李学宇， 缪煜清， 李钰皓

（上海理工大学 材料与化学学院，上海 200093）

世界卫生组织报告显示，癌症是全球第二大死因，全球大约1/6 的死亡由癌症造成[1]。目前，常用的癌症治疗方法包括手术、化疗和放疗[2]。近年来，免疫治疗也在部分癌症的治疗中表现出色。手术和放疗治疗癌症有其局限性，只能对局部癌变组织进行治疗。相比而言，化疗更适用于不易切除和不易放疗的癌症，同时也适用于手术和放疗后的全身性癌细胞清扫。在过去的几十年里，顺铂（一种贵金属配合物）已经成为临床化疗的一线药物，这表明贵金属配合物可作为潜在的抑制细胞生长的抗癌药物，研究人员对此产生了浓厚的研发兴趣[3]。目前，除了开发铂（Pt）配合物，基于金属钌（Ru）和铱（Ir）的配合物也作为候选药物表现出较好的抗癌疗效[4]。在生物领域中常见的铱配合物包括单核、双核和三核铱配合物[5]，还有根据改变配体形成八面体环金属化铱配合物和“半三明治”结构的铱配合物等[6]。其中，八面体环金属化铱配合物因其量子产率高、斯托克斯位移值大、发光寿命长、光稳定性好等特点，在生物光学成像和肿瘤治疗等领域被大量研究[7]； “半三明治”结构的铱配合物因其独特的抗癌机制和突出的抗肿瘤疗效，也在肿瘤治疗中被重点研究。由于配合物结构的易修饰特性，铱配合物还表现出强细胞渗透能力以及独特的细胞器靶向功能，赋予铱配合物更多的成像与治疗特性[8]。目前已有的铱配合物综述主要以结构修饰[9]、荧光探针[10]、传感器和发光电化学池[11]为主，在这篇综述中，侧重总结铱配合物在光学成像、细胞器靶向和抗癌机制中的研究，探讨铱配合物在诊断和肿瘤治疗中的研究进展。

1 生物成像

利用成像技术了解生物体的功能和结构特性在诊断和治疗中尤为重要，现代生物成像诊断是一项复杂的技术。目前常用的成像方式包括磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）、X 射线计算机断层成像（computed tomography，CT）、超声成像和核素成像等，这些成像方式在活体组织至细胞或分子水平上为观察对象的结构、形貌、组分、动态和功能提供重要工具。目前，基于光学的生物成像在生物医学领域被广泛研究，可实现活体、组织或细胞微观结构的观察。铱配合物具有良好的生物成像性能，包括可调谐的磷光发射范围、长磷光寿命、高量子产率、大斯托克斯位移、高的光稳定性、特定的亚细胞定位和较低的细胞毒性等。用于生物成像尤其是活体成像时，激发光的波长最好在近红外区（650～900 nm），这个范围的激发光在体内表现出更强的穿透力，还可降低生物组织自发荧光的干扰[12]。此外，铱配合物的磷光寿命在纳秒至微秒级别可调，而生物组织自发荧光寿命只有几纳秒，因此，通过以脉冲激光为光源激发区别于生物自发荧光的短发光寿命，铱配合物的长发光寿命还可实现基于长磷光寿命的时间分辨光学寿命成像[13]。

铱配合物用于磷光发光的光学成像和寿命成像的研究较多，主要是通过改变环金属配体的共轭长度和供吸电子效应等调控铱配合物的发光与寿命[14]。在此基础上，近期的研究还实现了对特异性细胞器的成像，如线粒体、内质网、溶酶体、细胞核等，目前线粒体靶向型铱配合物的研究较多[8]。图1 为生物成像用铱配合物的结构。Redrado 等[15]将有机发色团（吖啶）结合到铱配合物中，当用400 nm 蓝光激发时，在细胞线粒体中观察到明显的光学信号，其结构如图1（a）所示。Liu 等[16]合成了两种不同金属配体的铱配合物，结构如图1（b）和（c）所示，此两种铱配合物的发光量子产率分别为0.62 和0.85，细胞定位和元素成分分析共同证明配合物在线粒体中积累，可作为近红外磷光探针进行线粒体成像。Jin 等[17]开发了两种铱配合物作为高效的三光子磷光试剂用于线粒体的光学和发光寿命成像，不仅提高了穿透深度和成像的分辨率，还可以对活体标本进行三维脑血管重建，其结构见图1（d）和（e）。Dai 等[18]报道了一种配体被酯基修饰的铱配合物，共聚焦成像表明该配合物可渗透活细胞的细胞核，实现细胞核定位荧光成像，其结构如图1（f）所示。通过对大量文献总结可知，在配合物结构中引入三苯基膦或吡啶基团可靶向细胞线粒体、引入吗啉基团可靶向溶酶体，而对于内质网和细胞核的靶向性则尚未明确[19]。这些研究表明通过改变配合物的辅助配体、中心原子核数、细胞器靶向基团等方式可拓展铱配合物在生物成像中的应用，实现精准靶向成像。

