卟啉类光敏剂的合成以及在光动力疗法中的研究进展

汪 彬，祖国平，孙迎凯，张 琰，王晓蓉，韩 蛟，张财顺

（1.辽宁石油化工大学 石油化工学院，辽宁 抚顺113001；2.新乡医学院 第二附属医院，河南 新乡453002）

卟啉与人类以及大自然都有着极为密切的联系，它广泛存在于动植物体内并扮演着重要角色。人们被卟啉的奇光异彩所吸引，卟啉化合物利用其光敏性在材料化学[1]、生物化学[2]、仿生学[3]、催化化学[4]、有机光伏电池[5]、分子识别[6]、分子靶向药物[7]、癌症的光动力学治疗[8]等不同领域都有着广泛的应用，在捕光和能量转移方面有着优异甚至不可替代的作用，这种被称为“生命的染料”的活性物质应用于光动力疗法(PDT)被广泛关注。

PDT 已经成为治疗癌症的一项常规手段[9]，其主要原理是向身体里注射一种光敏剂，然后用特定波长的激光去照射肿瘤组织表面或者将光纤插入肿瘤内部进行照射，光敏剂吸收激光能量产生活性氧，从而杀灭肿瘤细胞[10]。PDT 对癌细胞的选择性较高，并对病人机体其他部位的伤害较小，因此相对于传统的手术治疗有着广阔的发展前景与应用空间[11]。目前，全球许多科研工作者热衷于该方面的研究，PDT 已经应用于临床医学，对皮肤病、消化系统疾病、癌症、风湿、胃部等病症都有着较好的治疗效果[12]。

PDT 的实施离不开三大要素：光敏剂(Photosensitizer)、光源(Optical)、活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS)。其中，光敏剂是产生活性氧的源头，随着科研工作者的不断研究，卟啉类光敏剂的发展已经进入第三代。但是到目前为止，同时具有纯度高、性质相对稳定、光毒性强、暗毒性低、对病变组织有良好选择性、可快速有效地从体内清除等特点[13-14]的卟啉类光敏剂少之又少，因此研发具有高效选择性地杀死癌变细胞能力的卟啉类光敏剂具有重大意义。鉴于近几年越来越多出版物和学术论文的发表推动卟啉类光敏剂领域的发展[15-16]，本文将综述此类型光敏剂的合成、发展以及近年来重要并有代表性的工作。

1 卟啉类光敏剂简介

卟啉广泛地存在于自然界中，例如叶片中所含的叶绿素、人体血红蛋白中的铁卟啉、身体中必不可少的维生素B12等，如图1 所示。

卟啉化合物结构（见图2）中，3 个化合物有着共同的中心结构，此为卟啉的核心结构——卟吩（见图2(a)），由亚甲基和吡咯形成的环型结构杂环化合物，由于环内双键、单键交替排列形成了共轭体系，根据德拜休克尔公式计算满足4n+2 规则，因此卟啉化合物属于芳香族化合物[17]。图2(b)是卟啉的衍生物，在亚甲基的位置上可以增加取代基，在4 个亚甲基位置上的取代基可以相同，也可以不同。图2(c)为金属卟啉结构式，这类物质具有部分金属的性质[18]。

卟啉化合物的命名有两种方式，即IUPAC 法和Fischer 法，如图3 所示。两者命名最大的不同是对亚甲基碳的命名不同，一个是用数字代替，一个是以希腊字母代替[19]。

卟啉类衍生物的颜色多为深色，吸光性能好，是一种优良的光敏剂[20-21]。通过改变其母环上的取代基，可将卟啉类化合物的紫外可见吸收光谱红移或波谱变宽，因此在生物和化学领域有较高的研究价值[22-23]。

2 卟啉类光敏剂的合成方法

2.1 卟啉衍生物的合成

卟啉衍生物的合成主要有4 种经典方法：Paul R 法、MacDonald F 法、Adler A D 法、Jonathan S L法。随着科研工作者的不断探索，其合成方法也越来越多，如郭灿城合成法、微波合成法等。

