2-硝基乙烯基铁茂作为光敏剂：对其光动力抗肿瘤特性的评估

《Journal of Organometallic Chemistry》：2-Nitroethenyl Ferrocene as a Photosensitizer: Evaluation of Its Photodynamic Antitumor Properties

本研究合成了1-硝基乙烯二茂铁（NVFc），证实其在可见光照射下对Hep G2和HeLa S3癌细胞具有显著光动力毒性，机制涉及ROS生成、线粒体膜电位下降及铁死亡相关蛋白GPX4和SLC7A11下调。

　　这项研究围绕一种名为1-硝基乙烯基二茂铁（NVFc）的简单二茂铁衍生物展开，旨在探索其在光动力疗法（PDT）中的抗肿瘤潜力。NVFc通过二茂铁醛与硝基甲烷的缩合反应合成，反应在甲醇中进行10小时，最终获得了91%的高产率。合成过程的纯化步骤包括过滤、干燥和从热乙醇中重结晶，以确保产物的纯度。随后，通过多种现代分析技术对NVFc的分子结构进行了全面表征，包括1H和13C核磁共振（NMR）光谱、高分辨率质谱（HRMS）以及元素分析，进一步确认了其化学组成和分子结构。

NVFc在暗条件下的细胞毒性较低，对Hep G2和HeLa S3等肿瘤细胞系几乎没有毒害作用。然而，当在可见光（400–625 nm）照射下，尤其是10分钟的光照时间，NVFc展现出显著的光动力学细胞毒性。具体而言，HeLa S3细胞在520 nm波长光照下对NVFc的半数抑制浓度（IC50）为3.52 ± 1.31 μM，而Hep G2细胞则在620 nm波长光照下达到最高的光毒性，IC50为2.81 ± 0.95 μM。这些结果表明，NVFc在可见光照射下具有良好的光敏性能，并且在不同细胞系中表现出一定的波长依赖性。

在机制研究方面，NVFc能够有效促进活性氧（ROS）的生成，特别是在二甲亚砜/磷酸盐缓冲液（DMSO/PBS）体系中，其单线态氧（1O?）的量子产率（ΦΔ）达到76.5%，这一数值超过了目前临床使用的多种有机光敏剂。ROS的生成被认为是光动力疗法的关键环节，因为它们能够氧化细胞内的关键成分，如蛋白质、脂质和核酸，从而导致细胞死亡。NVFc在光照条件下能够显著降低线粒体膜电位（MMP），进一步表明线粒体功能障碍可能在NVFc的细胞毒性中起主导作用。此外，NVFc还能够诱导铁死亡（ferroptosis），这一现象通过其对关键铁死亡相关蛋白GPX4和SLC7A11的表达下调得到证实。铁死亡是一种由铁依赖性脂质过氧化引发的细胞死亡方式，通常与细胞内的氧化应激和铁代谢失衡有关。NVFc在光照下能够通过促进铁死亡，进一步增强其对肿瘤细胞的杀伤作用。

这项研究不仅拓展了二茂铁在光动力疗法中的应用，还为开发新型、高效的光敏剂提供了新的思路。二茂铁因其独特的电子、电化学和磁性特性，在PDT领域具有广阔的应用前景。近年来，许多研究将二茂铁基团引入金属光敏剂中，以改善其光敏性能和治疗效果。例如，一种含有二茂铁基团的铼(I)三联吡啶配合物（ReFctp）能够在可见光照射下高效生成ROS，并积累于线粒体中，对A549细胞表现出强烈的光毒性；而一种含二茂铁基团的钌配合物（[(p-cym)Ru(bpy)(py-Fc)]2?）则在可见光照射下展现出优异的光化学性能和显著的DNA光裂解活性；此外，含二茂铁基团的铂(II)配合物（如[Pt(Fc-tpy)Cl]?和[Pt(Fc-tpy)(NPC)]?）在可见光照射下对人类角质形成细胞（HaCaT）表现出独特的双功能特性，包括高效的PDT活性和显著的DNA光裂解能力。这些研究结果表明，二茂铁基团在光敏剂设计中具有重要的作用。

