硒敏化第二近红外半花菁光敏剂用于小鼠乳腺癌线粒体靶向第一型光动力治疗

《Journal of Colloid and Interface Science》：Se-sensitized NIR-II merocyanine photosensitizer for mitochondria-targeted Type I photodynamic therapy of breast cancer in mice

　　

摘要

乳腺癌是全球范围内影响女性最常见的恶性肿瘤之一，对女性的健康和生存构成严重威胁。因此，乳腺癌治疗有效技术的开发在生物医学和材料化学领域受到了广泛关注。本文在光敏剂设计中引入了推拉电子效应和重原子效应。以甲氧基三苯胺作为电子给体以增强电子供给能力，而以苯并噻唑鎓阳离子作为电子受体。通过将电子受体中的S原子替换为Se原子，合成了四种NIR-II区域的半菁光敏剂，即S-672、S-732、Se-720和Se-780。四种化合物均被归类为I型光敏剂。Se的引入显著增强了•OH的生成，总体ROS生成效率的顺序为：Se-780 > Se-720 > S-732 > S-672。细胞实验表明，Se-720和Se-780在黑暗条件下表现出低细胞毒性，并特异性靶向线粒体。在光照条件下，Se-720和Se-780通过破坏线粒体并触发免疫反应表现出优越的光动力治疗（PDT）效果。将Se-780与泊洛沙姆F127包封制备的纳米颗粒实现了小鼠乳腺肿瘤的靶向NIR-II荧光成像，并有效抑制了肿瘤生长。

引言

乳腺癌目前是全球女性中最常见的恶性肿瘤之一，对女性的健康和生存构成严重威胁[1, 2, 3, 4]。因此，开发乳腺癌的有效治疗技术受到了大量研究关注。目前癌症治疗主要依赖手术切除、化疗和放疗。然而，这些传统治疗方法难以实施，可能产生大量副作用，并可能导致中枢神经系统和周围神经系统的不可逆损伤[5, 6, 7]。因此，开发更易实施且不良反应更少的新型癌症治疗策略仍然是重要的研究优先事项。

荧光引导的光动力治疗（PDT）被认为是治疗乳腺癌的一种极具前景的治疗策略。该方法通过设计具有特定靶向性能的光敏剂（PS），利用肿瘤组织和正常组织之间生理、生化和病理微环境的差异。这些光敏剂选择性地积聚在肿瘤组织中，在特定光源激发下，通过能量或电子转移与周围氧分子相互作用，产生细胞毒性活性氧（ROS），从而诱导肿瘤细胞凋亡和坏死[8, 9, 10]。与传统治疗方法相比，PDT具有选择性、可控性、局部治疗和无创性等优点。它还可以减少癌症治疗的副作用，并且可以重复治疗而不影响其他治疗方式的效果或产生治疗耐药性[11, 12]。

理想的光敏剂应具有较小的单重态-三重态能隙（ΔEST），因为从单重态（S1）到三重态（T1）的跃迁是光化学反应所必需的，而T1更长的寿命为光敏剂敏化O2提供了更多机会。较小的ΔEST促进光敏剂的S1-T1跃迁，从而增强O2敏化[13, 14, 15]。此外，光敏剂应具有更长的发射波长。治疗过程中组织对可见光的强吸收和散射会显著降低光的穿透深度，并可能影响体内成像效果[16, 17]。然而，大多数临床批准的光敏剂仅在可见光范围（400-700 nm）内发射，大大限制了其临床应用。相比之下，近红外（NIR）光敏剂在治疗近红外窗口（700-1700 nm）内工作，提供更长的发射波长。它们在组织中经历更少的吸收和散射，能够实现更深层次的组织穿透，因此更适合荧光引导的光动力治疗。因此，NIR光敏剂在PDT中具有巨大潜力[18, 19, 20, 21, 22]。

