铜半胱胺：新一代多功能纳米光动力材料

撰稿：Nil, Christina & Eric ( 美国德州大学博士生)

指导和校对：陈伟教授

说明：本文由论文作者（课题组）投稿

近期，美国德克萨斯大学陈伟教授团队与合作者在Signal Transduction and Targeted therapy, Advanced Functional materials, Bioactive Materials, Materials Today Physics, PNAS,Coordination Chemistry Reviews, J. Mater. Chem. C和Materials Science and Engineering C 等期刊上发表了一系列论著，进一步介绍了该团队发明的新一代纳米光敏剂铜半胱胺的奇特效应。

这类新型纳米光敏剂除了可以用于癌症治疗之外，还可以用于细菌或病毒感染的治疗，并且它作为发光材料还可以在发光显示和光合作用的增强方面有潜在的应用。陈伟教授这一发明曾被美国电视节目CBS专门报道过，为这种新型铜半胱胺光敏剂的应用和产业化奠定了基础。

癌症是目前世界上影响人类健康的最大难题之一，被称为“二号杀手”，因此怎样治疗癌症备受关注。放疗是目前最常用的治疗方式之一；然而，放疗在治疗肿瘤尤其是深部肿瘤的同时，会随剂量增加而加重对邻近正常组织的损伤。如果能够在保证肿瘤治疗效果的前提下，尽可能地减少放射治疗的剂量，将有助于提高放射治疗的安全性。

随着纳米技术的发展，光动力治疗（PDT）逐渐成为一种具有众多优势的癌症治疗手段。然而包括紫外光、可见光、近红外光波段在内的光诱导的PDT在人体组织穿透力较差，能量衰减明显。因此，在深部肿瘤的治疗方面一直存在较大的困难。为了有针对性的解决这些问题，陈伟教授在2006年率先提出了X射线激发PDT治疗，目前这已经成为一个研究热点。

陈伟教授在2014年研发的铜半胱胺Cu-Cy光敏剂是一种多功能的新一代光敏剂。这个光敏剂比传统光敏剂的优势在于：Cu-Cy不但可以在一般的光（比如紫外光），而且还可以在超声、X射线或微波等作用下产生活性氧（ROS）（图1）。

图1：铜半胱胺光敏剂在X光、微波或超声作用下癌症治疗原理示意图

因此它不但可以用于治疗浅表癌症还可以用于深部癌症的治疗，最近的结果还表明这个新的光敏剂还可以有效地杀死细菌或病毒（图2）。可见它的应用是非常广泛的。

图2：铜半胱胺光敏剂杀死细菌的机理

近来对这一材料的研究又得到了进一步的扩展。德克萨斯阿灵顿分校陈伟课题组和湖南师范大学张漫波课题组合作找到了发光性能可调，化学稳定性增加和暗毒性降低的Cu-Cy-X（X=F, Cl, Br, I）系列纳米光敏剂。德州大学阿灵顿分校Huda教授课题组通过理论计算证实了Cu-Cy-X系列光敏剂的同构性和发光特性，并初步探索了这些光敏剂的细胞暗毒性和在紫外光和微波激发下对MCF-7细胞的光动力和微波动力效应，结果显示，相比于Cu-Cy-Cl, Cu-Cy-I具有较低的细胞暗毒性和更好的微波增敏效应。这些新型光敏剂为光动力治疗和微波动力治疗开辟了新途径。除此之外，由于它们具有很强的荧光，在固态照明和显示，荧光传感，微量水检测，细胞标记和体内成像等方面都有潜在的应用（图3和图4）。

图3. Cu-Cy-X的结构、光致发光和ROS生成示意图

图4. (a) Cu-Cy-X悬浊液的UV-vis吸收光谱；(b)室温下Cu-Cy-X紫外线的照射下(360 nm 光照射)；(c) Cu-Cy-X悬浮液的激发和发射光谱；(d) Cu-Cy-X发射衰减曲线。

