基于阴离子霍夫迈斯特效应解锁五甲川菁中长寿命电荷分离态用于光动力免疫治疗

《Advanced Science》：Unlocking Long-Lived Charge-Separated State in Pentamethine Cyanine Based on Anionic Hofmeister Effect for Photodynamic Immunotherapy

　　

五甲川菁（Cy5）在荧光成像与光敏化能力之间的权衡极大地阻碍了其在光疗中的应用。分子设计策略一直是提高其活性氧（ROS）生成效率的主流方法，但在合成流程与电荷分离（CS）效率的协同优化方面仍不尽如人意。在此，通过将立体π阴离子BPh₄^?引入一系列Cy5骨架中，研究人员实现了ROS生成能力增强8倍，并激发了一条高效的不依赖氧的电子转移途径，从而解锁了长寿命电荷分离态（CSs），有利于光动力免疫治疗。“端对端”堆叠的Cy5-BPh₄确保了弱的电子耦合（V）和更高的驱动力来阻断电荷复合（CR），最终展现出其高效的CS以促进后续电子转移途径。Cy5-BPh₄优异的ROS产生能力赋予其对低氧癌细胞强大的光毒性，并引发免疫原性细胞死亡（ICD）反应，在原发性和远端肿瘤中均取得了优异的抗肿瘤效果。总体而言，这项工作为赋予花菁类光敏剂长寿命CSs用于抗肿瘤光动力免疫治疗提供了一种通用范式。

光动力免疫治疗需要高效产生活性氧（ROS）的光敏剂（PSs），尤其是不依赖氧的I型ROS（如超氧阴离子O₂^•?和羟基自由基^•OH），以克服实体瘤低氧微环境。然而，多数有机光敏剂因激发态多重衰变过程导致ROS量子效率偏低。研究表明，高效的电荷分离（CS）能显著提高激发电子和空穴参与下游光化学反应的几率。现有构建长寿命电荷分离态（CSs）的策略主要依赖给体-受体（D-A）或给体-桥-受体（D-B-A）二元体系，往往需要复杂的分子合成。花菁染料（如Cy5）是经典近红外荧光团，但其CS寿命短，光敏化能力受限。阴离子霍夫迈斯特效应可调控分子组装，但利用其调节电子耦合（V）和电荷复合驱动力（ΔG_CR）以延长CS寿命尚未见报道。为此，研究人员提出立体π阴离子取代策略，将四苯基硼阴离子（BPh₄^?）引入Cy5骨架，以解锁长寿命CSs并实现高效光动力免疫治疗。

研究人员合成了一系列Cy5基光敏剂Cy5-X（X = I、OTs、FCN、BPh₄），通过单晶结构、光谱学、电化学和理论计算等手段研究了阴离子类型对自组装行为、激发态动力学和ROS产生的影响。结果表明，Cy5-BPh₄在水溶液中形成“端对端”J聚集，具有弱的电子耦合和较低的电荷复合驱动力，从而延长了电荷分离态寿命至9.39 ns，并高效产生O₂^•?和^•OH。体内外实验证实其通过线粒体氧化应激诱导肿瘤细胞凋亡，并触发ICD，激活全身抗肿瘤免疫，抑制原发和远端肿瘤生长。

主要技术方法包括：有机合成（阴离子交换）制备Cy5-X；稳态UV-vis吸收/荧光光谱、动态光散射（DLS）、透射电镜（TEM）和X射线衍射（XRD）表征自组装行为；电子顺磁共振（EPR）和自由基探针（DCFH-DA、DHR123、HPF、ABDA）检测ROS类型与产量；瞬态吸收光谱（TAS）结合全局拟合分析激发态动力学；电化学阻抗谱（EIS）和瞬态光电流评估电荷分离；密度泛函理论（DFT）计算电子耦合V与ΔG_CR。细胞实验采用4T1小鼠乳腺癌和Hep G2人肝癌细胞系，低氧条件用N₂预培养模拟；体内实验使用6周龄雌性Balb/c小鼠（杭州紫源实验动物科技有限公司），建立4T1双侧肿瘤模型，瘤内注射Cy5-BPh₄并给予660 nm激光照射；流式细胞术和ELISA分析免疫指标。

3.1 分子设计与合成：通过将立体π阴离子BPh₄^?和平面π阴离子OTs^?、FCN^?引入Cy5母体取代碘离子，合成了Cy5-OTs、Cy5-FCN和Cy5-BPh