图1 用于生物成像的铱配合物的结构Fig.1 Structures of iridium complexes for bioimaging

2 肿瘤治疗

2.1 光动力治疗

光动力疗法（photodynamic therapy，PDT）是一种光激活和非侵入性的治疗方法，通过光敏剂催化肿瘤内的底物产生过量活性氧（reactive oxygen species，ROS）诱导细胞死亡，从而实现对癌症的治疗[20]。引入有针对性的外部光源给予能量后，光敏剂受激发跃迁至单重激发态，通过系间窜越进入三重激发态[21]，并在此状态下以辐射跃迁（发光）、非辐射跃迁（发热）或能量传递光敏氧化（I 型和II 型）途径回到基态[22]。通过两种光敏氧化途径可实现对癌症的光动力治疗。在I 型反应中，通常激发态的光敏剂和周围的氧分子之间发生单电子转移作用，产生超氧阴离子自由基（·O2−），同时空穴可以氧化水产生羟基自由基（·OH）。在II 型反应中通过三重态–三重态碰撞机制[23]，处于三重激发态的光敏剂通过能量转移直接与氧分子碰撞形成单线态氧（1O2），实现光动力治疗[24]。这些不同种类的活性氧都具有细胞毒性，通过脂质过氧化和线粒体功能障碍等导致细胞受损乃至死亡[25]。目前，大多数光敏剂主要通过II 型途径发挥作用。

在众多金属配合物光敏剂中，铱配合物是一类重点研究的光敏剂。目前，提升光动力学治疗的策略主要有两种，一是提高活性氧生成产率；二是提高对特殊细胞器的靶向性，实现精准光动力学治疗。通过提升活性氧产率策略，如图2（a）所示，Xu 等[26]通过调节铱配合物的配体，实现有效的三重态能量转移从而提高单线态氧量子产率。多核配合物激发态的能级比单核配合物更加复杂，多核配合物的光物理性能得以进一步调节和优化。Zhang等[27]设计合成了一系列含有不同中心铱数量的单核、双核和三核铱配合物，实验证明单线态氧的生成能力与铱中心数量的增加有关，这为增加光敏剂金属中心数目提高活性氧产率提供研究基础。另外，多核铱配合物还可以增强自旋–轨道耦合，进而改善系间窜越过程，提升活性氧产率。Li 等[28]设计并合成了一种三核铱配合物，与单核铱配合物相比，三核铱配合物提高了单线态氧的生成能力，证明了这一结论。