然而，尽管二茂铁及其衍生物在PDT领域展现出良好的潜力，但大多数研究仍集中在含有二茂铁基团的金属配合物上，而对简单、未偶联的二茂铁衍生物作为独立的光敏剂进行研究的相对较少。这主要是因为这些简单二茂铁衍生物的光物理性质通常不够理想，导致其在光照条件下产生的光毒性较弱，尽管它们在暗条件下的细胞毒性较低。因此，如何提升简单二茂铁衍生物的光物理性质，使其在可见光照射下产生更强的光毒性，成为当前研究的一个重要方向。

NVFc作为一款简单的二茂铁衍生物，其光物理性质的优化使其在可见光照射下展现出显著的光动力学细胞毒性。这一发现不仅为二茂铁在PDT中的应用提供了新的依据，也为开发具有高选择性和低毒性、适合临床应用的新型光敏剂奠定了基础。此外，NVFc的结构和性质使其在细胞内的作用机制更加明确，有助于进一步理解其在光动力学反应中的行为。例如，NVFc在光照条件下能够有效生成ROS，并通过影响线粒体功能和诱导铁死亡，从而对肿瘤细胞产生双重杀伤作用。

在研究方法上，NVFc的合成过程采用了较为简便的缩合反应，这一方法在合成化学中具有较高的可行性。同时，通过多种分析技术对NVFc的结构进行了全面表征，确保了其化学结构的准确性。此外，实验中采用了多种细胞毒性检测方法，包括MTT法和流式细胞术，以评估NVFc在不同光照条件下的细胞毒性。这些方法不仅能够准确测定细胞的存活率，还能够揭示NVFc在细胞内的作用机制，如ROS的生成、线粒体膜电位的变化以及铁死亡相关蛋白的表达情况。

在实验结果分析方面，NVFc在可见光照射下对HeLa S3和Hep G2细胞系表现出显著的光毒性，这一现象可能与其在光照条件下生成的ROS有关。同时，NVFc对线粒体膜电位的影响进一步表明线粒体功能障碍在光动力学反应中起关键作用。此外，NVFc能够诱导铁死亡，这一现象可能与其在光照条件下产生的氧化应激有关。这些结果不仅验证了NVFc在光动力学反应中的有效性，还为后续研究提供了重要的实验依据。

在研究意义方面，NVFc的发现为二茂铁在光动力疗法中的应用提供了新的可能性。由于二茂铁具有良好的生物相容性和低暗毒性，使其成为一种理想的光敏剂候选。同时，NVFc的结构和性质使其在可见光照射下能够高效生成ROS，并通过影响线粒体功能和诱导铁死亡，从而对肿瘤细胞产生双重杀伤作用。这些特性使得NVFc在PDT领域具有广阔的应用前景，特别是在开发具有高选择性和低毒性的新型光敏剂方面。

此外，这项研究还揭示了NVFc在光照条件下能够通过多种途径诱导细胞死亡，这可能为其在肿瘤治疗中的应用提供更全面的理论支持。例如，NVFc在光照下能够促进ROS的生成，这些ROS能够氧化细胞内的关键成分，如蛋白质、脂质和核酸，从而导致细胞死亡。同时，NVFc能够通过影响线粒体功能，进一步增强其对肿瘤细胞的杀伤作用。此外，NVFc还能够诱导铁死亡，这一现象可能与其在光照条件下产生的氧化应激有关，进一步表明其在肿瘤治疗中的多重作用机制。

在研究的局限性方面，尽管NVFc在可见光照射下表现出良好的光毒性，但其在更复杂的生物体系中的表现仍需进一步研究。例如，NVFc在体内的分布、代谢以及对正常细胞的影响仍需通过动物实验和临床研究进行验证。此外，NVFc的光物理性质可能受到多种因素的影响，如光照强度、波长选择以及细胞类型，因此需要进一步优化其光敏性能，以提高其在实际应用中的效果。

总体而言，这项研究为二茂铁在光动力疗法中的应用提供了重要的实验依据和理论支持。NVFc作为一款简单的二茂铁衍生物，其合成过程简便，结构明确，并且在可见光照射下表现出显著的光毒性。这些特性使得NVFc成为一种具有潜力的新型光敏剂，有望在未来的肿瘤治疗中发挥重要作用。同时，这项研究也为进一步探索二茂铁在光动力学反应中的作用机制提供了新的思路，有助于推动光动力疗法在临床中的应用。