超纳米分子方法用于增强定制的焦磷酸酯衍生物的光敏性能

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Supra-nanomolecular approach to augment the photosensitizing behaviour of custom-made pyropheophorbide derivatives

研究合成吡咯霉啉酮类光敏剂PP和TCPP，发现色氨酸修饰显著降低聚集、提升单线态氧产率及光稳定性。通过SBE7βCD形成1:1复合并负载金纳米颗粒，调控其光物理性质，实现癌细胞（A549）靶向光毒性（IC50=3.7±0.2μM）与正常细胞（WI38）保护。摘要字数：109字。

　　

莫妮卡·高尔（Monika Gaur）|陶尔·普拉卡什·潘杜兰（Taur Prakash Pandurang）|米纳蒂·纳亚克（Minati Nayak）|迪万舒·夏尔马（Divanshu Sharma）|阿米特·库纳瓦尔（Amit Kunwar）|玛杜什里·萨克尔（Madhushree Sarkar）|达利普·库马尔（Dalip Kumar）|乔蒂尔玛伊·莫汉蒂（Jyotirmayee Mohanty）

印度孟买Bhabha原子研究中心辐射与光化学部门，邮编400085

摘要

由于能够在光照下产生单线态氧，焦磷酸铁盐（Pyropheophorbide）被认为是一种潜在的光敏剂，这种单线态氧可以选择性地诱导肿瘤细胞的细胞毒性。本研究重点关注焦磷酸铁盐-a（PP）和色氨酸偶联的焦磷酸铁盐-a（TCPP）的合成及其光物理性质，并探讨了它们与磺丁基醚β-环糊精（SBE₇βCD）或SBE₇βCD稳定的金纳米粒子（SBE₇βCDAuNP）之间的非共价相互作用。色氨酸的引入减少了PP的自组装现象，提高了单线态氧的产率并增强了其光稳定性，同时显著降低了PP的固有毒性。通过Job斯图（Jobs plot）分析发现，PP/TCPP与SBE₇βCD形成的1:1复合物显著改变了这两种焦磷酸铁盐衍生物的吸收和荧光行为，包括荧光寿命以及单线态氧的产率。此外，含有少量SBE₇βCD的SBE₇βCD稳定的金纳米粒子与PP/TCPP表现出有效的相互作用。SBE₇βCDAuNP:PP对A549癌细胞和WI38正常细胞均表现出中等的暗毒性，但在光照条件下对A549细胞表现出极高的光毒性。然而，采用超纳米分子方法后，SBE₇βCDAuNP:TCPP对A549癌细胞表现出选择性和中等的光毒性，IC₅₀值为3.7 ± 0.2 μM，同时保持了WI38正常细胞在白光照射和暗条件下的存活能力。这些发现突显了所合成焦磷酸铁盐的光物理性质的提升，表明它们作为改进型光敏剂在靶向癌症治疗中的潜力。

