-二氮杂轮烯芳香结构工，132光动力疗法基本原理2. 1光物理学Fig. 2中图说明是PDT所包含光物理学过程&。光敏剂基态是单线 态(So),有

7、两个自旋方向相反电子在能量较低分子轨道。吸收适当波长光 之后(1),光敏剂被激发到寿命较短(纳秒级)第一激发单线态(SJ,两个电 子中一个被激发到能量较高分子轨道，但是保持其自旋方向不变。光敏剂 可以通过荧光(fluorescence) (2)或者内转换(internal conversion) (3) 形式发射出吸收能量从而回到基态(S。)。也可以经历系间窜越 (intersystem crossing)过程藉此使激发态电子H旋方向反转以形成寿命 相对较长(微秒级)第一激发三线态(TJ(4),其电子自旋方向相同。这种跃(3)内转换；(4)系间窜越； 磷光；(6) L态光敏剂将能量转移给三线态

8、氧(3)生成单线态氧(Q)。 三线态产率。处于T】态光敏剂寿命很长，可以参和化学反应，比如(6), 因而光动力作用主要由h态光敏剂介导。几态光敏剂也可以通过发射磷光 形式回到基态(5)。2.2光化学处于激发三线态光敏剂可以经历两种反应途径(Fig. 2)血，I型光反 应历程是T】态光敏剂直接和底物比如细胞膜或一个分子反应，转移一个质 子或电子分别形成自由基阴离子或H由基阳离子，由此光敏剂通常回到基 态，这些自由基可进一步和氧反应生成活性氧(reactive oxygen species, ROS)o II型光反应历程(6)是T】态光敏剂和Q之间电子自旋互换过程。这 个过程产生了具有细胞毒作用第

9、一激发单线态氧C02, xAe),同时光敏剂 回到基态。Q被认为是PDT中产生光毒性主要介质。I型反应和II型反应 都可以导致细胞内生物分子氧化，二者可以同时发生，其比例取决于所用 光敏剂类型，底物和氧浓度。I型反应途径往往包含由于三线态光敏剂电子转移到分子氧导致过氧 阴离子形成原初反应屈。过氧化物在生物体系中活性并不显著，并且其自 身并不引发很大氧化损伤，但它可以通过歧化反应生成过氧化氢和氧。过 氧化氢在生物体系中很重要，因为它可以很容易穿过细胞膜，而且不能被 细胞排出。过氧化物对于高活性疑基自由基(H0)产生也具有重要意义。 像HA-样，H0 也可以很容易透过细胞膜，而且不能被细胞排出，这

10、种 高活性H由基主要通过链式反应导致脂肪酸和其它脂类氧化损伤。过氧化 物还可以和疑基自由基反应形成单线态氧，或者和一氧化氮(N(r)(也是一 个自由基)反应产生另一种高活性氧化分子：过氧亚硝酸根(00N0-)。这些活性氧，和经由II型反应途径产生单线态氧一起，是可以直接和 很多生物分子反应氧化剂。由于单线态氧和疑基自由基反应活性高而半衰 期短，只有邻近它们产生区域(光敏剂定位区域)分子和结构受到PDT直接 影响。这也意味着未和细胞结合光敏剂不具有光毒性。在生物体系中单线 态氧半衰期小于40ns,因而单线态氧作用半径大约是20nmo光损伤位点 取决于所用光敏剂，因为不同光敏剂积聚在细胞不同部位，

11、细胞膜是光动 力损伤重要靶点山亠102. 3光敏剂在肿瘤组织中选择性积聚机理自从观测到血咐林衍生物(HPD)定位于肿瘤中能力以来，很多研究人员研究了光敏剂倾向优先定位于肿瘤以及其它特殊器官和解剖位点机理。此 外，关于光敏剂什么样结构可使其对正常组织或器官中肿瘤部位选择性达 到最佳，人们进行了大量研究。事实证明这是一个非常复杂问题，因为 不同光敏剂其药代动力学可发生显著变化。例如，一种光敏剂在开始使用 后相对较早时间点比如3小时，可以达到最好肿瘤一正常组织比，而换成 另一个光敏剂，肿瘤一正常组织比达到最佳时间则变为注射后7天。相对 于其肿瘤定位性质，这些四毗咯类化合物一个很特殊性质是它们牢固结合