2.1.1 Paul R 合成法 Paul R 法合成路线如图4所示，吡咯和醛类化合物经水浴加热生成相应的卟啉化合物[24]。Paul R 合成方法只有少量的醛类适用，例如甲醛、芳香醛类化合物可以与吡咯生成相应的卟啉化合物；Paul R 反应产率较低，因此该合成方法现在几乎不再使用。

2.1.2 MacDonald F 合成法 MacDonald F 法 合成路线如图5 所示，此反应由2 个二吡咯甲烷缩合而成，又名[2+2]反应[25]。MacDonald F 合成法使卟啉化合物的取代基变得不再单一。但是，MacDonald F 合成法生成较多的副产物，在提纯过程中需要注意，防止产物不纯。

2.1.3 Adler AD 合成法 A.D.Adler 等[26-27]对Paul R 合成方法进行改进，吡咯与苯甲醛在丙酸中回流，合成出四苯基卟啉(TPP)，反应的产率比Paul R 合成法有所提高，如图6 所示。由于反应在丙酸溶液中进行，因此原料与产物都要具有一定的耐酸性。

2.1.4 Jonathan SL 合成法 Jonathan SL 法对上述几种合成方式进行了优化和补充[28]。以合成TPP（如图7 所示）为例，在氮气保护或隔绝氧气的条件下，在二氯甲烷溶液中加入相同物质的量的吡咯和苯甲醛，再加入催化剂三氟乙酸，常温搅拌后加入2,3-二氯-5,6-二氰基苯醌(DDQ)进行氧化，从而合成四苯基卟啉。Jonathan S L 法改进了反应环境，使反应不需要加热便可进行。但Jonathan S L合成法在高浓度中不发生环化反应，因此需要严格控制浓度。

2.1.5 郭灿城合成法 郭灿城课题组对四苯基卟啉(TPP)的合成方法进行改良，在N,N-二甲基甲酰胺中加入相同物质的量的吡咯和苯甲醛，以AlCl3作为反应的催化剂，使此反应的产率维持在25%～30%。郭灿城合成法扩大了卟啉化合物的合成范围，但此反应需要避免与水接触，否则AlCl3与水生成的Al(OH)3，难以去除[29]。

2.1.6 微波合成法 自A.A.Abdel-Shafi 等[30]发现微波可以促使化学反应发生后，微波合成法得到广泛的关注。微波合成法通过微波辐射使反应进行，因反应过程绿色、高效，成为了近些年研究的热门合成方法。

2.1.7 其他方法 利用四吡咯、胆色烷自身成环这一特点也可以得到一系列对称性不一样的卟啉和在β-位有较多种取代基团的卟啉[31]，如图8所示。

2.2 卟啉低聚物的合成及聚合方式

目前对于卟啉类PDT 光敏剂来说，关注点还是集中在对单卟啉主体的修饰上，对双卟啉和多卟啉体系的研究很少。由于2 个甚至多个卟啉单体间相互作用能形成更好的共轭，使能级有了很大变化，从而相应的紫外和荧光等光物理性质也会发生变化。例 如，M.K.Kuimova 等[32]、S.Achelle 等[33]设 计合成了一系列使光谱红移、单线态氧产率增高的糖基锌卟啉衍生物，因此卟啉低聚物也具有潜在的PDT 治疗应用前景。

目前通过桥连基聚合形成卟啉低聚物的应用越来越广泛，所谓桥连基就是将卟啉单体彼此隔离，但单体间仍具有相互作用。桥连基可分为3 类：(1)非金属共价键桥连基：主要由C-O 和C-N、C-C 之间形成的共价键；其中有很多卟啉低聚物是通过在meso 位以C-C 聚合的方式形成的，但这种合成方法的缺点是产率比较低。到目前为止，通过C-C 直接键连的聚合物（含128 个卟啉单体）已被合成[34]，由于此类化合物结构简单，合成方法比较完善[35-38]，所以对于C-C 作为桥连基的卟啉聚合物应用较广泛。(2)金属配位键桥连基(例如M-N)：许多金属离子可以与卟啉单体中吡啶上的氮原子进行配位，形成相应的金属配合物。近年来，对于利用此方式连接合成金属-卟啉聚合物已经逐渐成为研究热点。(3)非共价键桥连基(例如氢键等)：因为在生物体系的光捕获系统中存在大量氢键，研究者们对以氢键等非共价键形式结合的卟啉二聚化合物的研究产生了非常浓厚的兴趣。