开发高效NIR光敏剂的主要策略是减小HOMO-LUMO能隙（ΔE）和ΔEST，以实现更长的发射波长和更高的ROS产率。主要方法包括调控光敏剂的给体（D）-受体（A）电子结构和引入重原子。结合推拉电子效应和重原子效应可以降低光敏剂的ΔE和ΔEST，从而获得更长的发射波长和增强的光敏化效率[23, 24, 25, 26]。

除光敏化效率外，光敏剂的靶向能力是决定PDT疗效的重要因素。由于ROS的扩散范围仅为20 nm且半衰期极短（40 ns），设计靶向亚细胞器的光敏剂对于提高PDT疗效至关重要[27, 28, 29, 30]。线粒体作为细胞的"能量工厂"，其损伤可因能量供应不足而诱导凋亡。因此，线粒体是癌细胞中有用的治疗靶标。开发能够特异性靶向线粒体的光敏剂是显著增强PDT在癌细胞中疗效的一种有前景的方法[31, 32, 33]。此外，与强烈依赖氧气的II型PDT相比，I型PDT对氧气的依赖程度较低。这种较低的氧气依赖性主要与缺氧癌细胞中通过Haber-Weiss反应或肿瘤内O2•?解离进行的氧气补偿有关。因此，开发能够靶向线粒体等亚细胞器的I型NIR-II光敏剂已成为当前PDT研究的重要焦点[34, 35, 36, 37, 38, 39]。

基于这些策略，研究人员报告并评估了一系列光敏剂。Peng等人将Se引入HBA作为"增强剂"，显著促进了ISC过程并提高了808 nm处的激发效率；因此，由此产生的四种HBA表现出优异的1O2生成能力。值得注意的是，甲氧基修饰的Fuc-SeME可在水中对自组装成均匀的纳米球，大幅提高了其细胞摄取率（与Fuc-Se相比提高了25倍以上），并实现了卓越的肿瘤杀伤效果[13]。他们随后通过引入S（Scy7）和Se（Secy7）原子对七甲基菁染料进行修饰，通过强烈的分子内电荷转移效应显著缩小了能隙。Se的重原子效应增强了自旋-轨道耦合，导致Secy7的主吸收峰红移至约840 nm，从而产生了极高的1O2生成能力[25]。Miao等人报道了两种新型双（苯并[b]硒吩）稠合的氮杂BODIPY衍生物，即Se-BDP 1和Se-BDP 2。这些化合物表现出强烈的NIR吸收，1O2生成量子产率高达0.27。当配制为纳米颗粒时，Se-BDP 1表现出优异的生物相容性和极低的暗毒性，肿瘤生长抑制率高达73%[40]。Yu等人设计并合成了负载硒代露比红（NMe2Se4N2）并用叶酸（FA）功能化的纳米颗粒，作为pH激活、酸响应靶向光敏剂。这些纳米颗粒通过FA-FA受体结合特异性识别癌细胞，并通过受体介导的内吞作用被癌细胞选择性摄取；进入溶酶体后，NMe2Se4N2被激活生成1O2。将硒引入露比红核心结构通过重原子效应增加了1O2的产率；同时，1O2的pH控制释放选择性破坏溶酶体，从而通过溶酶体相关途径杀死癌细胞[41]。此外，由于癌细胞的微环境是缺氧的，与II型光动力治疗相比对氧气依赖性更低的I型或I/II型光动力治疗更适合癌症治疗环境。Kamkaew等人报道了硒取代的双（二氟硼酸）-8-咪唑啉吡咯啶（BOIMPY）衍生物，与扭曲的BOIMPY相比，它们表现出改善的光物理性能，包括更大的Stokes位移，同时降低了辐射弛豫和系间窜越能力，使其适用于成像引导的光动力治疗。其中一种衍生物在经近红外光激活后，对癌细胞显示出增强的I型和II型PDT效果[42]。Tang等人设计了两种新型含硒的I型光敏剂，Se6和Se5，两者均使用苯并硒氮杂受体并具有聚集诱导发射特性。由于硒和溴的双重重原子效应，Se6表现出更小的ΔEST（0.03 eV），从而增加了ROS的产率。该光敏剂可同时产生O2•?和•OH；Se6在好氧和厌氧条件下均表现出优于市售光敏剂Ce6的体外PDT性能。静脉注射后，Se6也显示出显著的体内PDT效果，肿瘤生长抑制率高达99%，远超Ce6。这一发现为I型光敏剂的分子设计和机理研究提供了新的视角[26]。Chen等人报道了一种不依赖氧气的光敏剂（EBSe）；对亚甲基蓝进行简单的硒和乙基修饰即可产生EBSe，在缺氧条件下对4T1细胞的光毒性显著增强。EBSe表现出自适应光动力过程，在常氧条件下产生增强的I/II型活性氧。值得注意的是，EBSe具有更高的细胞摄取率，并在光照诱导下从溶酶体转运至细胞核；通过协同激活三种非凋亡途径——铁死亡、细胞焦亡和癌症发生——增强了4T1荷瘤小鼠的抗肿瘤免疫反应[14]。