12、 血浆蛋白以及发生自聚集倾向。这意味着大多数光敏剂注射入血管后表现 为大分子形式，原因是它们或多或少和大蛋白分子牢固结合，或者形成和 大蛋白分子类似大小分子间聚集体。很多研究人员报道了当光敏剂在体外 和血浆混合后它在各种不同类型血浆蛋白之间分布情况。这些蛋白通常分 为四个部分：白蛋白和其它巨大蛋白，HDL, LDL以及VLDLo然而，大多 数亲脂性光敏剂不溶于水介质，必须通过混合溶剂交付，而混合溶剂可能 改变光敏剂在血浆蛋白中分布，这个事实使得光敏剂分布研究变得复杂 化。尽管关于优先结合LDL光敏剂是更好肿瘤定位器观点还存在争议，但 这却是不争事实X 19有必要区分选择性定位和选择性滞留这两个

13、概念。代谢较快光敏剂其 肿瘤定位性质主要是由于在肿瘤中选择性积聚，而代谢较慢光敏剂主要通 过选择性滞留达到定位目。在选择性积聚模式中，一般认为肿瘤新生血管 对大分子通透性增加，这是导致光敏剂优先溢出主要因素。这些快速作用 光敏剂常常结合白蛋白，而白蛋白具有理想大小和Stokes半径，使其容 易通过肿瘤微脉管内皮上孔隙。光敏剂在肿瘤中滞留一直是很多研究主 题，如前所述，一种流行理论认为，光敏剂和LDL结合是非常重要曲。该 理论提出，癌细胞过度表达LDL (apoB/E)受体。LDL受体表达上调是迅速 生长恶性细胞获取脂质生物合成必需胆固醇一种方式，而脂质是细胞膜快 速更新所必需物质。为了说明光敏

14、剂在肿瘤组织中选择性滞留也提出了其 它理论。其中一个理论认为肿瘤缺乏完备淋巴排泄系统，从高渗透性肿瘤 新生血管中溢出大分子滞留在血管外空间。另一个理论涉及到能不同程度 渗入固态瘤巨噬细胞。肿瘤相关巨噬细胞积聚某些光敏剂量可达肿瘤细胞 积聚量13倍之多。这个理论可以解释为巨噬细胞对光敏剂聚集体吞噬作 用，或者巨噬细胞优先摄取由于吓咻结合发生了改变脂蛋白。还有一个理 论认为肿瘤中通常较低pH值对诱捕某些阴离子光敏剂具有影响，这些阴 离子光敏剂在正常生理pH值时可发生电离，当它们处于肿瘤中较低pH环 境时变为中性价态，因此亲脂性增加。目前一个新理论认为光敏剂在组织 中积聚和关节组织积聚脂质微滴特性类

15、似。位于线粒体膜内部外围苯并二 氮受体负责结合某些积聚在线粒体上吓咻类光敏剂。还有认为正常细胞和 癌细胞线粒体膜电压差异对光敏剂在肿瘤中积聚具有重要影响皿193 o2. 4 PDT导致肿瘤破坏模式PDT抗肿瘤作用主要由三种机理引发r首先，强烈抗脉管作用可导 致血栓形成以及肿瘤血管出血，进而导致肿瘤由于缺乏氧以及营养物质而 死亡。其次，如果光敏剂可直接进入肿瘤细胞，可以发生由于凋亡或者坏 死导致肿瘤细胞直接死亡。坏死是由于细胞重大损害导致变性细胞死亡。 凋亡是指生理以及病理条件下，活有机体衰老细胞遗传性程序死亡机制。最后，由于PDT诱导产生严重炎症，细胞活素释放以及应激反应蛋白产生 可以导致白血

