一种双型I/II光敏剂，针对质膜用于光动力疗法

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：A dual-type I/II photosensitizer targeting the plasma membrane for photodynamic therapy

光动力治疗新型剂型DAD通过供体-π-受体双联结构实现膜靶向，同步激活I/II型反应路径生成ROS，解决传统光敏剂依赖氧及空间分布不均的问题，显著提升肿瘤微环境中的治疗精准度与氧受限条件下的疗效。

　　

Miaomiao Liu|Huawei Huang|Wei Quan|Hongjian Wang|Weiying Lin

广西大学化学与化学工程学院光材料与化学生物学研究所，广西电化学能源材料重点实验室，中国广西南宁530004

摘要

光动力疗法是一种通过光敏剂产生活性氧物种来诱导肿瘤细胞死亡的高效方法。然而，传统的光敏剂主要局限于依赖氧气的II型途径，且缺乏靶向特定亚细胞结构的能力。为了解决这些限制，本研究设计了一种靶向细胞膜的光敏剂DAD，其具有供体-π-受体结构。在DAD中，供电子基团三苯胺通过碳-碳双键与吡啶衍生的电子受体单元连接。进一步引入疏水性烷基链使其具有两亲性，从而能够有效锚定在细胞膜上。得益于其聚集诱导发光特性，DAD表现出优异的光物理性质。在可见光照射下，DAD不仅能够通过II型途径生成单线态氧，还能通过I型机制产生超氧阴离子和羟基自由基，从而有望克服与肿瘤缺氧相关的光动力疗法效果局限性。更重要的是，DAD能够特异性地靶向细胞膜，并在光照下诱导膜结构破坏，导致高效的肿瘤细胞死亡。因此，这项工作为合理设计兼具I型和II型功能的光敏剂提供了宝贵的见解，并为未来癌症治疗中开发靶向细胞膜的聚集诱导发光光敏剂做出了贡献。

引言

光动力疗法（PDT）是一种基于光化学反应的局部治疗方式[1]，[2]。其核心原理是光敏剂在特定波长的光照射下被激发，随后将能量或电子转移给周围环境中的氧分子或生物底物，从而生成活性氧物种（ROS），导致病变细胞死亡、凋亡或坏死[3]，[4]，[5]，[6]。PDT的效果主要取决于其光敏剂的性能，其中光学性质、靶向能力、ROS生成机制和生物相容性是关键决定因素[7]，[8]，[9]，[10]，[11]。根据ROS生成机制，光敏剂可分为I型和II型两类：I型光敏剂与底物发生电子转移，生成自由基（如超氧阴离子(O₂^•-)和羟基自由基(•OH)[12]，[13]；而II型光敏剂则主要通过能量转移将三重激发态的能量传递给基态氧(³O₂)，产生高活性的单线态氧(¹O₂)[14]，[15]。这一过程高度依赖于环境中的氧浓度[16]，[17]，[18]，[19]。值得注意的是，广泛使用的临床光敏剂（如卟啉和酞菁）主要通过II型机制发挥作用[20]，[21]。然而，实体瘤通常具有缺氧的微环境，导致传统的II型光敏剂在临床应用中的治疗效果有限[22]，[23]，[24]，[25]。尽管I型光敏剂的氧气依赖性较低，但大多数报道的有效I型光敏剂仅限于金属基无机材料（如金属氧化物、贵金属配合物、金属有机框架）和大分子聚合物系统[26]，[27]，[28]，[29]。尽管这些光敏剂具有高ROS产率和稳定性，但生物毒性、低生物降解性和免疫兼容性等问题阻碍了其临床应用[30]，[31]。

除了自身产氧机制的固有限制外，传统光敏剂在亚细胞内的定位能力不足也是导致PDT效果不佳的关键因素。理想的光敏剂应能够精确地积累在特定细胞器中，从而在局部产生高浓度的ROS，有效诱导细胞死亡。现有的非靶向光敏剂通常在细胞内均匀分布，导致ROS生成随机、效率低下，并增加正常组织的光毒性副作用风险[32]。因此，随着光敏剂的进步，提高其靶向特定亚细胞器的能力已成为提高PDT精确度和效果的关键策略[33]，[34]。这对于设计靶向细胞膜的光敏剂尤为重要。细胞膜作为维持细胞稳态的关键动态结构，表面富含负电荷磷脂，具有独特的亲水-外部/疏水-内部脂质双层微环境[35]，[36]。迄今为止，已经开发出一些针对细胞膜的光敏剂。例如，Xiang团队开发了一系列有机小分子光敏剂TCF系列，其中TCF-Mem具有靶向细胞膜的能力。然而，这些化合物仅通过I型机制发挥作用，无法通过结合I型和II型ROS生成实现协同抗癌效果[37]。另一个例子是Cao团队合成了两种能够同时生成I型和II型ROS的菁类光敏剂，但这些化合物缺乏特异性靶向能力[38]。

基于这一原理，我们设计并合成了一种新型光敏剂DAD及其结构简化的衍生物DA作为对照。DAD通过柔性连接剂将两个相同的D–π–A光活性基团共价连接（如图1所示）。这种集成结构协同增强了两个关键功能：高效的双I型/II型ROS生成，以克服肿瘤缺氧问题；以及强健的多价膜锚定，实现精确的空间定位。DAD因此作为一种强大的“膜界面ROS生成器”，能够在复杂的肿瘤微环境中有效诱导细胞死亡，为细胞膜特异性PDT提供了一个有前景的平台。

材料与通用实验方法

有关材料和仪器的相关信息见支持信息。

探针的合成

DAD的合成：将化合物1（307 mg，0.74 mmol）和4-二苯甲醛（402 mg，1.47 mmol）溶解在乙醇（10 mL）中，然后在氮气保护下于80°C下搅拌72小时。反应完成后，通过TLC监测确认反应完成，通过减压和旋转蒸馏去除有机溶剂，得到粗产品。粗产品通过柱层析纯化

分子设计

为了开发一种能够在缺氧肿瘤微环境中高效发挥作用并精确靶向细胞膜的光敏剂，我们采用了成熟的D–π–A结构作为基础设计策略。基于这一核心结构，我们设计并合成了两种光敏剂：结构简化的衍生物DA和功能集成的化合物DAD。这种典型的D–π–A单元通过CC π-桥将三苯胺供体与吡啶受体连接起来[39]

结论

我们开发了一种新型的功能增强型光敏剂DAD，基于对基本D–π–A结构的合理扩展。这种集成的双D–π–A结构旨在实现系统的功能增强。光物理表征证实了其在生理条件下的优异稳定性。使用多种ROS敏感探针的光谱评估表明DAD能够高效生成I型和II型ROS。理论计算进一步

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

本工作得到了国家自然科学基金（22577016、22277014）、广西自然科学基金（AD21220061、2021GXNSFDA075003）以及广西大学的启动资金（A3040051003）的财政支持。