3 卟啉类光敏剂的发展

3.1 第一代光敏剂

20 世纪80 年代，癌卟啉(HpD)作为第一代卟啉光敏剂问世[39]，这是第一个应用于光动力治疗的光敏剂，它制备简单并能够产生大量的单线态氧，目前此类光敏剂在临床的呼吸道肿瘤、上消化道肿瘤、脑瘤、膀胱癌、胆管癌、皮肤癌等多类型恶性肿瘤应用广泛。虽然第一代光敏剂得到广泛的应用并有显著的疗效，但仍有很多缺点无法避免，例如，因成分复杂导致在临床上不同患者的表现差异较大；在特定波段的光线穿透能力较弱；代谢缓慢、停留时间较长等。

3.2 第二代光敏剂

基于对第一代光敏剂的性质和缺点，人们又成功研究出第二代光敏剂，相比于第一代光敏剂，其选择性更强，代谢速度也有了大大的提高，作用时间更短，产生活性氧产率更高。第二代光敏剂代表性的类型可以分为以下几种。

3.2.1 四苯基卟啉及其衍生物 普遍来说，卟啉都具有较好的选择性，能迅速地聚集在肿瘤细胞周围继而杀死癌细胞，并且在适当的光源照射下能进行荧光诊断。四苯基卟啉是卟啉类化合物中结构最简单的一种，同时不对称的四苯基卟啉衍生物也具有生物活性，因而它是在进行PDT 研究中必不可少的。目前它们在膀胱癌、皮肤鳞癌、乳腺癌、胃癌治疗等方面得到了广泛应用。此类卟啉化合物还包括单天门冬酰基二氢卟酚，其单线态氧产率为0.77，不会引起生物体光敏反应，其结构如图9 所示[40]。

3.2.2 酞菁类光敏剂 酞菁是卟啉的类似物，可以通过改变取代基和中心金属离子来调整其结构，以及轴向配体的空间位阻，上述变化可以使酞菁的最大吸收峰提高到700～800 nm。此外，酞菁因其稳定的理化性质在PDT 中的治疗效果是某些卟啉的100 多倍。酞菁作用时间非常短，注射13 h 后肿瘤细胞处的含量达到峰值，24 h 内就可以在体内彻底清除，以免皮肤发生光敏性反应。酞菁类化合物（见图10）在750～900 nm 有较强的吸收峰，在PDT治疗中可以有效杀死深处的肿瘤细胞[41]。陈耐生等[42]合成了一种新型酞菁类光敏剂——“福大赛因”（见图11），现已进入了临床试验阶段，并取得了理想效果。

3.2.3 稠环醌类光敏剂 稠环醌类光敏剂广泛存在于自然界植物中，应用于PDT 作用时可直接产生单线态氧或自由基等离子。这类化合物大致可分为3 类：（1）竹红菌素。竹红菌素具体可分为竹红菌甲素和竹红菌乙素两类。竹红菌甲素在碱性条件下可转化成乙素[43]，竹红菌素产生的活性氧产量高、光毒性低、代谢迅速，是一种有巨大发展前景的光动力学药物。（2）金丝桃素。金丝桃素可作为抗抑郁药使用，具有抑制中枢神经的作用，并且它在抗病毒(包括HIV)、淋巴癌等各种肿瘤的治疗中起了很大作用。（3）姜黄素。姜黄素可以有效地治疗宫颈癌，另外对口腔内的病原体也有很强的抗菌作用。此3 类化合物均为天然光敏剂，既减少了人工卟啉类光敏剂全合成过程中大量化学药品的浪费，同时自身也具有较高的单线态氧产率。