引言

光动力疗法（Photodynamic therapy）利用光敏剂作为光吸收材料，将吸收的光能传递给周围的氧气，生成高活性的单线态氧，从而杀死癌细胞或病变组织[1]、[2]、[3]。一个好的光敏剂应具有显著的吸收能力，并在红光/近红外（IR）区域具有高消光系数、高光稳定性、高单线态氧产率，以及在黑暗和光照条件下对正常/健康组织的低毒性。长期以来，焦磷酸铁盐因其宽吸收范围、长的激发态寿命以及产生单线态氧的能力而被认为是有效的光敏剂[1]、[2]、[3]。然而，由于π-π堆叠或疏水相互作用，焦磷酸铁盐在水溶液中容易聚集[4]，这严重降低了它们产生单线态氧的能力，因为聚集体会将吸收的能量以热的形式释放出来，从而降低荧光强度和效果[5]。许多研究小组通过共价修饰（例如引入不同的功能基团[8]）、结构支架或框架（如β-环糊精、葫芦脲、杯芳烃/柱芳烃等[9]）或与纳米结构材料结合[10]，在提高焦磷酸铁盐的效果方面取得了显著进展[1]、[2]、[6]、[7]。磺丁基醚-β-环糊精（SBE₇βCD）作为β-环糊精的衍生物，具有更高的水溶性[17]、更好的相互作用亲和力[18]和较低的毒性[17]、[20]、[21]。由于其磺酸基团和扩展的疏水腔，它能够与多种药物/染料结合[6]、[18]、[19]、[22]、[23]、[24]。在我们之前的工作中，我们报道了阳离子5,10,15,20-四(4-N-甲基吡啶基)卟啉（TMPyP）与SBE₇βCD的复合物化，这种复合物作为更好的光敏剂，能够提高单线态氧的产率并选择性地杀死癌细胞系[6]。Pal等人研究了SBE₇βCD在体外溶解格列美脲（glimepiride）中的应用[25]。Wang等人展示了四(4-吡啶基)卟啉与SBE₇βCD形成的包合物，有效减缓了聚集现象，从而促进了活性氧（ROS）的生成[26]。在最近的一项研究中[18]，我们使用SBE₇βCD复合的香豆素在果蝇模型中实现了更长时间的生物成像。此外，SBE₇βCD分子还被用于抑制和分解胰岛素纤维[27]。另外，SBE₇βCD还被用来调节药物补充剂血根碱（sanguinarine）的光物理性质和抗菌活性。这种药物在复合后对不同病原菌株表现出更好的抗菌活性[19]。尽管宿主-客体复合物显著改善了目标分子的光敏行为，但由于高浓度的宏观环状宿主可能会产生不良影响[28]，因此不推荐使用。为了解决这个问题，一种有前景的解决方案是用宏观环状宿主（如葫芦脲[7]uril、β-环糊精和SBE₇βCD）对纳米粒子表面进行模板化。预计纳米摩尔浓度的功能化纳米粒子就足以实现所需的光敏活性，而不会产生任何副作用。实际上，近年来，带有宏观环状宿主的金属纳米粒子在各种生物医学应用中受到了广泛关注，因为宿主可以稳定纳米粒子，控制其粒径，并利用分子识别行为与不同的分析物形成复合物，用于传感器、催化和药物输送等多种应用[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。磺丁基醚-β-环糊精（SBE₇βCD）由于其磺酸基团和扩展的疏水腔，能够与多种药物/染料结合[6]、[18]、[19]、[22]、[23]、[24]。在之前的工作中，我们报道了阳离子5,10,15,20-四(4-N-甲基吡啶基)卟啉（TMPyP）与SBE₇βCD的复合物化，这种复合物作为更好的光敏剂，能够提高单线态氧的产率并选择性地杀死癌细胞系[6]。Pal等人研究了SBE₇βCD在格列美脲体外溶解中的应用[25]。Wang等人展示了四(4-吡啶基)卟啉与SBE₇βCD形成的包合物，有效减少了聚集现象，从而促进了活性氧的生成[26]。在最近的一项研究中[18]，我们使用SBE₇βCD复合的香豆素在果蝇模型中实现了更长时间的生物成像。此外，SBE₇βCD分子还被用于抑制和分解胰岛素纤维[27]。此外，SBE₇βCD还被用来调节药物补充剂血根碱的光物理性质和抗菌活性。这种药物在复合后对不同病原菌株表现出更好的抗菌活性[19]。尽管宿主-客体复合物显著改善了目标分子的光敏行为，但由于高浓度的宏观环状宿主可能会产生不良影响，因此不推荐使用[28]。为了解决这个问题，一种有前景的解决方案是用宏观环状宿主（如葫芦脲[7]uril、β-环糊精和SBE₇βCD）对纳米粒子表面进行模板化。预计纳米摩尔浓度的功能化纳米粒子就足以实现所需的光敏活性，而不会产生任何副作用。实际上，近年来，带有宏观环状宿主的金属纳米粒子在各种生物医学应用中受到了广泛关注，因为宿主可以稳定纳米粒子，控制其粒径，并利用分子识别行为与不同的分析物形成复合物，用于传感器、催化和药物输送等多种应用[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。在各种类型的纳米粒子中，金纳米粒子因其独特的光学性质而受到广泛关注，这促使人们进一步研究其表面与SBE₇βCD的复合行为。先前的研究探讨了β-环糊精（β-CD）修饰的金纳米粒子作为多柔比星（DOX）可控和靶向细胞内输送的多功能纳米载体的应用[29]。Zhang及其同事最近制备了用β-CD修饰的金纳米粒子，并将其固定在二氧化硅光纤上，实现了胆固醇分子的超低检测限（LOD）和特异性识别，从而形成了类似于二维材料的超薄β-CD层[30]。这种超分子结构在分子识别能力方面非常高效，并具有选择性的生物界面，有助于实现低LOD值[30]。Trapani等人通过用环糊精修饰金纳米粒子，研究了卟啉的光敏性质。