根据已报道的Cu-Cy结构，中心金属铜离子与半胱胺和氯离子两种配体进行了配位。其中半胱胺螯合配体通过配位构建了Cu-Cy的二维层状结构，而末端氯离子则由于中心金属离子Cu(1)的配位环境，对Cu-Cy二维层状结构没有贡献。根据酸碱软硬理论(HSAB)，Cu-Cy中的亚铜离子属于软酸，而氯离子属于硬碱，所以Cu-Cl的共价键作用较弱，这降低了Cu-Cy的化学稳定性。基于以上分析，他们在Cu-Cy合成体系中引入具有软碱性质的Br⁻和I⁻，得到了Br和I取代氯的Cu-Cy-Br和Cu-Cy-I，从而构建了稳定性更高、发光可调、单线态氧¹O₂产生能力更强的新型增敏剂。

他们通过监测Cu-Cy-X在去离子水中的紫外-可见吸收和光致发光强度，研究了其发光的物理稳定性。Cu-Cy-X (X = F, Cl, Br, I)悬浊液在第1天，第3天和第21天的紫外-可见光谱显示随着时间的推移，Cu-Cy-I的吸收峰没有明显变化，说明Cu-Cy-I比其他化合物更稳定。在观察中，可以看出Cu-Cy-X的荧光发射强度在第3天没有发生明显的改变，表明Cu-Cy-X可以稳定48 h。第21天的测试结果显示Cu-Cy-F, Cu-Cy-Cl,和Cu-Cy-Br发射强度大幅下降，而Cu-Cy-I的发射强度则基本保持不变，说明Cu-Cy-I在水溶液中具有良好的发光稳定性。

鉴于Cu-Cy-Cl在紫外光激发下具有良好的¹O₂生成能力，有理由期望Cu-Cy-Br和Cu-Cy-I具有类似的性能。他们采用TEMP作为¹O₂的捕获剂，测量了Cu-Cy-X的EPR光谱，所有敏化剂均表现出TEMPO.的1:1:1三重态特征信号，说明Cu-Cy-X系列都能响应紫外光产生单线态氧。在相同的实验条件下，Cu-Cy-X的¹O₂生成效率为I > Br > Cl，说明Br⁻和I⁻的配位取代，提高了Cu-Cy-X的单线态氧生成能力。RNO-ID法也显示 RNO的吸光度在紫外光照射下被Cu-Cy-X产生的¹O₂猝灭，猝灭速率为I > Br > Cl，与EPR结果一致。

在用紫外光(365 nm)照射Cu-Cy-X处理过的细胞10 min后，他们评估了Cu-Cy-X在紫外光诱导下的PDT效应，由于Cu-Cy-I铜离子浸出率较低，所以它具有较低的细胞暗毒性。这一系列新材料除了在医学上的潜在应用之外，在光学传感，发光和光合作用增强方面都有比较好的应用前景。

这类新一代的光敏剂最大的优点就是可以在X光，超声或微波的激活下产生活性氧从而杀死癌细胞或病毒。能被X光激活的应用有比较明显的优越性，因为这可以与现代的放疗技术相结合以提高治疗效果并减少有害的放射性剂量和副作用。对于这方面的应用一个关键的问题就是：这类新型光敏剂能否在临床医用的X射线作用下进行有效治疗。

为此，美国德克萨斯大学陈伟教授联合中南大学湘雅二医院陈翔宇教授和肖恩华教授在这方面进行合作，首次证明了这类光敏剂可以在临床医用X射线的作用下有效工作，他们的成果发表在科爱出版社创办的期刊Bioactive Materials上：Study of copper-cysteamine based X-ray induced photodynamic therapy and its effects on cancer cell proliferation and migration in a clinical mimic setting。 

拓展：《微波光动力：微波与聚集诱导发光体的结合》

在此他们首次利用深部肿瘤模型和临床直线加速器，在较低的射线剂量下去探究Cu-Cy的抗肿瘤效果。不仅如此，他们还进一步尝试去观察抗肿瘤的机制。结果表明，Cu-Cy介导的X-PDT不仅能抑制肿瘤的生长，而且在动物体内实验中表现出了较好的安全性。