通过靶向特殊细胞器的策略，可实现光敏剂精确递送，提高治疗疗效。Zafon 等[29]合成了一种含有苯并咪唑结构的铱配合物，在光照后表现出较强的细胞毒性。机制研究表明，铱配合物通过内吞作用被细胞摄取后优先在线粒体中积累，在光激发下产生大量的单线态氧从而引起细胞死亡。线粒体和溶酶体分别在细胞呼吸和消化中发挥着重要作用，它们都与细胞凋亡密切相关。除了靶向细胞线粒体，通过靶向细胞溶酶体并在光激活下利用光敏剂破坏溶酶体的生物学功能，也可导致肿瘤细胞死亡。Shen 等[30]合成了两种配体修饰的铱配合物光敏剂，其结构如图2（b）和（c）所示。这2 种铱配合物光敏剂分别特异性靶向线粒体和溶酶体，实现了有效的特定细胞器光动力治疗。此外，人血清白蛋白偶联物可用于递送抗癌药物和靶向细胞核，Zhang 等[31]合成了一种有机铱–白蛋白生物结合物（结构如图2d 所示）。与母体铱配合物相比，有机铱-白蛋白生物结合物具有长的磷光寿命和高的单线态氧量子产率，是有效靶向细胞核的铱基光敏剂。总之，过渡金属铱的重原子效应促进了配合物从单线态到三线态的系间窜越，从而促进了通过光敏氧化途径实现活性氧的产生，奠定了细胞光动力治疗的基础。近年来，光动力疗法在治疗浅表肿瘤如皮肤和乳房肿瘤或软组织肉瘤等方面疗效显著。尽管对光动力疗法已开展大量研究，但疗效仍受到光源穿透深度和光敏剂吸收率低的影响，其临床应用受到限制[20]。因此，开发靶向型光敏剂和近红外光激发及高活性氧产率的光敏剂是有必要的，尤其是通过改变光敏剂剂型，利用纳米技术实现精准药物递送可实现光动力治疗效果的提升。

2.2 化疗药物

近年来，顺铂、奥沙利铂和卡铂等铂类化合物作为癌症的主要化疗药物，其严重的副作用以及癌细胞获得耐药性限制了该类化疗药的进一步发展。因此，开发新型化疗药一直是研究的热点。铱配合物因其独特的抗癌机制而成为铂基抗癌药物的潜在替代品。铱配合物可通过参与细胞氧化还原反应抑制多种蛋白质活性，还可通过诱导细胞通过凋亡、铁死亡、免疫原性细胞死亡等方式发挥作用。目前已报道的铱配合物主要以环戊二烯或苯基吡啶为配体，分别构建“半三明治”结构的铱配合物和环金属铱配合物。通过对环戊二烯或吡啶上衍生基团的合理设计可以调节和改善铱配合物的性能，进而提升抗癌效果。以下通过不同的细胞死亡方式分别说明铱配合物作为化疗药物的应用。

2.2.1 细胞凋亡

细胞凋亡是细胞在一定的生理或病理条件下，受内在遗传机制的控制自动结束生命的过程。细胞凋亡与细胞坏死不同，细胞凋亡是一种主动过程，涉及一系列基因的激活、表达以及调控等作用。许多铱配合物可以靶向线粒体并导致其功能障碍，诱导细胞凋亡。Chen 等[32]设计了一种适体–铱配合物可以特异性地识别癌细胞中过度表达的核仁素并介导铱配合物靶向肿瘤细胞。此外，适体–铱配合物可在细胞线粒体内蓄积，并诱导线粒体功能障碍和细胞凋亡。再者结构如图3（a）所示，Venkatesh 等[33]设计并合成了八面体环金属化铱配合物，同样实现了线粒体定位并引发膜电位变化，诱导细胞凋亡。

图3 诱导细胞凋亡的铱配合物的结构Fig.3 Structures of iridium complexes inducing apoptosis

除了在线粒体积累，在溶酶体积累也可诱导细胞凋亡，例如Kong 等[34]设计了一种新型半夹心铱配合物，可以靶向溶酶体，对A549 癌细胞作用24 h 后的杀伤活性是顺铂的6 倍，并且杀伤活性随环戊二烯配体上苯基数目的增加而增加。Hao 等[35]报道了多种可同时靶向溶酶体和线粒体的具有半三明治结构的铱配合物。这些配合物最终导致溶酶体损伤和线粒体膜电位的改变，扰乱细胞生长周期，诱导细胞凋亡。部分配合物（结构见图3b）表现出优于顺铂近5 倍的抗癌效果。

除此之外，铱配合物还能诱导细胞产生过量活性氧，导致细胞氧化损伤实现细胞凋亡。Zhang等[36]合成了一组有机金属半夹层铱配合物，随着配合物诱导细胞内活性氧水平增加，细胞死亡比例增加，表明高浓度活性氧水平变化在诱导细胞凋亡中起着至关重要的作用。Li 等[37]研究了5 种环金属化半夹心铱配合物的抗肿瘤机制，研究表明，通过引起细胞内活性氧水平升高，这些配合物可引起细胞周期紊乱并实现细胞凋亡。因此，铱配合物可以通过定位线粒体或溶酶体导致线粒体膜电位改变或溶酶体损伤诱导细胞凋亡，同时也可以通过诱导生成高浓度活性氧导致氧化应激和细胞凋亡。