16、球流入到肿瘤中，这一方面可以直接导致肿瘤细胞破坏，另 一方面还可以刺激免疫系统识别并摧毁肿瘤细胞，这有助于PDT治疗长期 成功以及靶点区域以外肿瘤细胞破坏。3光动力疗法中光3.1组织光学窗口在PDT中，能够预测光在目标组织中空间分布是很重要。光进入组织 后散射或者吸收以及这两个过程程度取决于组织类型以及光波长。生物组 织不均一，同时微观非均匀密度组织(大分子，细胞器，组织化细胞结构, 间质层等等)存在，使得生物介质内多重散射导致光束扩展和定向性损失。 光吸收很大程度上是由于内源组织发色团，比如血红蛋白，肌红蛋白以及 细胞色素。散射通常是限制光穿透大多数组织最重要因素。综合考虑一些 重要组织发色

17、团对较低波长光吸收以及波长较长光其散射减少，再加上在 光波长大于1300nm时会发生水吸收，得出了组织“光学窗口”概念。就 PDT而言，还应考虑波长大于SOOnm光其能量不足以使光敏剂光敏化，因 此一般认为其治疗窗口应为600-800nm。临床治疗时光敏素(PF)使用波长 即630nm光平均有效穿透深度大概是l-3mm,而在700-850nm时穿透深度 大概是630nm时两倍2,血。3. 2光敏剂光漂白波长较长光可增加穿透深度，这是发展具有这种吸收波长光敏剂主要 动机，蔡酿菁(776nm)和细菌叶绿素(780nm)最大吸收波长都在治疗窗口 内。光敏剂本身光吸收可以限制组织光穿透，这种现象被称为

18、“自屏蔽”， 对治疗波长光吸收非常强烈光敏剂这种现象尤其明显。许多光敏剂在暴露 于光时容易发生光破坏，这个过程称为“光漂白”。不同化学结构光敏剂 具有变化多端光漂白率，PDT中应用光敏剂应该足够稳定以避免诸如光漂 白降解过程。但是光漂白倾向也可能是有利因素，因为它可以缩短PDT作 用后普遍光过敏持续时间。在某些情况下光漂白最初产物事实上是比起 始分子更好光敏剂。因为存在一个可产生组织坏死PDT阀剂量，如果光漂 白（不存在这样阀）发生在剂量达到这个阀值之前，不会导致组织损伤，这 对于暴露在治疗光波下正常细胞来说是非常必要，但对于所要治疗肿瘤组 织并不希望如此，因此最终结果是，我们可以在不伤害正常

19、皮肤情况下取 得最大程度肿瘤坏死山10Jo4光动力疗法中光敏剂4.1理想光敏剂特征尽管光和氧对光动力疗法具有重要影响，但最根本因素还是光动力治 疗药物，即光敏剂。为了改进光敏剂，开发新光动力治疗药物，首先必须 了解理想光敏剂特征。根据光动力疗法要求，理想光敏剂应该具有以下特 征乩-31 101 ：1它们应该是一种具有固定构成和常规稳定性纯化合物，应该比较容 易合成而且起始原料容易获得，以便控制成本，进行大规模生产。2它们应该具有良好水脂溶性，最好具有两亲性。一方面具有水溶性 方便给药，另一方面具有一定脂溶性有利于药物透过细胞膜。3光毒性高而喑毒性低。这也是保证正常组织免受损伤而提高PDT选 择

20、性一个方面，PDT之所以优于其它肿瘤治疗方法，一个重要原因就在于 所用光敏药物在无光照时具有低水平暗毒性，而在对靶组织选择性光照 时，靶组织内光敏剂被激活，从而选择性作用于靶组织。4它们应该能够选择性富集在目标组织比如肿瘤，选择性越高越好， 这是实现PDT选择性重要基础。5它们在患者体内药代动力学消除应该迅速，最好小于一天，以缩短 治疗后避光保护时间，避免长时间皮肤光敏性。注射和光照射时间间隔短 是为了便利门诊病人，他们要求治疗方法患者友好以及代价有效。治疗过 程中痛苦是不受欢迎，因为PDT治疗过程中通常并不需要麻醉或者重度镇 静。6它们应该具有较高值，值要大于值(94kJ mol-1), Q