本研究旨在提高焦磷酸铁盐的双光热疗法（PTT）和光动力疗法（PDT）效果，同时改善其生物利用度[31]。然而，据我们所知，目前尚无关于焦磷酸铁盐-a（焦磷酸铁盐的衍生物）与SBE₇βCD修饰的金纳米粒子复合后的光敏行为的报道。色氨酸以其通过两种主要途径对其吲哚部分进行光敏修饰的能力而闻名：类型I涉及将电子或氢转移给合适的底物，类型II涉及将电子能量转移给氧气，从而产生单线态氧（¹O?）[32]、[33]。Kim等人合成了与EGFR靶向肽GE11（C-EGFR）连接的光敏剂色氨酸衍生物，实现了EGFR过表达癌细胞的实时近红外荧光成像，同时提供了高对比度和靶向PDT[34]。Zeng等人提出，酪氨酸或色氨酸的引入增强了半醌阴离子自由基、超氧阴离子自由基（O₂^-•）和羟基自由基的生成，从而增加了对ct-DNA的光损伤[35]。Saravanan等人也使用这两种氨基酸来提高两种最活跃的抗菌十聚体的活性和生物相容性[36]。因此，我们假设负电荷的SBE₇βCD门户（功能化在金纳米粒子表面）与负电荷的色氨酸偶联焦磷酸铁盐之间的静电相互作用会通过破坏它们的π-π堆叠相互作用来抑制焦磷酸铁盐的固有聚集倾向。这种破坏预计会改变焦磷酸铁盐的光物理性质，从而增加单线态氧的产率。在这项研究中，我们提出了一种超纳米分子方法，以增强新合成的焦磷酸铁盐与SBE₇βCD/SBE₇βCD修饰的金纳米粒子（SBE₇βCDAuNP）复合后的光敏行为，并探索其作为高效光敏剂在光疗应用中的潜力。焦磷酸铁盐和SBE₇βCD的化学结构如图1所示。

材料

SBE₇βCD钠盐从印度的Advent ChemBio Pvt. Ltd.购买，按原样使用。SBE₇βCD和焦磷酸铁盐的水溶液使用纳米纯水（Millipore Gradient A10系统；电导率为0.06 L S cm^-1）制备。焦磷酸铁盐-a（PP）按照已报道的程序合成[37]。色氨酸偶联的PP（TCPP）按照附录中的方法合成[SI]。制备的化合物通过NMR进行了表征（图S1、S2、S4和S5）。

PP和TCPP在SBE₇βCD存在下的吸收变化

焦磷酸铁盐-a在水中的特征吸收峰分别为约445 nm（PP）和约386 nm（TCPP），在吸收光谱的Soret区域和500–750 nm范围内的Q带[42]。焦磷酸铁盐吸收光谱的红移表明形成了聚集体[43]。PP在吸收光谱中显示出约445 nm的峰，并在大约386 nm处观察到轻微的肩峰，如图2(A)所示。此外，PP在约705 nm处有一个尖锐的峰，TCPP在约678 nm处有一个尖锐的峰。

CRediT作者贡献声明

莫妮卡·高尔（Monika Gaur）：撰写——原始草稿，可视化，验证，方法学，研究。陶尔·普拉卡什·潘杜兰（Taur Prakash Pandurang）：验证，资源，研究。米纳蒂·纳亚克（Minati Nayak）：验证，方法学，研究。迪万舒·夏尔马（Divanshu Sharma）：验证，资源，研究。阿米特·库纳瓦尔（Amit Kunwar）：撰写——审阅与编辑，可视化，验证，监督。玛杜什里·萨克尔（Madhushree Sarkar）：撰写——审阅与编辑，可视化，验证，监督。达利普·库马尔（Dalip Kumar）：撰写——审阅与编辑，可视化，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们衷心感谢孟买Bhabha原子研究中心（BARC）化学组副主管A. C. Bhasikuttan博士的支持和鼓励，使得这项研究工作得以完成。D.K.、M.S.、D.S.和J.M.感谢BRNS（58/14/16/2023-BRNS/12176）的资助。M.G.和M.N.感谢BARC提供的资深研究奖学金。我们还要感谢BARC的Arundhathi C. K.女士帮助进行AFM测量。