光動力療法（photodynamic therapy, PDT）是一種以光照激發光感物質（photosensitizers, PSs），進而產生活性含氧物（reactive oxygen species, ROS），並由 ROS 消除癌細胞或細菌的治療方法。現今 FDA 已經核准用於食道癌、非小細胞肺癌等癌症 [1]。但若光感物質的專一度不高，可能會在癌細胞以外的正常組織產生非靶性光損傷（off-target phototoxic damage）。因此，近來有兩類被認為可以減少這種副作用的方法：第一種是設計只在特定條件下，才會被光照激發的光感物質，稱為可活化光感物質（activatable PSs），先前即有研究研發在 pH 值為 5 的條件下才會被光激發的光感物質，有潛力利用於治療存在於酸性環境的癌細胞 [2]；第二種則是設計只會進入特定癌細胞的前驅物（precursor）和催化劑（catalyst），並在其中原位（in situ）合成光感物質，同樣能達到治療與減少副作用的效果。
然而，倘若第二個方法要達到相當的治療效果，目前面臨著如何將前驅物與催化劑同時送進特定癌細胞的問題。因此，本篇文章將介紹來自新加坡大學的研究團隊，使用金屬有機框架（metal-organic frameworks, MOF）MOF-199 作為載體，希望能夠解決第二類方法遇到的現實困境。
金屬有機框架 MOF-199
MOF-199 是一種嵌有 Cu 的金屬有機框架，研究團隊將光感物質前驅物 TPA-alkyne-2+ 和 MePy-N3 搭載在 MOF-199 上形成 PMOF（precursor-loaded MOF-199） [3]， PMOF 能與麩胱甘肽（glutathione, GSH）反應，使 PMOF 結構瓦解，讓前驅物 TPA-alkyne-2+ 和 MePy-N3 被釋放，MOF-199 結構也被破壞，而 GSH 可將從 MOF-199 釋放的 Cu(II) 還原成 Cu(I)， Cu(I) 則作為催化劑，催化 TPA-alkyne-2+ 和 MePy-N3 發生點擊反應（click reaction）（註1） [4]，隨之產生的 TPATrz-Py-3+ 為光感物質，照光後會被活化，能促進 1O2 的生成，由於此系統使用的催化劑即為運送前驅物的框架，上述方式可確保前驅物和催化劑同時運送至細胞內。
此外，為了提高其分散性（dispersity）和生物相容性（biocompatibility），PMOF 進一步被 F-127 包裹成 PMOF 奈米粒子（nanoparticles），稱為 PMOF NPs，F-127 是一種非離子性物質，可以提升包裹物質的細胞膜通透性與穩定性。
圖一、PMOF NPs 的構造
PMOF NPs 外圍由 F-127 包裹，內部含有搭載前驅物 TPA-alkyne-2+ 和 MePy-N3 的金屬有機框架 MOF-199。
圖片來源：https://doi.org/10.1002/ange.202017350
TPATrzPy-3+ 光感物質在體外癌細胞的合成
由於癌細胞中的 GSH 通常會比正常細胞要來得多，故此 PMOF NP 系統有潛力讓光感物質僅在癌細胞中原位合成，幫助光動力治療標靶癌細胞（圖二）。研究團隊實際將 PMOF NP 加入 HeLa 子宮頸癌細胞株與 3T3 小鼠胚胎纖維母細胞株，發現確實僅在 Hela 癌細胞中有 TPATrzPy-3+ 光感物質的合成，且其合成位置大多在粒線體，此外，作者也使用丁硫氨酸磺酰亞胺（Buthionine sulfoximine, BSO）降低 Hela 癌細胞中的 GSH 含量，並發現在 GSH 降低的情況下，Hela 癌細胞中並無 TPATrzPy-3+ 光感物質的合成，證實此 PMOF NP 系統確實能透過癌細胞中高表現GSH ，使光感物質選擇性的在癌細胞中被原位合成。
圖二、研究團隊提出的 PMOF NPs 作用機制
PMOF NPs 進入癌細胞後，因為癌細胞中較高表現量的 GSH，PMOF NPs 會被破壞，釋放出前驅物和催化劑，進而原位合成光感物質 TPATrz-Py-3+。
圖片來源：https://doi.org/10.1002/ange.202017350
PMOF NPs 在體外癌細胞與正常細胞與正常細胞的光毒性與暗毒性評估
研究人員設計了有白光照射與黑暗兩種實驗環境，在 HeLa 癌細胞或 3T3 正常細胞中分別加入不同濃度的 PMOF NPs、PMOF NPs 與 BSO（以 PMOF NPs/BSO 表示）、前驅物、TPATrzPy-3+，並測定細胞存活率。在光照射下，TPATrzPy-3+ 處理後的兩種細胞之細胞存活率都隨著濃度提高而下降，而僅 HeLa 癌細胞中的 PMOF NPs 組和其有相似效果，證明 PMOF NPs 對癌細胞的選擇性，且原位合成的 TPATrzPy-3+ 具有和非原合成的 TPATrzPy-3+ 相似的癌細胞毒性；而在黑暗環境下，皆沒有造成細胞存活率的顯著下降，代表 TPATrzPy-3+ 在無光照時並不具有細胞毒性。
圖三、HeLa 癌細胞（A）與 3T3 正常細胞（B）中，不同濃度的 PMOF NPs、PMOF NPs/BSO、前驅物、TPATrzPy-3+ 對細胞存活率的影響。
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PMOF NPs 在斑馬魚體內的癌細胞毒性
研究團隊接下來欲確認 PMOF NPs 對於活體內（in vivo）癌細胞的選擇性及細胞毒性，此處使用的模式生物為斑馬魚，其和人類的腫瘤訊息傳遞路徑相似， krasV12 基因轉殖斑馬魚可藉由適當誘導表現致癌基因 kras V12，進而產生腫瘤，而半透明的斑馬魚則讓研究者可以監測斑馬魚體內 TPATrzPy-3+ 光感物質分布與腫瘤體積變化 。
