基于三重态敏化的近红外光控心脏调节：一种低能量光激活的光药理学新策略

本研究通过开发新型Zn-八取代酞菁光敏剂(ZnPc1)，在光治疗窗口(730-850 nm)实现了三重态敏化偶氮苯(azobenzene)的顺反异构化，为心脏功能的光调控提供了创新方法。研究人员利用低强度近红外光(2.62-42 mW cm-2)成功调控了蛙蝌蚪的心率，其光子通量比传统双光子吸收(2PA)、三重态-三重态湮灭(TTA)等技术低2-4个数量级。这项发表在《Nature Communications》的研究为深部组织光药理学应用开辟了新途径。

　　

在生物医学领域，如何实现深部组织的精准光调控一直是个重大挑战。传统光药理学技术如双光子吸收(2PA)和三重态-三重态湮灭(TTA)需要高功率激光(kW cm^-2)，远超皮肤耐受极限(200 mW cm^-2)。而偶氮苯(azobenzene)等光开关分子虽然能通过构型变化调控生物活性，但其吸收波长多在紫外-可见区，组织穿透深度有限。这些限制严重阻碍了光药理学在临床中的应用前景。

来自西班牙巴塞罗那生物医学研究所(Institute for Bioengineering of Catalonia)的Lukas Naimovicius、Pankaj Bharmoria和Kasper Moth-Poulsen团队创新性地提出三重态敏化光异构化(TSP)策略。他们设计合成新型Zn-八(2-乙基己硫基)酞菁(ZnPc1)，在光治疗窗口(730-850 nm)实现了低强度(2.62-42 mW cm^-2)下的偶氮苯顺反异构化，并将该技术成功应用于蛙蝌蚪心脏活动的非侵入性调控。这项突破性成果发表在《Nature Communications》上。

研究采用的关键技术包括：1)设计合成新型ZnPc1光敏剂和偶氮苯衍生物；2)构建皮肤仿生膜(G-TXr-AZO-PdNc1)和普朗尼克F-127(PF-127)胶束体系；3)通过稳态/瞬态光谱表征光物理过程；4)建立蛙蝌蚪(Xenopus laevis)心脏活动光学记录系统；5)使用730/850 nm LED进行低强度光激活。

研究首先系统考察了四种偶氮苯(AZO-N、AZO-EH、AZO-MM和PAI)和三种光敏剂(BC1、ZnPc1和PdNc1)的光物理性质。在皮肤仿生膜中，850 nm激发下PdNc1敏化的AZO-EH表现出最快的顺反异构动力学(t_1/2=2 min)。通过8 mm火腿层模拟组织穿透后，730 nm(0.51 mW cm^-2)和850 nm(2.62 mW cm^-2)光仍能有效触发异构化，证实了深部组织应用的可行性。

在生理条件下，PF-127胶束包裹的ZnPc1-PAI体系经730 nm光照(46 mW cm^-2)可高效实现顺反异构化。将此系统应用于蛙蝌蚪时，光激活的trans-PAI通过作用于毒蕈碱型乙酰胆碱受体M2(mAChR M2)，使心率显著降低。对照组证实该效应特异依赖于光敏剂和光照条件。

这项研究的重要意义在于：1)将偶氮苯光开关的作用光谱拓展至近红外I区(850 nm)；2)光子通量比传统方法低2-4个数量级；3)首次实现活体心脏功能的三重态敏化光调控；4)为深部组织光药理学提供了新思路。未来通过优化光敏剂-光开关共轭体系，有望开发出更高效的组织穿透性光控药物。该技术平台可拓展至神经调控、肿瘤治疗等领域，具有广阔的临床应用前景。