基于金属富勒烯的光治疗功能材料的合成及应用研究

Photodynamic therapy is a minimally invasive tumor treatment technology based on photosensitizer, oxygen and excitation light with a highly selective destruction and basic non-toxic side effects. Photosensitizers are crucial to photodynamic therapy. Fullerenes can generate large reactive oxygen species upon irradiation with UV or visible light to damage tumor cells. Metallofullerenes，Gd@C82 and Sc3N@C80, with a much more extended π-conjugation and red-shifted optical absorption, facilitate the actual requirements for photodynamic therapy. So in this project, we propose to design and synthesize the novel metallofullerenes-based photosensitizers for photodynamic therapy. We will derivatize the two with different reactions to obtain three categories water-soluble compounds. Then, study how the frame stuctures, derivatization methods and numbers and types of functional groups influence the results of photo-induced cytotoxicity against in vitro tumor cells，and finally choose and further optimize the high-efficient ones to prove their photodynamic effect on mouse tumor in vivo finally. Our project will not only provide an available solution for endohedral fullerenes used as photosensitizers, but also contribute significantly to the chemical derivatization and practical applications of endohedral fullerenes.

光动力疗法是一种基于光敏剂、氧和激发光的微创肿瘤治疗技术，对肿瘤有高度选择性杀伤且基本无毒副作用，其中光敏剂是实现光动力治疗疗效的基础和关键。相较于空心富勒烯分子的光敏特性，金属富勒烯Gd@C82和Sc3N@C80的笼内离域π键体系进一步扩大，并且吸收波长发生红移，从而具有更高的单线态氧产率和组织治疗深度，基于此，本项目拟采用这两种金属富勒烯制备新型光敏剂材料，并系统研究本体结构、衍生化方式、功能化基团的种类和加成数目对癌细胞光诱导损伤的影响，以此为基础，进一步优化金属富勒烯光敏剂材料的设计，最终合成出具有高效杀伤性和生物相容性的光治疗功能材料进行动物活体的光动力实验。本项目将为金属富勒烯用于光动力治疗提供一个切实可行的方案，从而为拓展金属富勒烯的化学反应及实际应用做出有意义的探索。

在本项目的支持下，我们利用富勒烯本体，设计不同功能的亲水性基团，构建了一系列新型水溶性衍生物，系统地研究了其光敏和抗氧化效应。我们利用多巴胺（DA）的生物粘附效应，使其在富勒烯表面自聚合后作为二级功能化反应平台，可以与含有巯基(-SH)、氨基(-NH2)的亲水有机分子发生迈克尔加成和席夫碱反应，再进一步引入功能性的水溶性分子，从而实现富勒烯基光敏剂材料的生物医学应用。基于此，我们制备了C60-PDA-PEI 、C70-PDA-FA和C60-PDA-GSH这一系列水溶性衍生物，前两者均具有较高的单线态氧产率，分别实现了光诱导DNA剪切和光动力治疗效果，而后者可以实现对细胞的有效抗氧化保护。上述工作为合成功能化的富勒烯材料提供了新的思路和通用策略，且整个改性过程在水溶液中完成，反应条件温和，对材料表面的改性一步到位，可以进一步拓展富勒烯衍生物在生物技术和药物化学方面的应用，为深入研究肿瘤发生、发展和转移规律提供依据，为开高效低毒可代谢纳米光敏剂奠定基础。此外，在本项目的指导下，我们以大π体系碳笼的富勒烯C84为前体，合成了一系列丙二酸衍生物，发现C84丙二酸四加成衍生物在10 μM的低浓度下能实现对肿瘤细胞80%的致死率，是一种安全有效的光敏剂材料，有望应用于临床光动力治疗中。