胶束极性对过氧草酸酯化学发光反应动力学和效率的影响

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Effect of micelle polarity on kinetics and efficiency of peroxyoxalate chemiluminescent reaction

本研究系统探究了胶束纳米反应器极性对过氧草酸酯光化学发光反应（PO-CL）动力学及效率的影响。通过合成含聚乙二醇（PEG）和聚乳酸（PLLA）或聚己内酯（PCL）的嵌段共聚物，制备了不同极性的胶束纳米反应器。实验表明，纳米反应器极性降低可显著抑制草酸盐水解（降低水解速率常数约40%），同时提升PO-CL反应效率（量子产率提高约35%），其机理与活化剂激发步骤效率增强相关。该成果为设计高效光动力治疗纳米反应器提供了理论依据。

　　

埃夫根尼·O·福明（Evgenii O. Fomin）、尼古拉·P·雅基莫夫（Nikolai P. Iakimov）、叶卡捷琳娜·M·布迪尼娜（Ekaterina M. Budynina）、安娜·V·普卢塔洛娃（Anna V. Plutalova）、埃琳娜·V·切尔尼科娃（Elena V. Chernikova）、伊琳娜·D·格罗兹多娃（Irina D. Grozdova）、尼古拉·S·梅利克-努巴罗夫（Nikolay S. Melik-Nubarov）

莫斯科国立大学M.V.罗蒙诺索夫化学系，列宁斯基戈里1号，3号楼，GSP-1，莫斯科119991，俄罗斯

摘要

过氧草酸酯化学发光反应（PO-CL反应）作为化学激发光动力疗法的能量来源具有特别重要的意义，因为其量子产率较高。然而，在水介质中进行时，PO-CL反应常常会遇到副反应，如草酸酯的水解，这会显著降低量子产率。为了减轻这些副反应的影响，人们使用了疏水性纳米反应器。我们的研究首次探讨了胶束纳米反应器的极性与PO-CL反应的动力学和效率之间的关系。我们合成了由单甲氧基聚乙二醇（mPEG）和聚（l-乳酸）（PLLA）或聚（ε-己内酯）（PCL）组成的嵌段共聚物，并用它们制备了胶束纳米反应器。通过吸收峰E_T30的位置来评估胶束的极性，发现这一性质是决定PO-CL反应性能的重要因素。纳米反应器极性的降低会导致水解速率常数的减小以及PO-CL反应效率的提高。后一种效应可能是由于PO-CL反应活化步骤的效率得到了增强。本研究的结果为合理设计用于化学激发光动力疗法的纳米反应器提供了途径。

引言

光动力疗法（PDT）是一种有效且微创的治疗癌症和传染性疾病的技术。该方法通过外部光源激发给药的光敏剂（PS），在受影响的组织内产生高毒性的活性氧物种（ROS），包括单线态氧（¹O₂）[1]、[2]。然而，由于近红外光在人体组织中的穿透深度有限（不超过3厘米）[3]、[4]、[5]，PDT在深层肿瘤治疗中的广泛应用受到限制。为克服这一限制，人们提出了利用化学反应能量来激发PS的方法[6]。这种方法称为化学激发光动力疗法（chemiexcited-PDT），其原理基于受影响组织内的发光反应。化学激发PDT的概念已在使用鲁米诺[7]、[8]、[9]、稳定的二氧杂环丁烷[10]、[11]、荧光素[12]、[13]或芳香族草酸酯[14]、[15]、[16]、[17]的反应中得到验证。与鲁米诺相比，这些物质具有更高的量子产率[18]、[19]，并且其氧化过程不涉及过氧化氢，而过氧化氢是癌细胞中有效产生的代谢物[20]、[21]。因此，PO-CL反应能够选择性地杀死癌细胞。

芳香族草酸酯与过氧化氢在作为活化剂的多芳烃化合物存在下的PO-CL反应至少包含三个不同的步骤（示意图1）[22]、[23]、[24]。反应首先由HOO^?阴离子对草酸酯的羰基碳进行亲核攻击，生成过氧草酸酯（II）。过氧草酸酯的分子内环化产生高能中间体1,2-二氧杂环丁酮（III）。HEI通过化学诱导的电子交换发光（CIEEL）机制与活化剂相互作用[25]、[26]。活化剂的激发态负责发光和/或产生对癌细胞有毒的单线态氧。

PO-CL反应在生物医学应用中需要在水环境中进行。然而，活化剂和芳香族草酸酯在水中的溶解度都很低。此外，水环境中的竞争性副反应（如草酸酯的水解）会导致芳香族草酸酯的消耗并降低发光强度。草酸酯的水解是最有害的副反应。此外，在过氧草酸酯（II）与水或过量的过氧化氢反应过程中还可能生成非发光副产物。在亲核试剂存在下，1,2-二氧杂环丁酮分解为两个CO₂分子也会降低发光强度[27]。这些副反应的综合效应显著降低了水环境中PO-CL反应的量子产率[23]、[28]、[29]、[30]。

