π-扩展芘基N?N配体半夹心Ir(III)/Rh(III)配合物的光动力治疗性能：金属中心与单齿配体的调控作用

《European Journal of Medicinal Chemistry》：Half-Sandwich Ir(III) and Rh(III) Complexes Bearing a π-Extended Pyrene-based N?N-Ligand: Metal- and Monodentate Ligand Influence on Photodynamic Therapy

　　

含π-扩展芘基N?N配体的半夹心Ir(III)与Rh(III)配合物：金属中心和单齿配体对光动力治疗（photodynamic therapy, PDT）的影响。π-扩展配体增强半夹心Ir(III)配合物的PDT活性；含时密度泛函理论（time-dependent density functional theory, TD-DFT）阐明Ir(III)较Rh(III)具有更优PDT活性的原因；Ir(III)配合物呈现高单线态氧（singlet oxygen, ¹O₂）生成量子产率（singlet oxygen quantum yield, φ_Δ）；光活化配合物诱导细胞内活性氧（reactive oxygen species, ROS）产生以及线粒体和溶酶体损伤；光活化Ir(III)配合物抑制肿瘤生长且未检测到毒性。研究人员旨在评估π-扩展N?N配体对半夹心配合物光物理性质和生物活性的影响，并阐明中心金属和决定整体电荷的单齿配体的作用；其中阳离子型（3-(1H-imidazol-1-yl)propyl)triphenylphosphonium配体用于促进线粒体积聚。

研究背景与目的：光动力治疗（PDT）可通过时空控制肿瘤治疗以减少副作用，是具前景的癌症治疗策略。有效光敏剂（photosensitizer, PS）的关键特征之一是长寿命三重激发态，可促进活性氧（ROS）生成并增强疗效。将高π共轭体系引入金属配合物可延长激发态寿命；咪唑并菲咯啉类配体可进一步功能化，芘因平面芳香结构和π–π堆积倾向可促进DNA嵌入。含芘配体已用于Ru、Ir等配合物，pyip可稳定配体中心（ligand-centered, LC）或配体内电荷转移（intraligand charge-transfer, ILCT）三重态，延长寿命并增强ROS。已有多种pyip金属配合物，但Ir(III)/Rh(III)半夹心体系研究有限：[Rh(ppy)₂(pyip)]PF₆抗癌活性强但未研究PDT；[Ir(bhq)₂(pyip)]PF₆的IC₅₀>200 μM但未评估光动力；[Ir(ppy)₂(pyip)]PF₆虽寿命长且¹O₂量子产率高但无PDT研究；[Cp*Ir(pyip)Cl]Cl在MDA-MB-231中光毒性指数（phototoxic index, PI）仅6.25。研究人员据此研究[Cp*M(pyip)Cl]Cl（M = Ir, Rh）及[Cp*Ir(pyip)L](BF₄)_n（L = 咪唑类配体），以评估π-扩展N?N配体、中心金属、单齿配体及整体电荷的影响，并引入阳离子[ImP(Ph)₃]⁺促进线粒体积聚。结果表明Ir(III)配合物可作为高效PDT光敏剂。

关键技术方法：采用多核NMR、元素分析、ESI-MS、HPLC和单晶X射线衍射进行合成与表征；用浓度依赖¹H NMR、UV-vis和¹H NMR评估稳定性；用UV-vis吸收、稳态发射和瞬态吸收光谱（transient absorption spectroscopy, TAS）研究光物理；用TD-DFT计算；用ABDA、DHR123和电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance, EPR）检测ROS；用UV-vis监测NADH光氧化；用MTT、电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS）、流式细胞术、共聚焦显微镜、克隆形成和3D肿瘤球评估细胞毒性与机制；用溶血和G. mellonella幼虫评估毒性。A549与BxPC-3细胞来自ATCC；猪红细胞为商业来源；G. mellonella幼虫来自商业供应商。

