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从PDT到PIT:光敏剂进化之路
发布时间:2026-09-14 发布者: 浏览次数:

从PDT到PIT:光敏剂进化之路



光敏感剂

Photosensitizer



提到癌症治疗,大多数人首先想到的传统疗法包括手术、化疗、放疗这"三驾马车"。但很少有人知道,还有一种被称为"第四大肿瘤治疗手段"的微创疗法——光动力疗法(PDT:往体内注入一种"光敏药物",再用特定波长的光照射肿瘤,药物被激活后产生大量活性氧(ROS),精准"催毁"癌细胞。

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01

PDT的三要素

PDT 需要光、分子氧、光敏剂三者协同。理想的 PDT 光敏剂(Photosensitizer, PS)需满足八项标准:

þ/近红外区有强吸收和高消光系数

þ  高单线态氧量子产率和长三重态寿命

þ  在生物介质中可溶

þ  无光照时暗毒性极低

þ  血液中快速清除

þ  单一、表征明确的化合物

þ  简单的生物相容性制剂

þ  对肿瘤具有高特异性和选择性

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02

光敏剂诱导癌细胞死亡的机制

光敏剂被光激活后从基态(S0)跃迁至激发单重态(S1)、再经系间窜越到达激发三重态(T1),随后通过两条路径产生活性氧:

Ⅰ型反应:光敏剂直接与分子氧发生电子转移,生成超氧阴离子(O₂•⁻)等自由基,进而攻击生物大分子。

Ⅱ型反应:光敏剂通过能量转移直接将基态氧转化为单线态氧(¹O₂),这是目前临床大多数光敏剂的主要路径。

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由于¹O₂半衰期极短(10–320 ns)、扩散距离仅 10–55 nm,因此光敏剂的亚细胞定位决定了细胞死亡方式:

定位于线粒体主要诱发凋亡

定位于质膜、内质网、溶酶体可导致坏死、铁死亡、细胞焦亡等

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此外,PDT 还能破坏肿瘤血管、并激活抗肿瘤免疫应答,实现长期的肿瘤控制

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03

光敏剂的三代演化

理想的光敏剂应具备:暗毒性低、化学纯度高、肿瘤选择性蓄积、室温稳定、易排泄、照光后能高效产生单线态氧,且最大吸收位于600–800 nm窗口。在此基础上,光敏剂经历了三代发展:

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第一代:以血卟啉衍生物为代表

Photofrin®(通用名 porfimer sodium)为典型,1995 年商业化,吸收峰 630 nm,定位于高尔基体和质膜,已被批准用于肺癌、膀胱癌、食管癌等。缺点是化学组成不均一、组织穿透浅、半衰期长,给药后患者需长期避光。

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第二代:结构明确的单体化合物

包括5-氨基酮戊酸(5-ALA)、二氢卟吩、菌绿素、酞菁、亚甲蓝、姜黄素等。它们在650–800 nm有更强吸收,组织穿透更深,正常组织清除更快,光毒性较第一代显著降低。

其中 ,5-ALA 作为一种前药,在细胞内转化为原卟啉 IXPpIX),已被广泛用于光化性角化病、浅表基底细胞癌等。但第二代光敏剂仍存在疏水性强、稳定性较低、肿瘤靶向性有限等问题。

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第三代:靶向化与纳米化的第二代光敏剂

通过对第二代光敏剂进行两种改造而来:

偶联靶向分子:与抗体、多肽、氨基酸、糖类等连接,实现主动靶向

负载于纳米载体:包封于脂质体、胶束、纳米颗粒、树枝状大分子等,借助肿瘤 EPR 效应被动靶向蓄积

典型代表是N-天冬氨酸二氢卟吩 e6NPe6Laserphyrin,吸收峰664 nm定位于溶酶体/内体,已在日本获批用于肺癌、肝癌、口腔癌、脑瘤等。第三代光敏剂旨在克服前两代光毒性高、光吸收率低、水溶性差等局限。