他们在小鼠体外实验首先测量了Cu-Cy的粒径、分散度、吸收曲线。在随后的细胞实验中，从多个细胞水平（包括HepG2、Li-7、SK-HEP-1、4T1）分别验证了Cu-Cy介导的X-PDT如何抑制肿瘤的增殖和迁移。实验结果均表明了Cu-Cy显著的抗癌作用，以及在未干预条件下Cu-Cy所具有的良好安全性。体内核磁共振（MRI）的实验结果表明，在Cu-Cy介导的X-PDT治疗组中能发现生长明显受限的肿瘤，通过全身扫描的结果并未发现有新发转移灶的出现。在整个治疗过程中，小鼠没有出现明显的毒性反应以及异常的行为改变。此外，通过构建兔子的VX2肝脏原位肿瘤大动物模型，从多个动物模型的实验中进一步验证了Cu-Cy介导的X-PDT治疗的有效性和安全性。

为了更加深入地了解Cu-Cy介导的X-PDT治疗抑制肿瘤表型背后的潜在分子机制，他们通过细胞生物学技术检测各表型所对应的特异性分子的表达情况。结果显示，在X-PDT治疗组中，增殖表型所对应的PCNA分子的表达量最低，而细胞迁移表型所对应的E-cad分子的表达量最高。说明X-PDT治疗相比与其他各组对肿瘤的增殖和转移都具有抑制作用。铜半胱胺Cu-Cy作为一种新型光敏剂，通过与临床直线加速器相结合，将成为一种很有前景的肿瘤治疗手段。它具有提高放疗效率和抑制肿瘤增值、转移的双重效果。这项研究加深了我们对该治疗机制的理解。而且通过模拟临床环境，证明了Cu-Cy具有临床转化潜力，为纳米材料的临床应用提供了新的策略（图5）。

图5：医用X光激发铜半胱胺治疗和可能的功能示意图

此外，陈伟团队与天津医科大学张荣信教授的团队合作研究发现这类新光敏剂在X光激发下还可以激活动物体内的免疫能力，为放疗、光动力和免疫治疗的结合打下了基础。（图6）

图6：基于铜半胱胺的放疗、光动力和免疫增强的联合治疗

对于传统光动力治疗，安全性是一个潜在的问题，因为大部分光敏剂在太阳光的照射下会产生很大的毒性，这就要求治疗后病人要在暗室避光一段时间，而对于陈伟教授团队研发的铜半胱胺新型光敏剂则不存在这个问题，因为这类新型光敏剂在太阳光的照射下不会产生有毒的活性氧，作为实际的应用这也是一个很大的优点。陈伟教授这一发明已经获得了6个美国专利和国际专利，目前陈伟教授和他的合作团队正致力于产业化的研究和大动物的实验，为进入临床和产业化做准备。

人物介绍：

美国德州大学 陈伟教授：
德州大学阿灵顿分校物理系，纳米生物物理专业终身正教授。多年来一直从事纳米技术的尖端研究，系国际著名纳米药物和癌症纳米技术专家。在癌症纳米靶向治疗和深部癌症光动力治疗剂CuS的光热治疗研究方面取得了优异成果，最先提出X光激发光动力的方法，研发出新一代可以用紫外、X光、微波和超声波激发的新型铜半胱胺光敏剂。目前在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Bioactive Materials、PNAS, Coordination Chemistry Review, Signal Transition and Targeted Therapy (Nature) 等著名学术刊物发表论文300多篇，主持编写专著1部，论文引用超过11770次，论文H指数达61。

其他合作通信作者：

肖恩华 影像医学与核医学博士，临床医学博士后，教授，主任医师，博士生导师，博士后导师，中南大学湘雅二医院医学影像中心副主任

张漫波 湖南师范大学副教授

张荣信 天津医科大学教授

张俊英 北京航天航空大学教授

MichaelP. Antosh 美国罗德岛大学副教授

MohammadHuda 美国德州大学物理系副教授

陈翔宇 放射/介入医学科副主任医师，硕士生导师，中南大学湘雅二医院研究生部副主任

黄力毅 广西医科大学 教授

相关论文信息: 