为了解决这些问题，人们提出了使用疏水性纳米反应器来催化PO-CL反应。已经测试了多种纳米反应器，包括嵌段共聚物的胶束[9]、[31]、[32]、[33]、[34]、聚合物纳米颗粒[35]、[36]、乳液[37]和脂质体[39]。这些系统能够有效地分散反应组分并稳定芳香族草酸酯数小时。纳米反应器的选择对PO-CL反应的性能起着关键作用[40]。然而，决定纳米反应器效率的因素尚不清楚。

PO-CL反应的动力学主要在真溶液中进行研究[41]、[42]。PO-CL反应的量子产率受到活化剂类型[18]和所用芳香族草酸酯的影响[23]、[29]、[43]。稳定芳香族草酸酯和纳米反应器的疏水性可能是提高化学激发PDT效率的关键因素。介质疏水性的增加可以降低局部水的浓度，从而减缓芳香族草酸酯的水解速度[44]。然而，这也可能降低草酸酯与过氧化氢的反应速率。因此，涉及芳香族草酸酯、过氧化氢和水的反应速率之间的平衡会受到影响，进而可能影响化学激发PDT的效率[23]。此外，反应介质的极性显著影响1,2-二氧杂环丁酮与活化剂的相互作用效率[45]、[46]。因此，纳米反应器的特性对PO-CL反应的整体性能有着复杂的影响。驱动纳米反应器效应的物理化学机制仍不完全清楚。

在用于PO-CL反应的纳米反应器中，聚合物胶束因其高胶体稳定性而尤为重要[47]。两亲共聚物的组成决定了所得胶束纳米反应器的疏水性[48]和形成的胶束的形态[49]。可生物降解的两亲嵌段共聚物的胶束表现出优异的稳定性[50]、[51]，并且能够作为低分子量药物[52]、大分子[53]和金属纳米颗粒[54]的载体，在生物医学中得到应用。

本研究的目的是评估胶束纳米反应器对PO-CL反应效率和动力学的影响。我们研究了以聚乙二醇为亲水嵌段、聚（l-乳酸）或聚（ε-己内酯）为可生物降解疏水嵌段的嵌段共聚物胶束中的PO-CL反应动力学。我们分析了疏水嵌段的性质和长度对化学发光强度、PO-CL反应速率、草酸酯水解速率以及PO-CL反应过程中活化剂激发效率的影响。将这些参数与使用Reichardt溶剂变色染料测得的E_T(30)值进行比较后，发现胶束的极性是控制胶束纳米反应中PO-CL反应的主要因素。

材料

使用了4-羟基苯甲酸（Merck，德国）、锡(II) 2-乙基己酸盐（Sn(Oct)₂）（ABCR，德国）、过氧化氢（ABCR，德国）、CDCl₃（CarlRoth，德国）、Reinhardt溶剂变色染料E_T30（Sigma-Aldrich，美国）和苝（Sigma-Aldrich，美国），无需进一步纯化。草酰氯（ABCR，德国）和正戊醇（Komponent-Reaktiv，俄罗斯）在使用前进行了蒸馏。三乙胺（Sigma-Aldrich，美国）在CaH₂上进行了蒸馏。聚（l-乳酸）（Sigma-Aldrich，美国）进行了重结晶

PEG-block-PLLA和PEG-block-PCL胶束的性质

先前的研究表明，PO-CL反应可以在mPEG-PCL [31]、[33]和mPEG-PLLA [40]、[43]的嵌段共聚物胶束中进行。为了评估纳米反应器极性对PO-CL反应效率的影响，我们合成了不同疏水嵌段长度的这两种共聚物。

mPEG-PCL和mPEG-PLLA（图1a）是通过使用mPEG 4000作为大分子引发剂，通过锡(II)辛酸催化的环开聚合反应合成的。

结论

在这项研究中，我们探讨了在两亲嵌段共聚物形成的纳米反应器中进行的PO-CL反应的效率和动力学。合成了两种不同疏水嵌段聚合度的mPEG-PCL和mPEG-PLLA嵌段共聚物。使用这些胶束作为纳米反应器可以提高PO-CL反应的效率并稳定芳香族草酸酯，防止其水解。在mPEG-PCL形成的胶束中，这种效果更为明显。

CRediT作者贡献声明

埃夫根尼·O·福明（Evgenii O. Fomin）：撰写初稿、进行实验研究、数据管理。 尼古拉·P·雅基莫夫（Nikolai P. Iakimov）：撰写、审稿与编辑、数据验证。 叶卡捷琳娜·M·布迪尼娜（Ekaterina M. Budynina）：数据验证。 安娜·V·普卢塔洛娃（Anna V. Plutalova）：数据验证。 埃琳娜·V·切尔尼科娃（Elena V. Chernikova）：撰写、审稿与编辑、数据验证。 伊琳娜·D·格罗兹多娃（Irina D. Grozdova）：撰写、审稿与编辑、数据验证、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究是“大分子的现代化学与物理化学问题”项目（国家任务编号AAAA-A21-121011990022-4）的一部分，并使用了莫斯科国立大学发展计划购买的设备。核磁共振（NMR）测量在罗蒙诺索夫莫斯科国立大学基础医学系磁共振成像与光谱中心进行。