3.3 第三代光敏剂

虽然第二代光敏剂在第一代光敏剂的基础上有了很大的提升，但是在区分肿瘤细胞和正常细胞时，还是根据其生理特性，不能定向杀死肿瘤细胞。因此，在第二代光敏剂的基础上，通过引入具有靶向性的官能团或化合物（多聚体、糖类、抗体等），以此来增加在肿瘤细胞中的选择富集作用。例如，当血卟啉和具有靶向作用的单克隆抗体结合时，杀伤力非常强[44]；带有多胺修饰的硅酞菁，随着酸碱性的变化，产生单线态氧的产率是未配合酞菁的1.5～9.5 倍[45]；糖类是生物体中不可缺少的重要成分，供给细胞大量的能量，癌细胞同样也需要糖类来提供大量的能量使其增殖，并且糖类良好的水溶性能中和光敏剂的难溶特性。研究表明，用糖类进行修饰的卟啉类化合物的分子识别能力明显提高。

4 卟啉类光敏剂在光动力疗法中的应用

目前，卟啉光敏剂得到了飞速发展，为了提高卟啉类光敏剂在PDT 中生物相容性和单线态氧量子产率，可以对卟啉进行修饰，即从meso-位的苯基（硝基卟啉、糖苷化卟啉、羟基卟啉、阳离子卟啉）、β-位、卟啉中心金属化以及与纳米材料结合等方面进行研究。

4.1 对单卟啉进行改性

P.Henke 等[46]合成阳离子5,10,15,20-四（1-甲基吡啶）卟啉光敏剂（见图12），其单线态氧产率为0.74，可以用来杀菌，但其单线态氧的寿命较短，限制了它的应用。

S.Tada-Oikawa 等[47]设计并合成了给体-受体型的卟啉衍生物——内消旋-（1-蒽基）-三（N-甲基-对-吡啶基）卟啉（见图13），其与DNA 结合后进入细胞，然后通过释放单线态氧使目标细胞的DNA 损伤。因此，卟啉分子的设计与修饰对新药的开发具有重要意义。

张涛等[48]合成两亲性卟啉化合物(ZnTP-TP)，该化合物可以产生大量的单线态氧，并具有两亲性、低毒性等优点。ZnTP-TP 可以高效地杀死肺腺癌细胞A549，其结构如图14 所示。

纪海莹[49]对其课题组合成的化合物5,10,15,20-四{4-[(S)-2,6-二氨基已酰氨基]苯基}卟啉（LD4）进行了光动力学研究。结果表明，该化合物对外伤感染的治疗有一定作用，尤其是对铜绿假单胞菌作用明显，其结构如图15 所示。

F.Li 等[50]把卟啉光敏剂IR700（见图16）、聚乙二醇(PEG)、人血清蛋白(HAS)与RDG 肽进行结合，构成对细胞无毒的多价纳米聚合物，并通过光动力疗法对卵巢腺癌细胞(SKOV3 细胞)进行灭活，效果明显。

4.2 与金纳米结合

金纳米颗粒在不同的研究领域中起着重要的作用，例如纳米电子、非线性光学、生物标记和氧化催化等[51-52],尤其是金纳米颗粒的光学性质和电子性质引起了广泛关注[53]。金纳米颗粒的摩尔吸光系数很大（ε＞105L/(mol·cm)）,它的光电性质与其大小、形状和表面性质有关[54]。此外，文献[54]还报道卟啉/酞菁小分子与5 nm 的金纳米以共价键方式连接后，染料分子荧光淬灭，自激发的染料分子向金纳米发生了有效的能量转移。金纳米颗粒具有非常大的摩尔吸光系数，可以作为一种优秀的天线材料（有效地吸收和转移能量给其他组分，这种行为也可以是可逆的）。当金纳米与适当的发色团结合后（如卟啉、酞菁、富勒烯），金纳米可作为电子供体或受体。金纳米是有效的能量受体，也可以作为能量供体。在能量转移和光诱导电荷转移过程中，金纳米颗粒的参与，使整个组分成为极具潜力的光敏基元。

J.Xie 等[55]使用巯基吡啶，将锰-四苯基卟啉成功地固定在Au/SiO2上，采用巯基和吡啶基作为桥联剂，在环己烷氧化反应中提高了转化率和产物的选择性。

李苏含[56]将合成的巯基化卟啉（见图17）与金纳米棒，通过Au-S 进行结合，合成出GNRs-Porphyrin，再与抗癌药物进行结合，实现三位一体抗癌功效。该课题组合成的药物对BT474 乳腺癌细胞有一定的杀伤效果。