1) Xiangyu Chen, Jiayi Liu, Ya Li, Nil Kanatha Pandey b, Taili Chen, Lingyun Wang, Eric HoracioAmador, Yongjun Chen, Yuefei Liu, Enhua Xiao, Wei Chen，Study of copper-cysteamine based X-ray induced photodynamic therapyand its effects on cancer cell proliferation and migration in a clinical mimicsetting，Bioactive Materials, 2021,7:504-514,

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X2100236X?via%3Dihub

2) Y. Wang, N.D. Alkhaldi,N.K. Pandey, L. Chudal, L.Y. Wang, L.W. Lin, M.B. Zhang, Y.X. Yong, E.H.Amador, M. N. Huda, Wei Chen, A new type of cuprous-cysteaminesensitizers: Synthesis, optical properties and potential applications, Materials Today Physics 2021,19:100435,

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542529321000961

3) Qi Zhang, Xiangdong Guo, Yingnan Cheng, Lalit Chudal, Nil Kanatha Pandey, Jieyou Zhang, Lun Ma, Qing Xi, Guangze Yang, Ying Chen, Xin Ran, Chengzhi Wang, Jingyi Zhao, Yan Li, Li Liu,Zhi Yao, Wei Chen, Yuping Ran,and Rongxin Zhang, Use of copper-cysteamine nanoparticles to simultaneously enable radiotherapy, oxidative therapy and immunotherapy for melanoma treatment, Signal Transduction and Targeted Therapy (Nature), 2020, 5:58 DOI:10.1038/s41392-020-0156-4

https://www.nature.com/articles/s41392-020-0156-4

4) Samana Shrestha, Jing Wu, Bindeshwar Sah, Adam Vanasse , Leon N Cooper , Lun Ma,  Gen Li, Huibin Zheng,  Wei Chen and Michael P. Antosh, X-ray Induced Photodynamic Therapy with pH-Low Insertion Peptide Targeted Copper-Cysteamine Nanoparticles in Mice, PNAS,2019,116(34): 16823–16828

https://www.pnas.org/content/116/34/16823.short

5) Xiumei Zhen, Lalit Chudal, Nil Kanatha Pandey, Jonathan Phan, Xin Ran, Eric Amador, Xuejing Huang,Omar Johnson, Yuping Ran, Wei Chen, Michael R Hamblin and Liyi Huang, A Powerful Combination of Copper-Cysteamine Nanoparticles with Potassium Iodide for Bacterial Destruction, Mater. Sci. Eng. C. 2020, 110:1106591-8

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0928493119347927

6) Lun Ma, Wei Chen, Gabriele Schatte, Wei Wang, Alan G. Joly, Yining Huang,Ramaswami Sammynaiken, and Marius Hossu, A new Cu-Cysteamine Complex: Structure and Optical Properties, J. Mater. Chem. C.  2014, 2, 4239–4246

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2014/tc/c4tc00114a

7)  Hongyu Guo, Junying Zhang,  Lun Ma, Jose L. Chavez, Luqiao Yin, Hong Gao, Zilong Tang, and Wei Chen, A Non-rare-Earth Ions Self-Activated White Emitting Phosphor under Single Excitation, Advanced Functional Materials, 2015,  25:6833–6838

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201502641

8) Cong Wang, Shuizi Ding, Shaoxiong Wang, Zikuan Shi, Nil Kanatha Pandey, Lalit Chudal, Lingyun Wang, Zijian Zhang, Yu Wen, Hongliang Yao, Liangwu Lin, Wei Chen, Li Xiong, Endogenous tumor microenvironment-responsive multifunctional nanoplatforms for precision cancer theranostics, Coordination Chemistry Reviews, 2021, 426: 213529

www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010854520304288

监制 | 赵阳

编辑 | 赵唯

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