研究结果：
Synthesis and general characterization（合成与一般表征）：合成配合物1–4，产率72–90%，经NMR、元素分析、ESI-MS和HPLC（>95%）表征，1和2获单晶；NMR证实配位及H30···N16短接触。
Solid state characterization（固态表征）：1和2为拟八面体半夹心结构，η⁵-Cp*、κ²-N,N和Cl配位；pyip近共平面（二面角6.20°/6.58°），经π–π堆积形成头尾二聚体。
Analysis of aggregation in solution（溶液聚集分析）：浓度依赖¹H NMR显示H20/H26上移、H4/H10/H19/H30下移，支持π–π堆积和氢键驱动的溶液聚集。
Stability studies（稳定性研究）：DMEM暗处稳定；蓝光下Ir(III)光解离成水合物，3/4较1快，Rh(III) 2最耐光。
Photophysical properties（光物理性质）：主吸收为pyip的π–π*/电荷转移，Ir(III)有弱³MLCT；发射弱，φ_em≤2.38%；TAS显示三重态，1/3氧猝灭强而2弱，三重态寿命1为138 μs、2为0.236 μs。
ROS photoproduction（ROS光产生）：ABDA显示光照产¹O₂，φ_Δ为1=56%、3=84%、4=94%、2=15%；DHR123显示O₂^•?生成；EPR确认1和3产ROS。
Photocatalytic oxidation of NADH（NADH光催化氧化）：暗处无氧化，光照促NADH→NAD⁺；1/2的TON为11/13、TOF为65/75 h^?1，高于3/4；2的结果提示直接电子转移。
Theoretical calculations（理论计算）：TD-DFT显示S1为芘→菲咯啉的¹ILCT；Rh(III)自旋轨道耦合（spin–orbit coupling, SOC）较低（ξ=1200 vs 3909 cm^?1）且T5-T7近共振，导致三重态布居和氧猝灭较低；T1能量均高于¹O₂阈值，差异主要为动力学。
Photocytotoxic activity（光细胞毒活性）：通过A549和BxPC-3的MTT、ICP-MS、logP、3D球、克隆形成、共聚焦、DNA凝胶、细胞周期、溶血和G. mellonella评估。
Effect on cell viability（细胞活力影响）：1/2暗毒强，3/4暗毒低；logP和ICP-MS显示亲脂性与摄取相关；光照Ir(III)的IC_50,light为0.1–0.3 μM，PI最高361，Rh(III)几乎不光活化；carboxy-DCFDA显示Ir(III)光照后ROS升高。
Photocytotoxicity in 3D cell culture models（3D培养中的光细胞毒）：BxPC-3球中光活化Ir(III)抑制生长，50×时分别较对照小28.1%/38.1%/26.2%，calcein-AM/PrI示浓度依赖细胞死亡。
Clonogenic assays（克隆形成实验）：光活化1/3/4使克隆数降至32.6%/10.5%/34.0%，2无显著影响。
Mechanism of action（作用机制）：MitoTracker/AO显示光活化Ir(III)破坏线粒体和溶酶体；pUC18凝胶示1光照致氧化DNA损伤；细胞周期不变，区别于cisplatin/doxorubicin。
Toxicity assays（毒性实验）：溶血<5%（1在10×达12.0%/22.4%）；G. mellonella中3至50 mg/kg健康指数>94%。

讨论与结论总结：综合光物理、理论计算和生物实验，π-扩展pyip配体、Ir(III)中心及整体正电荷共同提高三重态布居、¹O₂生成和细胞摄取；光活化Ir(III)配合物通过ROS和线粒体/溶酶体损伤发挥光毒性，并在2D、3D和克隆形成模型中抑制肿瘤细胞生长，且暗毒和系统毒性低。Rh(III)因SOC较低、三重态快速失活而光活性弱。

研究结论译文：研究人员研究了一系列含pyip的半夹心Ir(III)和Rh(III)配合物（pyip = 2-(pyren-1-yl)-1H-imidazo[4,5-f][1,10]phenanthroline），以评估配体π-扩展、金属种类、辅助配体和整体电荷对其光物理和光生物性质的影响。Ir(III)衍生物显示高¹O₂量子产率（φ_Δ高达94%），并随整体正电荷增加而增加，而Rh(III)类似物¹O₂生成可忽略。TAS和TD-DFT研究表明，这一差异源于Ir(III)衍生物中三重激发态更有效布居和更长寿命（高达138 μs），以及其更有效的氧猝灭。生物学研究表明，亲脂性更高的衍生物显示最高细胞积累和最低IC_50,dark值。蓝光照射显著增强Ir(III)衍生物的细胞毒性，PI高达361，而Rh(III)类似物无明显光活化。克隆形成实验和3D肿瘤球进一步证明Ir(III)配合物的光活性，照射分别显著抑制长期细胞增殖和肿瘤生长。机制研究表明，光活化诱导细胞内ROS生成和氧化损伤，伴随线粒体和溶酶体功能障碍；未检测到血液学或全身毒性，支持这些配合物良好的光治疗特性。总体而言，这些结果确定含π-扩展pyip的Ir(III)配合物为高效PS，并强调金属种类、配体环境和整体电荷在控制其光物理和光生物性质中的重要性。