基于扭曲分子内电荷转移调控的线粒体-细胞核级联靶向自由基发生器构建及其肿瘤治疗应用

本研究针对缺氧肿瘤治疗中自由基生成效率低的问题，通过调控扭曲分子内电荷转移（TICT）效应，设计了一种新型智能自由基发生器ATIST。该分子通过大扭曲角促进激发态非辐射过程（包括电荷分离和系间窜越ISC），其低T1能级（0.923 eV）实现了超氧阴离子（O2•-）、过氧化氢（H2O2）和羟基自由基（•OH）的级联生成。实验证实ATIST可级联锚定线粒体与细胞核，通过光诱导引发DNA氧化损伤和细胞凋亡，为缺氧肿瘤治疗提供了新策略。

　　

肿瘤微环境的缺氧特性严重限制了传统光动力疗法（PDT）的疗效，因其依赖氧分子生成单线态氧（¹O₂）。为解决这一难题，安徽大学与安徽农业大学联合团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表研究，提出通过调控扭曲分子内电荷转移（TICT）效应开发新型自由基发生器。研究团队设计了一种基于蒽环（An）和吲哚盐的D-π-A体系ATIST，其59.04°的大扭曲角显著增强TICT效应，使三重态能级（T₁）降至0.923 eV，有效阻断能量转移途径并促进电子转移，实现O₂^•-/H₂O₂/•OH的级联生成。

关键技术包括：1）分子动力学模拟计算扭转角与能级；2）电化学测试验证电荷分离效率；3）共聚焦显微成像追踪线粒体-细胞核靶向过程；4）流式细胞术检测ROS生成与细胞凋亡。

【分子设计及光物理性质】
通过Knoevenagel缩合构建D-π-A体系，UV-Vis光谱显示ATIST在520 nm处吸收峰红移，荧光量子产率降低至0.8%，证实TICT效应增强。理论计算表明其ΔE_ST（单重态-三重态能隙）缩小至0.21 eV，促进ISC过程。

【自由基生成机制】
电子顺磁共振（EPR）检测到ATIST光照下产生O₂^•-/•OH信号，而AIST仅生成¹O₂。能级分析显示ATIST的T₁（0.923 eV）低于O₂激发阈值（0.98 eV），阻断能量转移路径。

【细胞靶向与治疗效果】
JC-10探针显示ATIST使线粒体膜电位（ΔΨm）下降60%，γ-H2AX免疫荧光证实DNA双链断裂。在常氧/缺氧（1% O₂）条件下，ATIST光照组肿瘤细胞凋亡率分别达78.3%和69.5%。

该研究创新性地通过TICT调控实现自由基的级联生成与细胞器靶向，突破了PDT的氧依赖性限制。ATIST的双重靶向能力（线粒体→细胞核）与多重自由基（O₂^•-/H₂O₂/•OH）协同作用，为缺氧肿瘤治疗提供了新范式。研究获国家自然科学基金（52372073）等支持，第一作者Xuan Zhao现为安徽大学化学化工学院硕士生。