研究背景与目的肿瘤光学治疗是目前临床上继外科手术治疗、化学治疗、放射治疗之外的新型治疗手段。其治疗原理是先给予对肿瘤组织有选择性的光敏剂,然后使用特定波长的激光辐照肿瘤区域,从而使光敏剂高效地催化组织中的氧分子转化为对细胞结构、功能有损害的活性氧物质,或者使光敏剂吸收光能并转化为局部高热,最终实现治疗肿瘤的目的。相对于肿瘤手术治疗、化疗、放疗等目前临床上采用的主要治疗手段,肿瘤光学治疗具有损伤部位小、选择性高、安全性好等优势,可望在肿瘤治疗中发挥重要作用。根据不同的作用原理,肿瘤光学治疗主要分为光动力学治疗(PDT)和光热治疗(PTT)。无论是PDT或者PTT治疗,决定它们疗效的关键在于制备理想的光敏剂。理想的光敏剂至少应同时具有两种特性:高效的光敏特性和良好的肿瘤选择性。(1)为了提高光敏特性:一方面,许多研究者分别将具有光热作用的光敏剂与光动力作用的光敏剂组装或偶联在一起,制备出了多种同时具有PDT和PTT治疗效应的纳米材料类的光敏剂,大大提高了肿瘤光学治疗的疗效;另一方面,由于生物组织对近红外波段(700-900 nm)的光吸收较弱,因此选择近红外类的光敏剂可实现更深层组织的光学治疗,显著地推进了光学治疗的应用前景。(2)为了增强光敏剂对肿瘤细胞的选择性,最常采用的策略是通过化学方法将光敏剂与靶向配体进行连接,使光敏剂能够被肿瘤细胞膜上特异性表达的受体识别并高效地结合,从而赋予了光敏剂的靶向性。然而,纳米材料类的光敏剂将面临很多难题,比如难以大规模地制备、易被网状内皮组织器官截留、潜在毒性等,导致大部分纳米材料类的光敏剂还停留在早期开发阶段。同时,基于化学连接策略开发靶向性光敏剂可能会改变靶向配体的结构与功能、增加额外的合成步骤和成本,这些影响因素同样会妨碍它们的实际应用。鉴于目前常用光敏剂的以上不足,研发不依赖于纳米高分子材料、也不需要复杂的化学连接,而是基于本身化学结构内在的多功能特性的小分子类靶向光敏剂,可望避免上述问题,提高临床转化应用的潜力,推进和扩大肿瘤光学治疗的前景。线粒体是细胞生存的重要细胞器,其在能源制造和细胞凋亡通路中发挥着核心作用。因此,线粒体一直被认为是抗肿瘤治疗的理想靶点。尤其是最近研究表明,线粒体对过量的活性氧物质及高热非常敏感使得靶向肿瘤细胞线粒体的pdt、ptt疗效非常显著。本课题组前期研究发现了一类具有肿瘤靶向性的吲哚七甲川花菁类近红外荧光小分子。它们表现出不需要化学连接靶向配体,即能够被多种肿瘤细胞选择性摄取,同时蓄积于肿瘤细胞的线粒体中。某些花菁类近红外荧光小分子化合物已经被证明具有一定的光敏效应。据此本研究设想:以前期获得的线粒体靶向染料分子为基础,通过化学结构修饰,可望制备合成同时具有靶向肿瘤细胞线粒体和整合pdt和ptt双模态光学治疗的吲哚七甲川花菁类近红外荧光小分子光敏剂,显著提高光学治疗的疗效。研究方法与结果根据前期的构效关系研究及其它研究报道,亲脂性阳离子特性的吲哚七甲川链是对这类小分子的肿瘤细胞线粒体靶向特性起到至关重要作用的官能团。同时,文献报道花菁类小分子的光敏效应与它们的脂水分布系数(logp)、极性、摩尔吸光系数等密切相关。因此,为了制备一种靶向肿瘤细胞线粒体,同时整合了pdt和ptt双模态光学治疗的小分子类光敏剂,本论文主要从以下三个方面开展研究,且主要结果如下:一、肿瘤细胞线粒体靶向化学小分子类光敏剂的设计与合成:在前期构效关系研究基础上,以吲哚七甲川链为线粒体靶向的母核结构,通过改变吲哚环上的n-烷基侧链的链长(碳数n=1-5)、改变侧链末端的官能团(以甲基、甲氧基、羧基、芳香基、羟基、磺酸基、氨基酸等进行取代),合成了27个具有不同logp、极性以及摩尔吸光系数的新型吲哚七甲川花菁类近红外荧光小分子,为获得同时具有肿瘤细胞线粒体靶向、同步光热和光动力治疗的多功能小分子提供了候选化合物。二、目标光敏剂的筛选及体外多种肿瘤细胞中的光热和光动力作用研究:从合成的27个代表性吲哚七甲川花菁类近红外荧光小分子中,通过肿瘤靶向(肿瘤组织与肌肉组织的蓄积差别)、光热特性(溶液升温情况)、光动力特性(单态氧、ros生成水平),筛选获得了具有显著肿瘤靶向特性、光热和光动力作用的新型多功能小分子化合物7。进一步在a549、h460、mcf-7、4t1等多种肿瘤细胞株上验证了化合物7的光诱导杀伤作用;通过冰浴处理或加入nac(自由基清除剂)进行干预,证实化合物7具有光热、光动力协同的杀伤效应;通过将化合物7与两种线粒体探针(mito-tracker、rho123)进行共染,确证了其线粒体靶向蓄积特性;通过流式细胞分析和westernblot检测结果发现肿瘤细胞线粒体途径的细胞调亡可能是化合物7发挥光疗效果的作用机制。三、体内多种荷瘤动物模型上验证目标光敏剂7的光学治疗作用:化合物7的靶向光学治疗肿瘤的效果依次在多种皮下移植瘤、原位移植瘤动物模型上进行了验证。通过近红外荧光成像,结果发现其在A549、4T1皮下及4T1原位移植瘤模型中均表现出良好的肿瘤选择性蓄积特性;向肿瘤部位给予(808 nm、0.8 W/cm2)的激光照射作用5分钟,然后分别通过红外热成像仪监测肿瘤部位的温度变化或检测肿瘤组织中的ROS生成水平,在体内模型中进一步证实了化合物7的光热、光动力协同治疗作用;通过测量肿瘤体积、动物体重变化情况及动物的生存率,结果证实化合物7显著地抑制了肿瘤的生长,在监测期间动物的生存率为100%并且没有动物出现肿瘤复发;通过血常规、肝肾功能生化指标的测量及主要脏器的病理切片观察,结果发现与正常对照组相比,化合物7没有引起明显的毒副作用。另外,本研究还在基于临床病人的肿瘤标本建立的PDX动物模型上确证了化合物7的优秀的肿瘤光学治疗疗效,进一步探索了其临床转化应用的前景。结论与创新本研究工作通过合理设计与化学合成,成功筛选获得了同时具有肿瘤细胞线粒体靶向特性和PDT与PTT协同治疗作用的多功能近红外小分子化合物7。这种具有近红外荧光成像功能的靶向光敏剂还能够进行肿瘤及肿瘤边界光学显像,为实现成像引导的精确光学治疗提供了潜在的可能性。据我们所知,这是第一个以肿瘤细胞线粒体为治疗靶点,同步实现肿瘤PDT和PTT协同治疗的小分子光敏剂。该光敏剂具有良好的光敏特性,可望成为用于肿瘤光学治疗的新型光敏剂,为肿瘤治疗提供了潜在的新途径。