亮点 | 激光为箭、核仁为靶，精准杀伤肿瘤细胞！

原文链接：雷曼,逄雯,石擘,王晨,王丹,魏勋斌,顾波波.基于核仁靶向碳点的双光子光动力疗法研究[J].中国激光,2022,49(15):1507104

核仁，肿瘤治疗研究的“盲区”？

癌症是威胁人类健康的重大疾病之一，有效的肿瘤治疗是降低死亡率的关键。在众多肿瘤治疗新方法中，光动力疗法 (photodynamic therapy，PDT) 是一种极具潜力的治疗恶性肿瘤的新技术。其原理是用特定波长的光激发聚集在肿瘤部位的光敏剂产生活性氧，杀伤肿瘤细胞。与传统的手术切除、化疗、放疗等肿瘤治疗方法相比，光动力治疗具有非侵入性、副作用小等优点，在肿瘤科、眼科和皮肤科等领域得到了广泛应用。

光的穿透深度和光敏剂的亚细胞定位是决定光动力治疗效果的两个重要因素。几乎所有光敏剂的吸收波长都位于可见光波段，而可见光在生物组织中的穿透深度非常有限，因此光动力疗法在临床中主要用于浅表疾病的治疗；但是，深层肿瘤组织的光动力治疗仍是基础研究和临床应用需要攻克的技术难题。多光子激发是解决这一难题的重要手段，用于多光子激发的近红外光具有更大的穿透深度，可以有效提高治疗深度。

此外，由于活性氧的平均寿命和作用距离都非常短，因此光敏剂在细胞中的分布决定了原发损伤位点，并进而启动各种细胞信号通路，产生多种细胞应激反应。大部分细胞器靶向的PDT研究已经非常充分且深入，然而核仁如同一个研究“黑箱”，等待着更进一步的探索。课题组前期的研究表明核仁是一个十分理想的肿瘤治疗靶点，具有更低的副作用和更好的疗效等优势，但核仁靶向双光子PDT目前几乎处于未知的状态。

核仁靶向疗法，具有优异的治疗效果

为了解决以上两点问题，上海交通大学顾波波副教授课题组对基于核仁靶向碳点的双光子光动力疗法进行了研究。首先以柠檬酸和乙二胺为原材料，通过简单的微波加热法合成了一种兼具核仁靶向能力和活性氧产生能力的碳点作为光敏剂。然后基于奥林巴斯显微系统（OLYMPUS FLUOVIEW FVMPE-RS）和飞秒激光器（Coherent Ultra II），搭建了用于双光子光动力治疗及疗效评估的光学系统，并用人源宫颈癌细胞HeLa细胞研究了肿瘤细胞双光子光动力治疗的疗效，证明了核仁靶向的双光子光动力疗法具有优异的治疗效果。

为了研究碳点的细胞内定位，选用一种商用的核仁成像探针SYTO RNASelect和碳点共同标记HeLa细胞，结果如图1所示。碳点的荧光信号与SYTO RNASelect的荧光信号完全重叠，这表明本文中合成的碳点可以有效靶向到核仁。与其他核仁靶向光敏剂相比，该碳点的优势在于无需使用核仁靶向纳米颗粒载体或者在表面修饰核定位信号分子，具有合成简易、结构简单、性能稳定等优势。

图1 碳点与RNAselect共染Hela细胞的荧光图像、叠加图像及明场图像。碳点通道（Ex: 552 nm, Em: 560-590 nm），RNASelect通道（Ex: 488 nm, Em: 510-540 nm），[RNASelect] = 10 μm, [C-dots] = 500 μg/mL

随后在不同光照条件下对HeLa细胞进行双光子光动力治疗，并使用荧光成像方法进行疗效评估。将HeLa细胞与碳点（500 μg/mL）共孵育3小时，再用飞秒激光（740 nm，28 mW）对碳点标记的HeLa细胞进行光照。在不同时间的光照后，选用Calcein-AM和PI对治疗后的HeLa细胞染色，并通过荧光成像方法评估治疗效果。如图2所示，在飞秒激光扫描的区域，随着扫描时间的增加，更多的细胞呈PI阳性，即坏死。当扫描时间增加到45 s时，几乎所有的细胞都坏死。根据实验结果可见核仁靶向PDT通过原位产生的ROS破坏癌细胞核仁中的RNA，从而达到优异的抗肿瘤效果。而飞秒激光扫描区域外都显示Calcein绿色荧光，也证明碳点良好的生物相容性。同时，仅用飞秒激光扫描的HeLa细胞（740 nm，28 mW，3 min）也显示Calcein绿色荧光，从而排除飞秒激光扫描对治疗效果可能产生的影响。

图2 核仁靶向双光子光动力疗法引起细胞坏死。HeLa细胞与碳点孵育后/HeLa细胞经过不同时间的双光子扫描。Calcein 通道（Ex: 488 nm; Em: 505-525 nm），propidium iodide （PI）通道（Ex: 532 nm; Em: 605-625 nm）

本研究设计并合成了兼具核仁靶向能力和ROS产生能力的新型碳点，具有良好的生物相容性和快速代谢等优势，可以在癌细胞核仁处产生ROS，从而在低剂量光照和光敏剂的条件下，实现有效的肿瘤细胞光动力治疗。同时该碳点具有双光子吸收能力，可以通过非线性过程被双光子激发从而获得更大的穿透深度，有利于深层肿瘤的治疗。因此，基于碳点的核仁靶向双光子光动力疗法在未来的转化医学研究中具有巨大潜力。

作者简介

顾波波，博士，副教授，博士生导师。2012年获浙江大学光学工程博士学位，之后加入新加坡南洋理工大学电机与电子工程系从事博士后研究工作，2017年加入上海交通大学生物医学工程学院，获“上海市浦江人才计划”，科技部重点研发计划等项目资助。近年来以第一/通讯作者在Light: Science & Applications, Advanced Materials等学术期刊发表论文30余篇，著有专著《Optical Imaging in Human Disease and Biological Research》（ISBN:978-981-15-7626-3）。

课题组简介

上海交通大学生物医学工程学院顾波波团队主要从事生物光子学方向的研究，包括：1）肿瘤的光学治疗和预后评估；2）新型光学成像技术的研发及生物医学应用。