21、 形成能量转移效率越高越好。7它们应该在体内不产生很多自聚集，因为聚集会减少和值 24,不利于PDT药效提高。8它们应该对红外或远红外区光具有强烈吸收。这样PDT治疗作用可 以到达尽可能深部位，而且所使用光不会导致正常组织光敏化。如果吸收 波长太长(大于800nm), 值会低于形成Q要求，这意味着光子没有足 够能量使处于三线态光敏剂转移能量给基态氧分子激发其到单线态。此 外，当波长增加时化合物对光稳定性通常也会减弱。因此，理想光敏剂应 该在600-800nm之间,即“治疗窗口”内有强吸收。吓吩类化合物比如叶绿素和细菌叶绿素衍生物性质一般都能满足理想 光敏剂要求，因此在未来它们是较好光敏剂候选者

22、。4. 2光敏剂最新进展PDT治疗过程中光照时长时间皮肤光过敏以及肿瘤周围正常组织坏死 主要是由于光敏剂较低选择性。提高光敏剂对肿瘤组织选择性对于这些问 题解决以及减少PDT治疗中光敏剂用量具有重要意义。有证据证明，调整光敏剂两亲性是改善光敏剂对肿瘤亲和力一种有效 方法，而环状四毗咯系统通过共价连接糖基分子可很好地改善光敏剂两亲性丽。Pandy等人设计在吓吩分子上构建碳水化合物结构，合成了一系列 具有良好水脂溶性以及光敏化能力糖基-二氢吓吩二联体(Fig. 3, A-D)o 体外试验表明，和吓吩单体相比，连有糖基吓吩水溶性得到了很大提高，均显Fig. 3儿种糖基-二氢吓吩二联体结构。示出很强光

23、动力抗癌效力。利用体外药理实验结果，他们初步建立了糖基 -二氢吓吩二联体定量构效关系。，结果显示，糖基存在和否以及所在位置 对二氢吓吩光生物学活性具有重要影响。其中连有乳糖相应二氢吓吩二联 体(Fig. 3, D)具有最强体外光动力抗癌活性，9 50：o基于同样目,Blais等人设计合成了 zzrTHPC及其类似物葡萄糖基轨合 物(Fig. 4, A-C),并检测比较了它们和zzrTHPC在HT29人腺癌细胞中内 在化过程和光敏化活性。结果显示，连接四个葡萄糖基对称辘合物(Fig. 4, A)在癌细胞中内在化程度以及光毒性都比THPC低，而两亲性更好非对 称化合物(Fig. 4, B, C)则

24、表现出比/zrTHPC更强光毒性。药物浓度，温 度以及叠氮化钠效应显示，化合物4B和4C内在化过程部分经由活性受体 介导胞吞作用机理打Fig. 4 zzrTHPC及其类似物葡萄糖基辘合物。多胺是细胞增殖所必需普遍存在小分子质量阳离子物质，在迅速增殖 肿瘤细胞中具有特别高浓度。快速增殖真核细胞往往具有极度活跃多胺摄 取系统删，更为重要是，多胺摄取系统对多胺结构要求并不严格。己有文 献证实，利用多胺轨合物可以促进细胞毒药物对快速增殖细胞定向运输 删。为了提高光敏剂对肿瘤细胞选择性积聚和光敏化能力，Krausz以及 Garcia等人合成了一系列二氢吓吩-多胺辘合物(Fig. 5, AD),并检测了

