可见光驱动铼(I)光敏剂异构体工程：双效一氧化碳与单线态氧协同治疗的新策略

为突破紫外吸收型铼(I)光活化一氧化碳释放分子（PhotoCORMs）的生物应用局限，研究人员通过定向引入氮原子设计四种异构体（Re-Ln-TPP, n=1–4），实现可见光吸收与双效活性（CO与1O2释放）。实验结合理论计算表明：异构体位置显著调控光物理性质（如L2/L4吸收红移至460/500 nm），L2的1O2量子产率达0.72，而L4平衡CO释放（ΦCO=0.12）与活性氧生成，为抗癌/抗菌光疗剂理性设计提供新范式。

　　

论文解读

研究背景：突破光疗剂的“不可见”困局

在抗癌与抗耐药菌治疗领域，铼(I)三羰基配合物凭借三重态光敏化能力崭露头角。这类分子既可释放细胞毒性一氧化碳（PhotoCORMs），又能生成活性氧物种（如单线态氧¹O₂），实现“双效治疗”。然而现有体系如Re-Pyta-TPP主要吸收紫外光（λ_abs<400 nm），严重限制组织穿透深度与生物相容性。更棘手的是，CO释放与¹O₂生成的协同机制尚未明晰，制约了高效光疗剂的理性设计。

研究策略：异构体库构建与多维度解析

法国研究团队通过吡啶环氮原子定向取代，合成四个Re-Ln-TPP异构体（n=1–4），并与原型Re-Pyta-TPP对比。结合合成化学（Scheme 1）、瞬态光谱（磷光寿命测试）、量化计算（TD-DFT）及光化学分析（CO释放效率Φ_CO、¹O₂量子产率Φ_Δ），系统探究取代位点对光物理性质与生物活性的调控规律。

---

关键结果与发现

1. 异构体精准合成与结构确认
   通过四步法合成吡啶嗪/吡嗪/嘧啶取代的配体，并与[Re(CO)₅Cl]络合获得Re-L1~L4-TPP（Fig. 1）。核磁（¹H/¹³C NMR）与质谱（ESI-MS）确证结构纯度，晶体学揭示L1/L3中配体平面与Re中心夹角差异（8.7° vs 23.5°）。

2. 吸收光谱红移与异构体依赖性
   紫外-可见光谱显示：L1/L3最大吸收仍位于紫外区（390 nm），而L2/L4红移至可见区（λ_max=460/500 nm）。TD-DFT指认红移源于氮原子位置调控的MLCT/ILCT跃迁能级——L4的HOMO→LUMO跃迁能降低0.8 eV。

3. 磷光性质揭示三线态态分布
   L2/L4在室温溶液显现强磷光（λ_em=610/650 nm），寿命达微秒级（τ=1.4–3.2 μs）。理论计算表明其最低三线态（T₁）为³MLCT主导态，而L1/L3的³ILCT态促进非辐射弛豫，导致荧光猝灭。

4. 光化学反应的双效拮抗效应

   • CO释放：L4展现最佳Φ_CO=0.12（λ_irr=400 nm），但显著低于原型Re-Pyta-TPP（Φ_CO=0.35）。势能面扫描发现L2的T₁态解离能垒升高47 kJ/mol，抑制CO释放。
   • ¹O₂生成：L2的Φ_Δ高达0.72，L4为0.31，均远超原型（Φ_Δ=0.08）。长波长吸收/发射特性（如L2的λ_abs/λ_em>450 nm）与¹O₂效率呈正相关。

5. 理论机制：三线态势能面决定光反应路径
   DFT计算揭示关键规律：

   • 低能T₁态促进¹O₂生成（系间窜越效率↑）
   • T₁态中Re-CO反键特性强弱直接决定Φ_CO（L2/L4的Re-CO键序差0.28）

---

结论与意义

本研究首次阐明铼(I)光敏剂中异构体位置对“CO-¹O₂双效释放”的精准调控：

1. 突破可见光吸收瓶颈：吡嗪/嘧啶取代（L2/L4）实现450–500 nm激发，为深组织光疗奠基。
2. 揭示构效矛盾性：长波长吸收促进¹O₂却抑制CO释放（如L2的Φ_Δ=0.72 vs Φ_CO=0.03），L4在二者间取得最佳平衡。
3. 提供理性设计准则：通过TD-DFT预测T₁态特性（能级、键序、解离能垒），可预筛选高效双效光疗剂。

该工作发表于《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》，为开发新一代可见光驱动抗癌/抗菌铼基光敏剂提供分子工程蓝图，推动光动力-气体治疗协同策略的临床转化。