克服声敏剂的光毒性：用于声动力治疗的姜黄素配位铱(III)配合物

《Bioorganic Chemistry》：Overcoming phototoxicity of sonosensitizers: Curcumin-coordinated iridium(III) complexes for sonodynamic therapy

　　

摘要

声动力疗法（SDT）对深部肿瘤具有广阔的应用前景，但大多数声敏剂存在严重的光毒性问题，导致患者在治疗后需要避免光照。在此，我们提出了一种利用天然产物姜黄素作为辅助配体构建铱(III)配合物（Ir1–Ir3）的策略。Ir3具有双天然产物衍生配体（姜黄素和香豆素6），展现出良好的HOMO–LUMO分布分离和较小的S₁–T₁能隙，使其能够在超声（US）触发下高效产生单线态氧（¹O₂），同时在光照下表现出可忽略的光毒性。经DSPE-PEG₂₀₀₀包封后，Ir3纳米颗粒（NPs）可被癌细胞高效摄取，在超声照射下产生强效¹O₂，诱导免疫原性细胞死亡。在4 T1乳腺癌模型中，Ir3 NPs联合超声通过促进树突状细胞成熟和CD8⁺ T细胞浸润，显著抑制肿瘤生长和肺转移。值得注意的是，该声动力效能在6厘米的组织模拟屏障中仍能持续，活体内对侧超声照射仍可实现对深部肿瘤的有效抑制。本工作建立了天然产物配位金属配合物作为高性能、低光毒性声敏剂的策略，克服了SDT的主要临床障碍，为深部组织癌症免疫治疗提供了新途径。

引言

癌症是最重大的公共卫生问题之一[1]，深刻影响着人类寿命和生活质量。传统的癌症疗法包括手术切除、化学治疗和放射治疗[2]、[3]、[4]。这些方法存在局限性，如治疗生物利用度低、脱靶细胞毒性或耐药性，导致治疗效果不尽人意[5]、[6]、[7]、[8]。在过去几十年中，光动力疗法（PDT）作为一种无创且具有高度时空精确定位的疗法，引起了日益增长的研究兴趣，并展现出令人瞩目的治疗效果[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。光敏剂（PS）作为核心要素，可在光照激活下通过I型和II型过程产生活性氧（ROS），诱导肿瘤细胞死亡[14]、[15]、[16]、[17]。由于光组织穿透深度的限制，PDT主要用于浅表癌症的治疗[18]。因此，亟需开发新策略以应对深部肿瘤的治疗。作为替代方案，声动力疗法（SDT）作为一种具有更深组织穿透力的前景疗法应运而生[19]。超声（US）在SDT中通常以0.5–3.0 MHz的频率和0.5–3 W cm^?2的强度照射1–30分钟，且不带来安全隐患[20]、[21]。类似于PDT，SDT主要通过超声诱导ROS产生发挥细胞毒性作用[22]、[23]、[24]、[25]。尽管具体机制尚有争议，但现有证据表明，惰性空化引发的声致发光和热解在超声激活声敏剂产生ROS过程中发挥关键作用[26]。

有机声敏剂因其可调节的分子结构、优良的生物相容性和出色的可生物降解性而受到广泛关注[27]、[28]、[29]。迄今为止，多种有机声敏剂已被探索应用于SDT，尤其是卟啉及其衍生物[30]、[31]、[32]。天然产物如姜黄素（CUR）——一种从植物姜黄中提取的多酚类化合物，具有药用价值，并因其抗癌功能而引发研究兴趣[33]、[34]。然而，CUR在生物医学应用中面临挑战，包括水溶性差、化学稳定性低以及快速代谢清除[35]、[36]、[37]。尽管CUR在数十年前提及可作为强效SDT试剂[38]，但其制备复杂和治疗效率低下阻碍了其进一步应用[39]、[40]、[41]、[42]。另一方面，过渡金属配合物，尤其是铱(III)配合物和钌(II)配合物，在PDT中作为光敏剂展现出巨大潜力[43]、[44]、[45]、[46]、[47]、[48]。最近，一些钌(II)和铱(III)配合物也被发现可作为有效的声敏剂用于肿瘤治疗[49]、[50]、[51]，而SDT过程能够触发免疫原性细胞死亡（ICD）并增强肿瘤免疫原性[52]、[53]。然而，这些声敏剂在光照下往往会产生毒性ROS，导致光毒性并造成正常组织损伤和副作用[54]、[55]。这将要求患者在治疗后严格避免光照以减轻不良反应。因此，探索仅能在超声下有效产生毒性ROS且光毒性副作用可忽略的声敏剂具有重要的研究价值[56]、[57]。目前，CUR与过渡金属配合物的组合尚未见报道。充分利用天然产物和过渡金属配合物的优势构建一体化系统，可能代表克服上述缺陷的一种前景方法。