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04

光免疫疗法(PIT)

尽管前景广阔,PDT 仍面临三大瓶颈:

1)组织穿透深度有限:紫外/可见光穿透深度仅 1–3 mm,难以治疗深部或晚期肿瘤

2)肿瘤缺氧:快速增殖的肿瘤内部缺氧,限制了型反应中分子氧的供应

3)肿瘤选择性不足:系统性给药后光敏剂在体内非特异性分布,可损伤正常组织并引起皮肤光敏反应;已获批的光敏剂在近红外区吸收弱、ROS 产率低

光敏剂偶联的ADC是最常见的一种光免疫疗法(PIT)。抗体以其对相应抗原的极高选择性和亲和力,使光敏剂能够个性化治疗癌症。肿瘤靶向始于合适的生物标志物选择,许多跨膜蛋白可作为靶点,如 CXCR4、整合素 αvβ3/αvβ6HER2EGFR、叶酸受体、PSMACD40 等。抗体的内化模式(吞噬作用、微胞饮、小窝依赖的内吞、受体介导的内吞)直接影响偶联物的疗效——能内化的偶联物通常比停留在细胞膜表面的具有更好的肿瘤控制和更高的光毒性。

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05

用于抗体偶联的光敏剂

成功的生物偶联要求光敏剂具备以下理化性质:

  • 单一可反应官能团,能与抗体简便反应,且最好是区域选择性的,得到均一的偶联物

  • 在水性缓冲液中的溶解性——缺乏亲水性会导致抗体偶联物聚集沉淀

  • 其他用于增溶的基团应对抗体的氨基酸残基非反应性

引入亲水性的三种主要策略:

阴离子功能化:磺化、羧酸化、膦酸"燕尾" motif

阳离子功能化:吡啶季铵盐化、伯胺季铵化

非离子功能化PEG 化、氨基酸/肽、糖基、聚羟基

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06

光敏剂的生物偶联策略

1)赖氨酸偶联(酰胺键形成)

通过活化酯(如 NHS 酯)与赖氨酸的胺基反应形成酰胺键。这是最普遍的偶联方法之一。代表性工作:

  • 卟啉-NHS 酯偶联抗 CD104 单抗:在 UM-UC-3 细胞中 IC₅₀ = 0.09μM,比 HSA/BSA 偶联物的 LD₅₀ 低一个数量级

  • Pyropheophorbide-a 偶联 HuHMFG1 MUC1 抗体:用于 Barrett 食管和食管腺癌的概念验证,670 nm 激光照射下显著杀伤 OE19 细胞

  • 苯并卟啉单酸 A 环(BPDMA)偶联西妥昔单抗:负载比 7:1,对 EGFR 过表达的 CHO 细胞选择性蓄积,光毒性显著

  • 二氢卟吩 e6Chlorin e6)偶联曲妥珠单抗:负载比 1:1,在异种移植瘤中蓄积量比游离 Chlorin e6 6

  • IRDye700DX(酞菁)偶联西妥昔单抗670–710 nm 照射,体内肿瘤生长控制良好;偶联纳米抗体时 90% 肿瘤组织出现坏死

  • IRDye700DX 偶联曲妥珠单抗 + 5-FU:联合化疗显示协同效应,ADC 诱导凋亡、5-FU 诱导坏死

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酰胺偶联的主要缺陷:偶联均一性不足,光敏剂若非特异性地负载到表位结合区会阻碍免疫反应,且负载过高会引起自淬灭。


2异硫氰酸酯偶联

异硫氰酸酯在水相中比异氰酸酯更稳定,是与赖氨酸偶联的常用温和试剂。代表性工作:

  • 5,15-二苯基卟啉(DPP)单异硫氰酸酯偶联抗 EpCAM/ CD104 抗体: CORL23 细胞中 IC₅₀ 低至 0.17 μM,比游离卟啉(6.25 μM)降低 37