由於 PMOF NPs 和 TPATrzPy-3+ 在斑馬魚體內傳輸的效率可能有差異，因此除了前驅物、 PMOF NPs 和 TPATrzPy-3+ 之外，研究者還設計了一組搭載於 MOF-199 的 TPATrzPy-3+，並同樣外包裹 F-127（以下稱 TPATrzPy-3+@MOF NPs），以便進行比較。
在腫瘤減小效果方面，使用 PMOF NPs 的斑馬魚腫瘤體積平均減少 40%，和TPATrzPy-3+ 及 TPATrzPy-3+@MOF NPs 相似，代表在斑馬魚體內，原位合成的 TPATrzPy-3+ 亦具有和非原位合成的TPATrzPy-3+ 相似的癌細胞毒性。
圖四、斑馬魚加入兩種前驅物、PMOF NPs、TPATrzPy-3+、 TPATrzPy-3+@MOF NPs 後腫瘤螢光影像與體積變化比較。 （Blank： 無加藥、無照光的控制組；Light Control：無加藥、有照光的控制組）
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PMOF NPs 在小鼠的長期毒性與生物降解性
研究人員利用小鼠動物模型來確認 PMOF NPs 的長期毒性（long-term toxicity）和生物降解性（biodegradation），小鼠被注射 PBS 或 PMOF NPs，注射後 24 小時內，於特定時間點收集小鼠的血液進行藥物動力學分析，而在第 0 天與第 18 天則進行血液生化分析。結果發現，PMOF NPs 會隨著時間的推移被小鼠降解，不會在體內積累，並且對小鼠的長期影響不明顯。
結語
本篇研究使用金屬有機框架 MOF-199 作為載體，加入 TPA-alkyne-2+ 和 MePy-N3 兩種前驅物與 F-127 包裹形成 PMOF NPs，在癌細胞中， MOF-199 上的 Cu(II) 被高表現量的 GSH 還原成 Cu(I) ，催化前驅物反應，原位生成 TPATrzPy-3+ 光感物質，照光後則能產生活性含氧物。PMOF NPs 和非原位生成的 TPATrzPy-3+ 具有相似的癌細胞毒性，可減少斑馬魚中的癌細胞體積，研究中亦透過小鼠模型，證實此 PMOF NPs 會逐漸在小鼠體內被降解，不具有明顯的長期細胞毒性。這個具有癌細胞專一度的光感物質系統或許能成為光動力療法在癌症治療上發展的另一條途徑。
註 1 : 點擊反應指的是兩種小單位有機分子能快速接上，在碳原子與雜原子形成有效鍵結的化學反應。
Main Article:
Wang, Y., Xu, S., Shi, L., Teh, C., Qi, G., & Liu, B. (2021). Cancer‐Cell‐Activated in situ Synthesis of Mitochondria‐Targeting AIE Photosensitizer for Precise Photodynamic Therapy. Angewandte Chemie, 133(27), 15072-15080. https://doi.org/10.1002/ange.202017350
參考文獻：
- Photodynamic therapy for cancer. (2021, June 21). National Cancer Institute. https://www.cancer.gov/about-cancer/treatment/types/photodynamic-therapy
- Shao, L., Pan, Y., Hua, B., Xu, S., Yu, G., Wang, M., & Huang, F. (2020). Constructing adaptive photosensitizers via Supramolecular modification based on Pillararene host–guest interactions. Angewandte Chemie, 132(29), 11877-11881. https://doi.org/10.1002/ange.202000338
- Wang, Y., Xu, S., Shi, L., Teh, C., Qi, G., & Liu, B. (2021). Cancer‐Cell‐Activated in situ Synthesis of Mitochondria‐Targeting AIE Photosensitizer for Precise Photodynamic Therapy. Angewandte Chemie, 133(27), 15072-15080. https://doi.org/10.1002/ange.202017350
- Meldal, M., & Tornøe, C. W. (2008). Cu-catalyzed azide− alkyne cycloaddition. Chemical reviews, 108(8), 2952-3015. https://doi.org/10.1021/cr0783479
- White, R., Rose, K., & Zon, L. (2013). Zebrafish cancer: the state of the art and the path forward. Nature Reviews Cancer, 13(9), 624-636. https://doi.org/10.1038/nrc3589
撰文｜游霈柔
審稿｜陳品萱、解淮清