25、它们在K562癌细胞中光敏化活性。结果显示，和未连接多胺原料相比， 这些化合物光敏化能力均有明显提高。其中，化合物5C和5D具有更高光敏化能力，这是因为多胺取代在二氢吓吩环同一侧，它们两亲性相对更好Fig. 5二氢吓吩-多胺辘合物结构Fig. 6儿种连有共辘烯二烘结构二氢口卜吩化合物结构利用吓咻类化合物选择性积聚于肿瘤细胞特点，近年来将光敏剂和化 学抗癌药物分子结合，即将光动力疗法和药物治疗相结合成为一个趋势 洵。基于含有共轨烯二块结构天然产 物显示出强烈抗癌活性和吓咻类化合物所具有选择性积聚于肿瘤细胞特 殊性质，王进军等人设计在叶绿素基本碳架上构建共轨烯二块结构，合成 了具有光动力和化学抗癌

26、双重功能新型抗癌药物(Fig. 6, A, B)o其PDT 应用实验表明，具有共轨烯二烘结构吓吩化合物均显示出较强光动力抗癌 活性他571叭延玺等网选用四对疑基苯基吓咻作为导向剂，甲氨蝶吟作为抗癌有效 成分，将两者进行化学偶联，合成了同时具有光动力抗癌和化学抗癌作用 新化合物(Fig. 7)。实验结果表明，给予甲氨蝶吟治疗小鼠中，小鼠死亡 率为80%,抑瘤率为79.3%；而在同样剂量下用吓咻做先导物治疗组，只 有30%小鼠死亡，但抑瘤率仍保持在75. 8%o相比之下，经过介导甲氨蝶 吟引发动物死亡率降低了许多。这说明该化合物具有良好体内外抗癌活性 和较小副作用。Fig. 7四对疑基苯基吓卩林-

27、甲氨蝶吟辄合物结构5结论和展望经过二十多年发展，PDT作为一种治疗癌症全新方法取得了巨大成就。PDT得到了越来越多人认同，国际光动力协会(IPA)成立进一步促进了PDT 快速发展刚。尽管第一代吓咻类光敏剂Photofrin(PF)以及HpD具有许多严 重缺陷，迄今为止它们仍然在肿瘤治疗中得到了非常广泛应用。目前PDT 研究己经进入到一个非常深入阶段，很多第二代光敏剂用于治疗多种适应 症研究正处于I期、II期或者III期临床试验阶段。已经被批准上市则有Pp (以ALA作为前药)，BPD-MA以及m-THPCo儿种不同类型第二代光敏剂I期、 II期、III期临床试验结果使我们坚信，在未来，利用PD

28、T治疗多种类型肿 瘤以及表现增生或新血管化(例如动脉粥样硬化，良性前列腺增生(BPH), 老年黄斑变性(AMD),银屑病)其它疾病会有相当大进展。近年来为开发新光敏剂人们做了很多卓有成效工作。和复杂全化学合 成光敏剂相比，那些易由丰富天然原料，比如亚铁血红素，叶绿素以及细 菌叶绿素局部修饰得到半合成光敏剂，无论在经济上还是在环境上都具有 很多优势，因而受到了人们格外重视。当前PDT研究一个难点是如何提高 光敏剂对目标组织选择性，以增强治疗效果同时减少副作用。因此设计合 成具有靶向给药功能光敏剂是近期光敏剂研究最新方向。同时，将光敏剂 和化学抗癌药物分子连接，即将光动力疗法和化学药物治疗相结合也

29、是一 个不容忽视趋势。参考文献：1Castano A P, Demidova T N, Hamblin M R. Mechanism in photodynamictherapy: part one photosensitizers, photochemistry andcellularlocalization. Photodiagn Photodyn Ther 2004;1:279-293.2R. Bonnett, Photodynamic therapy in historical perspective. Rev.Con temp. Pharmac other. 10 (1999) 1

30、- 17.3L Milgrom, S MacRobert， Light years ahead, Chem. Br. 34 (1998)45 - 50.4J. D Spikes, Photodynamic action： from paramecium tophotochemotherapy, Photochem. Photob io 1 65 (Special issue)(1997), 142 - 147.5Jesionek A, von Tappenier H Zur behandlung der hautcarcinomit mit fluorescierenden stoffen. Muench Med Wochneshr 1903; 47:20426Hausman W, Die sensibi 1 isierende wirkung des hematoporphyrins Biochem Z 1911; 30:276.