  • AB₃ 卟啉异硫氰酸酯偶联 35A7 / FSP77 单抗:内化性 35A7 偶联物 IC₅₀ = 4.2μM,显著优于非内化性偶联物

  • 两性单/三阳离子 DPP 偶联抗 CD146 抗体:LD₅₀ 比非偶联卟啉低 10

异硫氰酸酯路线被证明化学上比异氰酸酯更具通用性,可产生具有高特异性和可接受光毒性(低 μM 范围)的 ADC

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3)马来酰亚胺偶联(半胱氨酸定向)

通过还原二硫键释放游离巯基,再与马来酰亚胺发生位点特异性、化学计量的偶联。代表性工作:

  • 阳离子卟啉通过 SMCC 连接子偶联 SIP(L19) 抗血管生成单抗:实现了化学计量可控和区域选择性的偶联,对抗原阳性细胞的光毒性提升约一个数量级,在 5×10⁻⁷ M 浓度下对 LM 成纤维细胞杀伤率达 98%


4"点击"化学偶联(CuAAC SPAAC

铜催化炔-叠氮环加成(CuAAC:用于预功能化的曲妥珠单抗 Fab 片段,仅需 3 当量卟啉即可完成偶联,对 HER2 阳性细胞 BT-474 1×10⁻⁶ M 下杀伤 91%

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无铜应变促进炔-叠氮环加成(SPAAC:通过二溴哒嗪二酮张力炔实现全抗体位点特异性偶联,每个抗体负载 4 个卟啉,LD₉₀ = 625 nM


5)树突倍增技术(Dendron Multiplier

SPAAC 基础上,利用芳醚树突承载 23 4 个卟啉,与曲妥珠单抗 IgG 偶联:

  • 最大负载比达16:1

  • HER2 阳性 BT-474 细胞LD₉₀ = 37 nM(光照剂量 20 J/cm²

  • HER2 过表达或天然细胞均无暗毒性

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6SNAP-Tag 偶联

利用自我标记蛋白 SNAP-Tag Chlorin e6 偶联到抗体片段:

  • EGFR 阳性的 CHO-K1 细胞LD₅₀ = 38 nM

  • 664 nm 处的强红移吸收峰赋予其良好的组织穿透和肿瘤特异性潜力

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7)四吡咯-纳米颗粒-抗体三元偶联物

纳米载体本身可通过 EPR 效应被动靶向肿瘤,再结合抗体主动靶向可实现双重靶向:

  • 金纳米颗粒 + 卟啉 + ErbB2 抗体:卟啉-PEG 偶联物负载比高达 3882:1

  • 金纳米颗粒 + 锌酞菁 + HER2 抗体10 nM 即可诱导 SK-BR-3 细胞死亡,机制为凋亡

  • 上转换纳米颗粒 NaYF₄:Yb,Er + 锌酞菁 + 曲妥珠单抗:利用 975 nm 近红外光源,通过单线态氧生成杀伤 HER2 阳性乳腺癌细胞

  • 金纳米棒 + 卟啉 + 曲妥珠单抗:光热治疗与 PDT 协同,显著减小异种移植瘤体积,4 小时内主要通过膀胱和肾脏排泄

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展望与挑战

PDTPIT,光敏剂经历了三代演化,学家们通过化学修饰不断提高其稳定性,靶向性,响应性,让它更智能、更精准,更有疗效。然而光敏剂受困于肿瘤缺氧ROS生成依赖氧气)、光照穿透深度有限(深部肿瘤难以根治)以及缺乏标准化评估体系等问题。


未来或许可以从以下方向进行突破:

AI辅助设计:用计算模型预测光敏剂性能,加速新结构发现

高通量筛选:快速从海量化合物中识别最佳候选

标准化制造:建立纳米载体的工业化生产规范

动态自适应系统:使用多特异性抗体载体,应对肿瘤异质性

低毒性设计:在复杂架构中平衡性能与安全性

     非肿瘤领域扩展:抗炎,抗感染,诊断剂与手术引导剂等


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