H.Imahori 等[57]等合成出与金纳米结合的卟啉化合物(见图18)，把其放入C60 分子孔穴中，能量转化率达到1.5%。

4.3 卟啉类光敏剂的封装与释放

S.Patachia 等[58]把系列卟啉类化合物（见图19）——5,10,15,20-四磺酸根苯卟啉(TSPP)、5,10,15,20-四吡啶卟啉(TPyP)和5,10,15,20-四苯基卟啉(TPP)分别用聚乙烯醇PVA30-98 和PVA90-98进行封装，并证实聚乙烯醇(PVA)相对分子质量越高时，包裹效果越好，并可以实现持续的释放。

D.K.Deda 等[59]合成5,10,15-三苯基-20-（3-N-甲基吡啶鎓基）卟啉，如图20 所示，把其包裹在杏仁油、黄原胶、吐温20、海洋去端胶原组成的胶囊中，通过改变吐温20 的含量，可以对胶囊的尺寸进行调控。把胶囊放到人宫颈上皮样癌细胞(HeLa)的培养皿中，采用光动力疗法进行照射，发现对癌细胞的灭活率较高。

金属有机框架（MOFs）是通过带正电荷的金属离子或金属团簇之间的强配位键周期性组装的结晶多孔支架[60]。卟啉化合物通过桥联配体或嵌入的方式包覆在金属有机框架中[61-62]。Y.Ma 等[63]把锌金属化的5,10,15,20-四（4-甲氧基羰基苯基）卟啉通过水热微乳液法与Cu(NO3)2·3H2O 结合，形成纳米铜锌混合金属有机骨架{Cu2(ZnTcpp)·H2O}n（见图21）。{Cu2(ZnTcpp)·H2O}n对于能够产生H2S 的癌细胞有着较好的消灭效果，并能根据H2S 浓度进行单线态氧的可控释放。

W.Zhang 等[64]合成出纳米金属有机骨架(Cu(II))MOF{CuL-[AlOH]2}n（MOF-2，H6L=内消旋-4（4-羧基苯基）卟啉），如图22 所示，在一些癌细胞中谷胱甘肽(GSH)含量较大，谷胱甘肽可以吸收细胞中的单线态氧，降低单线态氧的浓度从而降低了治疗效果，但在设计的化合物中Cu(II)可以吸收癌细胞中的谷胱甘肽，从而增加单线态氧的浓度，加强了光动力治疗的效果。

F.Schmitt 等[65]把卟吩封装在水溶性的金属笼（六核金属棱柱[Ru6(η6-p-PriC6H4Me)6(tpt)2(dobq)3]6+和八核金属立方[Ru8(η6-p-PriC6H4Me)8(tpvb)2(donq)4]8+）中，并在释放卟吩的过程中金属笼不会破裂，并做到了可逆的封装与释放。在致病细胞外没有检测到光毒性，因此不会让患者全身光敏感，是一种较优的光动力治疗化合物。

5 以卟啉为光敏剂的PDT 发展趋势和前景

光敏剂作为PDT 中的一个重要因素，经历了从最开始的血卟啉光敏剂到现在种类丰富的卟啉衍生物类光敏剂的过程，在很多肿瘤类治疗中被广泛应用，并取得了预期的效果。理想的光敏剂一般具有以下的特性[66]：(1)纯度高，理化性质稳定，不被消耗或损坏，同时具有亲水性和亲脂性基团；(2)在无光条件下表现为高效低毒性；(3)具有精确的选择靶向性；(4)有较高的单线态氧量子产率；(5)在长波长区（600～850 nm）具有较高的摩尔吸光系数；(6)方便合成且容易储存，在光动力治疗结束后，药物可在体内迅速代谢完全，不会对身体造成伤害。但是，要实现此目标依然具有很大挑战，笔者认为首先可在以下两个方面努力：一是在修饰卟啉衍生物的过程中，通过引入易保持三线态激发态的受体来改善其单线态氧的产率；二是适当加大亲水性取代基的比例，来解决目前绝大部分卟啉化合物亲水性有限的问题。最后，相信随着新型光敏剂的陆续开发，光动力疗法在临床治疗方面将会有突出的应用前景。