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中国药大袁振伟/港科大唐本忠院士/北工大宋峰岩AFM：双光子无重原子型AIEgen光敏剂用于I型光动力治疗

花匠小妙招
2024-11-12 12:47

光动力疗法（PDT）是一种非侵入性的癌症治疗方法，由光激活无毒光敏剂产生活性氧，从而杀伤肿瘤细胞。光敏剂在PDT中的治疗效果很大程度上取决于活性氧的产生效率、类型和组织穿透深度。特别是在恶性肿瘤中，缺氧被广泛认为是PDT的主要障碍。II型PDT依赖于氧气产生单线态氧，而这对缺氧的深层组织可能无效。而I型PDT通过电子转移机制产生非氧依赖性的自由基，即使在缺氧环境中也有效。卟啉和酞菁类光敏剂虽然在临床上取得了成功，但大多为II型PDT，并且由于激发波长在紫外可见光区域，光穿透性较差。目前大多数在PDT治疗窗口（700-1000nm）的有机光敏剂在疏水状态下发生聚集致猝灭（ACQ），降低了水中的荧光量子产率以及ROS的生成效率。

为了解决这一问题，中国药科大学袁振伟团队、香港科技大学唐本忠课题组、北京工业大学宋峰岩博士共同开发了一种无重原子的I型光敏剂（PNF），用于双光子激活型PDT治疗缺氧癌症。PNF的AIE特性增加了其荧光强度、双光子吸收截面以及ROS生成效率。无重原子的PNF并没有明显的暗毒性，在808 nm的激光照射下，PNF通过I型光化学过程产生 O2•− 和 OH•。即使在缺氧条件下PNF也能有效地产生ROS，从而解决肿瘤缺氧问题。并且PNF还增强了脂质过氧化，诱导肿瘤细胞发生铁死亡和细胞凋亡，有效抑制肿瘤的生长（图1）。相关论文以题为Two-Photon-Activated Heavy-Atom Free AIEgen for Highly Efficient Type I Photodynamic Therapy发表在《Advanced Functional Materials》上。

图1. PNF的结构及其I型PDT抗肿瘤机制

这项研究工作中荧光强度、双光子吸收截面以及ROS生成效率的大幅度提高主要是由于三苯胺基团的引入。PNF晶体中碳原子和杂原子之间的分子间相互作用贡献率（7.6%）远高于NF晶体（5.2%），促进了PNF分子杂环之间的更紧密接触，从而产生更紧凑的堆叠结构，诱导不同的发光性质和聚集体状态下的ROS生成。与NF相比，AIE效应使PNF在固态荧光方面具有显着优势。PNF的TPA值（σ2）在810nm处的峰值超过2000 GM，凸显了PNF在双光子应用领域进一步探索的潜力。（图2）

图2. PNF的晶体堆积结构、AIE光谱性质、双光子激发性质

通过理论计算分析其HOMO和LUMO的重叠程度，PNF的HOMO和LUMO轨道的模的重叠积分（0.469）小于NF的重叠积分（0.576）。PNF对应的自旋轨道耦合（SOC）常数为1.038 cm−1，而PNF的SOC常数为1.311 cm−1，这均有利于促进ISC过程的发生，提高ROS的生成效率。电子顺磁共振（EPR）分析确认了PNF在808 nm的激光照射下产生了 O2•− 和 OH•。（图3）

图3. PNF的理论计算分析及EPR分析

PNF的暗毒性低的同时，在808 nm光照射后，在常氧和缺氧条件下，以浓度依赖性方式有效地杀死肿瘤细胞，杀灭效率超过80%。细胞死亡机制分析结果表明，PNF产生的ROS有效诱导了细胞凋亡以及铁死亡的发生。（图4）

图4. PNF的抗肿瘤效果及机制

总结：作者通过引入三苯胺基团开发了一种双光子激活型无重原子I型光敏剂（PNF）用于癌症治疗。三苯胺骨架的引入增强了PNF的AIE特性，提高了水中聚集态的亮度，并提高了ROS的产生效率。该研究为光敏剂在高效深部缺氧肿瘤光动力治疗中的临床应用提供了新的策略，并为高效I型光敏剂的合理设计和开发提供了思路。

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来源：高分子科学前沿