目前，光动力疗法(PDT)临床治疗过程中存在光敏剂吸收光组织穿透性浅、氧依赖性强和光敏剂稳定性差等问题。为了解决以上问题，我校化学与分子工程学院上海市功能材料化学重点实验室张伟安教授课题组通过对五氟苯基卟啉进行还原，得到具有类似天然细菌叶绿素结构且在近红外区有较强吸收的五氟苯基菌绿素（FBC）。相对于传统临床使用的光敏剂（如替莫泊芬，FOSCAN），FBC表现出如下优势（如图1所示）：FBC光敏剂最大吸收波长位于750nm，有效地解决了传统光敏剂的吸收光波长短而造成的激发光组织穿透性浅的问题，尤其对于光动力疗法在深部肿瘤治疗中的应用具有重要的意义；FBC不仅可以产生单线态氧（II型PDT），也可以产生大量超氧阴离子和羟基自由基（I型PDT），缓解了肿瘤乏氧造成的PDT效果差的问题；由于全氟苯基的引入使得FBC光敏剂具有优异的环境稳定性，从而大大方便了药物的运输和储存；FBC光敏剂合成工艺简单，解决了传统光敏剂从自然界提取或复杂化学合成的收率低、成本高等问题。因此，FBC作为一种新型近红外光敏剂在光动力治疗中极具临床应用前景。该光敏剂目前已获得了两项中国国家发明专利授权（ZL-201810559084.0；ZL-201910075641.6）。
图1.近红外FBC光敏剂的结构式及其优异的性能
为了更好地验证FBC的PDT效果，该课题组通过FBC与巯基封端聚乙烯醇（SH-PEG-SH）反应，制备了具有生物相容性的FBC纳米凝胶。该纳米凝胶在体外细胞实验以及体内动物实验均取得了良好的光动力治疗效果。该研究成果以“An ultra-stable bio-inspired bacteriochlorin analogue for hypoxia-tolerant photodynamic therapy”为题，发表《化学科学》 (Chemical Science, 2021, 12, 1295-1301）上。为了克服肿瘤乏氧对PDT的影响，该研究团队将FBC与含碘聚合物结合，发展了一种不依赖氧的自由基纳米发生器。在近红外光激发下，该纳米发生器既通过将能量转移到氧产生ROS，也可通过将电子转移到碘聚合物上诱发有毒的碘自由基的形成，进而提高PDT对乏氧肿瘤治疗的效果。该研究成果以“Boosting cancer therapy efficiency via photoinduced radical production”为题，在《化学科学》 (Chemical Science, 2021, 12, 9500-9505)上发表。
此外，近年来的研究发现了近红外光在穿透皮肤和脂肪等生物组织作用时，发生的散射和被吸收的现象较少，同时在近红外区域，来自于生物体内的自发荧光也极低，因此，近红外区域内的荧光成像在活体动物研究，尤其近红外第二窗口（NIR-II）内的光子对生物组织具有较高的穿透深度和信噪比，表现出的应用受到极大的应用前景。然而目前常用的NIR-II有机荧光探针通过结构修饰很难实现最大吸收波长和发射波长之间较大的红移，进而无法达到高分辨生物活体成像的效果。针对以上问题，张伟安教授课题组与复旦大学张凡教授课题组合作，基于稀土铒离子与FBC配位作用，开发了一种发射波长位于1532nm的新型近红外荧光探针体系，该NIR-II探针不仅在水相中发射出明亮的近红外荧光，而且其斯托克斯位移值高达760nm（图2a，2b）。探针可以清晰地分辨出小鼠血管和淋巴管的精细结构，以及实时显现胃肠道消化和血液循环系统的代谢活动。利用新型探针标记了小鼠体内的癌细胞，得以实现在小鼠脑部以无创伤的方式清晰地观察到癌细胞的运动、迁移、以及在血管壁上驻扎等过程（图2c-2e）。因此该探针为生物组织高分辨成像，活体水平的细胞研究提供了新的研究平台。该研究成果以“A hybrid erbium(III)–bacteriochlorin near-infrared probe for multiplexed biomedical imaging”为题，在线发表在国际权威学术期刊《自然材料》(Nature Materials, 2021, 20, 1571-1578)上。
图2.NIR-II荧光探针Er-FBC的结构式(a)，吸收和发射光谱图(b)，小鼠血管和淋巴管结构的高分辨率成像(c)，癌细胞在小鼠脑部转移的可视化观察(d,e)
张伟安教授课题组长期致力于功能高分子的构建和应用研究，近年来课题组针对光动力治疗中起关键作用的光敏剂递送效率低、聚集失活以及吸收光波长短等问题，结合高分子材料精准设计的工作基础，在新型光敏剂的设计和应用方面开展了系统性创新工作。研究工作相继发表在Nature Materials, Advanced Materials, Angewandte Chemie International Edition, CCS Chemistry, Biomaterials, Macromolecules和Biomacromolecules等期刊上，同时受邀在Progress in Polymer Science，Coordination Chemistry Reviews以及《高分子学报》撰写综述或专论。
原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/SC/D0SC05525E；https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/sc/d1sc01220g；https://www.nature.com/articles/s41563-021-01063-7。
