【原】【材料】JACS：PDT的新思路——无重原子光敏剂的设计合成

              

光动力疗法（PDT）是一种基于光化学的疗法，将光敏剂（PS）和光结合，在癌症治疗学中起着重要的作用。迄今为止，已经有许多PS被运用于临床前和临床研究。然而，传统PS的三重态量子产率很低，通常需要掺入重原子以增强其系间窜越（ISC），这可能导致成本增加且产生“暗毒性”。因此，设计不含重原子的三重态PS仍是一个艰巨的挑战。

近日，韩国梨花女子大学的Juyoung Yoon教授和韩国高丽大学的SungnamPark教授合作提出了一种高效且可活化光敏剂的新设计策略——用硫原子取代萘二甲酰亚胺（RNI-O）中的两个氧原子使所得的硫代萘二甲酰亚胺（RNI-S）的荧光淬灭，这说明硫取代增强了从单重激发态到三重态的系间窜越。更重要的是，所得的化合物MANI-S在严重缺氧条件下（1% O₂）仍产生大量活性氧（ROS）。另外，ROS的生成能力在生理条件下由于自组装被抑制，而在癌细胞中得以恢复。相关成果以“An Emerging Molecular Design Approach to Heavy-Atom-Free Photosensitizers for Enhanced Photodynamic Therapy under Hypoxia”为题发表在J. Am. Chem. Soc.上（DOI: 10.1021/jacs.9b09220）。

 

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

首先，作者根据文献的方法合成化合物RNI-O，在劳森试剂、甲苯的条件下，一锅法合成了RNI-S，并通过NMR和质谱进行表征（Scheme 1）。随后，作者测试了RNI-O和RNI-S的紫外和荧光光谱（Table 1，Figure 1a和1b）。结果表明，随着4-R基团的给电子能力增强，吸收带逐渐红移；另外，RNI-S的最大吸收值较RNI-O相比有100 nm的红移且摩尔吸收系数增加。因此，通过改变供体基团以及用硫原子置换氧原子可以发生有效的HOMO去稳定和LUMO稳定作用，从而使吸收光谱红移至生物窗口（Figure 1c）。另一方面，所有RNI-O化合物均显示出强荧光，具有良好的量子产率（Φ=0.04-0.99）；RNI-S则无荧光（Φ=0.04-0.09），这表明硫取代可增强从单重激发态到三重激发态的ISC过程。

（来源：J.Am. Chem. Soc.）

随后，作者测定了RNI-O和RNI-S的单线态量子产率（Φ∆），用于阐明其三重态的形成。RNI-O几乎无Φ∆，而RNI-S表现出较高的Φ∆，且随着4-R基团的供电子能力增强而增加（Table 1）。为了进一步了解三重态形成的机制，作者对RNI的优化结构进行了理论计算：用硫替代氧后，自旋轨道耦合（SOC）常数显著增加，三重态能隙（∆E_ST）降低，导致RNI-S的ISC速率常数（k_ISC）大大提高，说明从S₁态到T₃态的ISC是三重态形成的主要原因（Figure 1d）。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

为了进一步确认三重态的产生并评估RNI-S用于PDT的潜力，作者探究了其在水中的ROS生成能力。在水/二甲亚砜体系中，RNI-S均自组装形成纳米颗粒，且NanoMANI-S由于氨基的亲水性在水溶液具有很好的稳定性，可进行后续的测试。此外，作者发现与DMSO中的MANI-S单体相比，NanoMANI-S在水中的吸收光谱蓝移并变宽，表明生成了可淬灭ROS生成的H聚集体，因此MANI-S也许可用于“开关”型PS。为了验证其“关闭”ROS生成的能力，作者用白蛋白作为靶向蛋白，将完整的NanoMANI-S分解为单体—破坏的NanoMANI-S（Figure 2d，2e）；随后以MB为参比，测试了完整和破坏的NanoMANI-S的ROS生成率。结果表明，被破坏的NanoMANI-S的ROS生成率明显高于完整的NanoMANI-S，且比MB高2.5倍，这些均说明了MANI-S是一种良好的可切换光活性的PS（Figure 2a）。

与此同时，作者研究了MANI-S的O₂^·-产生，观察到被破坏的NanoMANI-S产生的O₂^·-量明显高于完整的NanoMANI-S，为MB的3.0倍（Figure 2b）。另外，实验过程中也观察到¹O₂的产生，表明MANI-S也通过Ⅱ型机制产生ROS。综上所述，MANI-S可能通过Ⅱ型和Ⅰ型机制同时产生作用。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

最后，作者通过MTT分析了MANI-S对Hela细胞的抗癌作用。在光照条件下，MANI-S的治疗效果明显优于MB，且随着浓度的增加，治疗效果增强（Figure 3a）。为了评估MANI-S对缺氧性肿瘤的光动力治疗潜力，作者在缺氧（1% O₂）条件下探究其PDT效果。结果表明，与常氧（20% O₂）条件下相比，缺氧条件下MANI-S诱导的Hela细胞死亡率基本相同。作者通过calcein-AM/PI进行活（绿）/死细胞（红）染色（Figure 3c，d），DCFH-DA/DHE进行总ROS（绿）/O₂^·-（红）检测（Figure 3e，f），结果均证明了MANI-S对癌细胞优异的光细胞毒性。

（来源：J. Am. Chem. Soc.）

总而言之，作者基于硫代羰基萘二甲酰亚胺设计了一个无重原子的三重态光敏剂。硫的取代使吸收光谱红移并提高RNI-S的ROS生成率；给电子基团4-R的掺入显著增强ROS的生成能力。更重要的是，即使在严重缺氧（1% O₂）的条件下，MANI-S仍发挥出优异的PDT作用，这为基于此方法的衍生产品的开发提供了一定的帮助。