在此，我们将CUR作为辅助配体引入铱(III)体系，设计并合成了三种配合物（Ir1–Ir3）。通过实验分析，我们发现Ir3以CUR和另一种天然产物衍生物香豆素6（CO6）为配体，由于其显著增强的单线态-三线态系间窜越（ISC），展现出最高的超声诱导¹O₂产生效率。为提高生物相容性和肿瘤靶向能力，我们将Ir3与商业两亲性聚合物DSPE-PEG₂₀₀₀包封装备其纳米颗粒。体外实验结果表明，Ir3 NPs展现出增强的SDT效率、显著的细胞毒性和极低的光毒性，有效解决了癌症治疗中潜在的皮肤光毒性问题。后续小鼠体内实验进一步证实Ir3 NPs在肿瘤部位蓄积并展现出优异的ROS产生能力，导致具有ICD效果的肿瘤细胞死亡。总之，本工作建立了利用天然产物配位金属配合物作为超声激活ROS产生剂且光毒性极小的新策略。铱(III)配合物与天然产物的成功整合为开发具有改善治疗效果和安全性的下一代声敏剂提供了有前景的策略，从而拓展了SDT的生物医学应用。

章节摘要

合成与表征

为了将天然产物引入铱(III)体系，采用CUR作为辅助配体，并分别使用2-苯基吡啶（ppy）、2,3-二苯基吡嗪（dpp）和香豆素-6（CO6）作为环金属化（C^N）配体，形成目标配合物Ir1–Ir3。双核铱(III)配合物前驱体[Ir(C^N)₂Cl]₂通过氯化铱与C^N配体在回流状态的乙二醇/水（3:1，v/v）混合溶液中反应制备。后续反应

结论

本工作中设计并合成了三种杂化Ir(III)-CUR配合物（Ir1–Ir3）及其无CUR类似物（Ir1c–Ir3c）。对其物理性质和激发态能级进行了深入研究。通过将这些性质与超声照射下ROS的产生相关联，我们建立了明确的构效关系。具体而言，具有双天然产物衍生配体（CUR和CO6）的Ir3展现出最高的¹O₂产生效率。这种优异的性能

CRediT作者贡献声明

倪思宇：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法学，形式化分析，数据整理。魏芳芳：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，形式化分析，概念构思。韦卓才：撰写 – 审阅与编辑，形式化分析，数据整理。周莉：撰写 – 审阅与编辑，调查研究。李凯：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿，调查研究，形式化分析，概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能对本研究的报告产生影响。

致谢

作者感谢中国国家重点研发计划（2023YFF0715400）、广西科技计划项目（Guike AA25069007）、国家自然科学基金（22301121）、广东省先进生物材料重点实验室（2022B1212010003）以及深圳市智能健康工程重点实验室（ZDSYS20200811144003009）的资助。所有体内实验程序均已获得实验中心动物伦理委员会批准

倪思宇|魏芳芳|韦卓才|周莉|李凯

深圳市智能健康工程重点实验室，广东省先进生物材料重点实验室，南方科技大学生物医学工程系，中国深圳 518055