本文通过在给体中引入甲氧基基团以增强电子供体能力，并采用甲氧基苯并噻唑鎓阳离子作为电子受体，将推拉电子效应和重原子效应纳入光敏剂设计。通过将电子受体中的S原子替换为Se原子，合成了四种具有半菁构型的光敏剂（S-672、S-732、Se-720和Se-780）。随后研究了这些光敏剂在乳腺癌光动力治疗中的潜在应用。

章节摘要

合成、晶体结构和光化学性质

四种光敏剂（S-672、S-732、Se-720和Se-780）通过三苯胺/甲氧基三苯胺-噻唑醛与甲氧基苯并噻唑（硒并噻唑）阳离子的Knoevenagel缩合一步合成。这些光敏剂的结构通过HRMS（图S1-S4）和1H/13C NMR（图S5-S12）进行了确认。详细的合成程序和表征数据见补充材料。

仅分离到光敏剂S-672和Se-720的晶体

结论

通过合理的分子设计，利用重原子效应和推拉电子效应，成功合成了四种基于半菁的NIR-II区域I型光敏剂（S-672、S-732、Se-720和Se-780）；其荧光发射延伸至1300 nm。对"Se重原子效应与推拉电子效应的协同作用"的系统研究表明，Se的引入有利于ISC过程并促进I型光动力途径，从而提高了•OH的生成。

存档代码

CCDC（25638452563846）包含本文的补充晶体学数据。这些数据可通过www.ccdc.cam.ac.uk/data_request/cif免费获取，或发送邮件至[e-mail]，或联系英国剑桥The Cambridge Crystallographic Data Centre, 12 Union Road, Cambridge CB2 1EZ, UK；传真：[phone]。

作者贡献

张祺龙和周旭：论文撰写和实验数据处理；王雪、张春雪和李翔：实验数据处理和可视化；尹江：光谱分析和理论计算；沈灵一和徐红：化合物合成、论文修订和实验指导。

CRediT作者贡献声明

张祺龙：撰写—审阅与编辑，软件，资金获取，形式分析，数据管理。周旭：撰写—原稿，调查，数据管理。王雪：软件，方法论，调查，形式分析，数据管理。张春雪：验证，调查，数据管理。李翔：可视化，软件，方法论，调查。尹江：软件，数据管理。沈灵一：软件，数据管理，概念化。徐红：撰写—审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知可能影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（编号：22465010）、贵州省科学技术项目（ZD[2026]119，MS[2026]505）和贵州省重点实验室平台项目（ZSYS[2025]008）的资助。感谢基础医学院、转化医学研究中心和动物实验中心为本研究提供实验材料和研究空间。

张祺龙|周旭|王雪|张春雪|李翔|尹江|沈灵一|徐红