2.2.2 铁死亡

铁死亡是一种铁依赖的且区别于细胞凋亡、细胞坏死、细胞自噬的新型细胞程序性死亡方式。铁死亡的主要机制是，在二价铁或酯氧合酶的作用下，催化细胞膜上高表达的不饱和脂肪酸，发生脂质过氧化，从而诱导细胞死亡；细胞发生铁死亡的主要特征体现在线粒体的形态变化上。过量铁负载引发的质膜过氧化，会改变质膜的流动性和完整性，使线粒体外膜破裂，体积缩小，嵴减少或消失，最终导致线粒体功能缺失。在铁死亡的发生过程中，除了细胞内铁和亚铁离子的积累、活性氧的增加，通常还伴随着谷胱甘肽过氧化酶（glutathione peroxidase 4，GPX4）下调导致谷胱甘肽代谢水平的降低等。针对这一通路中的任一过程进行作用均有可能实现细胞铁死亡。结构如图4（a）所示，Yuan 等[38]设计了一种线粒体靶向基团（三苯基膦）修饰的铱配合物，用该配合物处理MCF-7 细胞并进行铁死亡相关标志物研究。结果表明，配合物处理后的细胞脂质过氧化物积累明显、谷胱甘肽过氧化酶的表达被抑制、线粒体形态改变，这些共同导致脂质过氧化物积累并最终引起细胞铁死亡。Wang 等[39]将二茂铁修饰的二膦配体引入铱配合物中实现了溶酶体靶向，结构如图4（b）所示。由于配合物中二茂铁结构的存在，在溶酶体的酸性环境下，该配合物能有效实现芬顿催化反应，产生羟基自由基并诱导脂质过氧化，同时下调谷胱甘肽过氧化酶，引起细胞发生铁死亡。

2.2.3 免疫原性细胞死亡

免疫原性细胞死亡（immunogenic cell death，ICD）是指肿瘤细胞受到外界刺激发生死亡的同时由非免疫原性转变为免疫原性而介导机体产生抗肿瘤免疫应答的过程。Wang 等[40]以N,N-双（2-氯乙基）氮烷衍生物作为辅助配体合成了环金属化的铱配合物（结构见图5），该配合物可以靶向内质网并诱导内质网应激。在实验中，该配合物可诱导非小细胞肺癌细胞产生多种免疫原性死亡特征，即钙网蛋白暴露于细胞表面、高迁移率族蛋白B1 的胞外释放和三磷酸腺苷的消耗，证实了该配合物可以诱导细胞免疫原性死亡并实现对肿瘤的治疗。

3 结论与展望

介绍了近几年金属铱配合物在生物成像和肿瘤治疗中的应用。目前开发的铱配合物主要以单核铱配合物为主，包括有机金属半夹心铱配合物和环金属化八面体铱配合物，研究者们大都选择环戊二烯、苯基吡啶、三联吡啶等作为配体，采用合适的基团进行修饰以改善配合物的水溶性和生物相溶性。同时在配合物上连接靶向基团以促使配合物进入肿瘤细胞内定位特定细胞器。铱配合物用于肿瘤治疗主要以光动力治疗和化疗为主，不少铱配合物展现出良好的光动力学活性，具有较高的活性氧产率；利用铱配合物的配体易于修饰，实现不同的细胞死亡方式，表现出较高的抗肿瘤活性，使得铱配合物有望在临床中进行转化。虽然铱配合物的研究已取得较大进展，但仍面临诸多挑战：（1）铱配合物在体内的摄入与代谢过程中的存在状态和角色尚未明确；（2）铱配合物与生物靶分子之间的相互作用尚未明确，未来需要探索更多可能的靶分子，同时明确两者之间的相互作用；（3）铱配合物的发光性能与抗肿瘤性能的协同作用还需探索优化。我们希望借助总结这些研究结果为开发抗肿瘤铱配合物药剂提供帮助，也希望铱配合物能成为新一代的肿瘤诊疗药物。