研究基于锌酞菁的光敏剂在光物理化学、理论以及体外光动力作用方面的效应

《Inorganic Chemistry Communications》：Investigating the photophysicochemical, theoretical and in vitro photodynamic effects of zinc phthalocyanine-based photosensitizer

光动力治疗新型锌酞菁光敏剂合成及特性研究，经FT-IR、NMR等表征，测定荧光量子产率0.14，单线态氧量子产率0.68，对HT-29癌细胞具有浓度依赖性光毒性，对WI-38细胞影响小，证实其作为结直肠癌PDT候选光敏剂的潜力。

　　

阿苏曼·德韦奇·奥兹坎（Asuman Deveci Ozkan）| 萨利哈·特基纳萨（Saliha Tekinasa）| 奥兹格·奥兹滕（?zge ?zten）| 内谢·塔什奇（Ne?e Ta?ci）| 阿里·富尔坎·卡曼利（Ali Furkan Kamanl?）| 费尔南多·阿吉拉尔-加林多（Fernando Aguilar-Galindo）| 尤努斯·佐鲁（Yunus Zorlu）| 穆斯塔法·扎希德·耶尔迪兹（Mustafa Zahid Y?ld?z）| 埃姆雷·古泽尔（Emre Güzel）| 马赫穆特·杜尔穆什（Mahmut Durmu?）

土耳其萨卡里亚大学医学院医学生物学系

摘要

光动力疗法（PDT）是治疗癌症及其他癌症相关疾病的有效且安全的方法。光敏剂（PSs）是PDT中的关键成分，它们能够产生¹O₂或细胞毒性自由基，从而在光动力疗法中取得显著疗效。因此，开发符合临床需求的新光敏剂至关重要。由于酞菁（Pcs）具有出色的光学特性，成为光动力癌症疗法中极具吸引力的光敏剂类别。本研究合成了基于锌的酞菁（ZnPc），并通过FT-IR、NMR、MALDI-TOF光谱技术和元素分析对其化学结构进行了表征。为了确定ZnPc是否适合作为PDT的光敏剂，我们在DMSO中研究了其光物理性质（荧光量子产率和寿命）和光化学性质（单线态氧产率和光降解量子产率）。实验结果表明，ZnPc的荧光量子产率为0.14，单线态氧产率为0.68。理论计算进一步解释了ZnPc生成¹O₂的能力，并预测了最稳定的异构体（该异构体由分子内的弱相互作用决定，例如范德华力）。为了评估ZnPc的体外疗效，我们在HT-29和WI-38细胞中测试了其细胞毒性和光毒性。ZnPc以浓度和光照剂量依赖的方式降低了HT-29细胞的存活率，而对WI-38细胞的影响较小。这些结果表明ZnPc是用于结直肠癌光动力疗法的有前景且具有选择性的光敏剂候选物。

引言

光动力疗法（PDT）是一种既能保留功能又能消除肿瘤的肿瘤治疗方法，是癌症干预的有希望的手段。与传统治疗方法相比，PDT具有许多优势，包括长期并发症发生率低、功能恢复良好、可重复使用且无累积毒性、侵入性小[1]、[2]、[3]。PDT利用光敏剂（PSs）和特定波长的光来产生细胞毒性活性氧（ROS），从而实现肿瘤细胞的消融和肿瘤血管的破坏[3]、[4]、[5]、[6]。

在PDT机制中，光敏剂吸收适当波长的光子后从基态跃迁到短寿命的激发态。随后，通过PS的系间跃迁，激发态电子的自旋反转形成相对较长的三线态（³PS*）。三线态PS可以直接与底物（如分子或细胞膜）相互作用，转移氢原子或电子，生成自由基产物，这些产物与氧气反应生成活性氧（如超氧阴离子自由基、羟基自由基和过氧化氢，属于I型反应）。或者，激发态PS可以直接将其能量传递给分子氧，生成¹O₂（属于II型反应）。I型和II型反应产生的副产物是PDT中导致细胞死亡的原因[2]。光敏剂的选择对PDT的疗效至关重要。

光敏剂是PDT中的关键成分，它们通过产生¹O₂或细胞毒性自由基来实现显著的疗效。在这方面，酞菁（Pcs）是PDT应用中的有前景的光敏剂。本研究合成了基于锌的酞菁（ZnPc），并利用FT-IR、NMR、MALDI-TOF光谱技术和元素分析对其化学结构进行了表征。为了验证ZnPc是否适合作为PDT的光敏剂，我们在DMSO中研究了其光物理性质（荧光量子产率和寿命）和光化学性质（单线态氧产率和光降解量子产率）。实验结果表明，ZnPc的荧光量子产率为0.14，单线态氧产率为0.68。理论计算也解释了ZnPc生成¹O₂的能力，并预测了最稳定的异构体。为了评估ZnPc的体外疗效，我们在HT-29和WI-38细胞中测试了其细胞毒性和光毒性。ZnPc在较高浓度和光照剂量下降低了HT-29细胞的存活率，而对WI-38细胞的影响较小。这些结果表明ZnPc是用于结直肠癌光动力疗法的有前景且具有选择性的光敏剂候选物。

实验

合成方法、所用设备、材料、光物理性质、光化学性质、计算细节以及光毒性测试的相关信息详见补充信息。

合成与表征

我们的目标是利用3-((6-溴萘-2-基)氧)邻苯二甲腈（1）作为起始原料，合成一种新型的锌酞菁。图1总结了所需的邻苯二甲腈衍生物及其锌酞菁（ZnPc）的分子结构和合成路线。

首先合成了3-((6-溴萘-2-基)氧)邻苯二甲腈（1）；该反应通过碱催化的亲核芳香族取代反应实现

结论

总之，我们合成了一种新型的非外周取代锌酞菁（ZnPc），该化合物含有3-((6-溴萘-2-基)氧)基团，并对其光物理性质、光化学性质以及体外光动力活性进行了评估。为了确定合成的ZnPc作为PDT光敏剂的效能，我们在DMSO中测量了其荧光量子产率、荧光寿命、单线态氧产率和光降解量子产率，并与未取代的ZnPc进行了比较

CRediT作者贡献声明

阿苏曼·德韦奇·奥兹坎（Asuman Deveci Ozkan）：撰写初稿、数据可视化、方法设计、实验研究、数据分析、概念构建。萨利哈·特基纳萨（Saliha Tekinasa）：数据验证、实验研究、数据分析、概念构建。奥兹格·奥兹滕（?zge ?zten）：数据验证、实验研究、数据分析、概念构建。内谢·塔什奇（Ne?e Ta?ci）：数据可视化、方法设计、实验研究、数据分析。阿里·富尔坎·卡曼利（Ali Furkan Kamanl?）：实验研究、数据分析、概念构建。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了萨卡里亚应用科学大学研究基金（项目编号：065-2023）和西班牙科学与创新部（MICINN，项目编号：PID2022-138470NB-I00）的支持。同时，我们也感谢马德里自治大学科学计算中心（CCC-UAM）提供的计算资源。

埃姆雷·古泽尔（Emre Güzel）目前是萨卡里亚应用科学大学的教授。他于2011年在伊斯坦布尔技术大学获得硕士学位，2016年在萨卡里亚大学获得博士学位，专业方向为基于酞菁的材料。2015年，在马德里自治大学托马斯·托雷斯（Tomas Torres）教授的指导下，他开始研究用于染料敏化太阳能电池（DSSCs）的新型高效材料。他的研究兴趣包括各种相关材料的制备与研究