双协同光疗用可控光转化共轭光敏剂的合理设计外文翻译资料

双协同光疗用可控光转化共轭光敏剂的合理设计

摘要：高性能光敏剂是精确肿瘤治疗领域中实现选择性肿瘤光消融的理想药物。然而在光疗中，光敏剂常常由于残留肿瘤细胞的存在而受到有限的肿瘤抑制或不可避免的肿瘤再生。一个主要的挑战仍然是探索一种有效的方法来促进光敏剂的光转化，来最大限度地提高抗癌效率。本文提出了一种基于硼二吡咯烷（BDP）的共轭光敏剂（CPs）的合理设计，该光敏剂能在光照下诱导双重协同光疗。BDP单体与二聚体BDP（di-BDP）或三聚体BDP（tri-BDP）的共轭耦合诱导了从荧光到单重态到三重态或非辐射跃迁的光转换，以及明显红移的近红外吸收。特别是纳米颗粒内的三聚体BDP在近红外光照射下显示出较好光热转换（主要）和单线态氧产生（次要）效果，通过其占优势的晚期凋亡和中度早期凋亡引起的协同抗癌效率，显著地实现肿瘤光消融而无任何再生。这种共轭光敏剂的合理设计为精确医学中的肿瘤光疗合作提供了有价值的范例。

光敏剂作为一种新兴的多功能化合物，在光动力治疗、光催化、细胞信号转导和生物传感器等领域得到了广泛的应用^[1]。在癌症治疗中，激发型光敏剂能够通过系间窜越（ISC）介导的单重态到三重态的转变和随后的能量转移，产生高细胞毒性的活性氧（ROS）如单线态氧，从而通过氧化线粒体和细胞核中的生物相关分子，使细胞凋亡，引起对恶性浅表肿瘤的选择性抑制^[2]。PDT与传统的治疗方法相比具有许多独特的优点，包括精确的时空控制、选择性治疗、最小的副作用和可忽略的耐药性^[2b,3]。到目前为止，科学家们通过一系列手段广泛地开发了几种有机光敏剂，包括硼二吡咯亚甲基（BDP）、酞菁和卟啉，这些手段包括重原子效应、自旋转换、电荷复合、激子耦合、抑制光诱导电子转移，以及pH可激活的二甲氨基苯基的功能性取代，线粒体靶向三苯基溴化膦，或抗血管生成乙酰唑胺部分等^[4]。此外，诸如胶束、囊泡、氧化石墨烯、介孔二氧化硅纳米颗粒和金属-有机框架等多功能药物载体经常被用于通过增强单线态氧生成、自供氧、提高抗光漂白性或更好的肿瘤积聚来提高其抗癌效率^[2b,c,3,4,5]。不幸的是，这些光敏剂常常由于光照射后残留的肿瘤细胞而受到有限的肿瘤抑制或不可避免的肿瘤再生，这通常是由于它们的一些缺点，包括可见光区域的浅光穿透深度（通常小于650 nm）、绝对氧依赖性、以及，细胞质药物转运不足，单线态氧介导的细胞凋亡对细胞损伤不足产生的。因此，具有明显红移吸收的高效光敏剂是实现肿瘤光消融的理想选择^[2b,4b]。

为了提高光敏剂的PDT效率，近年来人们进行了大量的研究，以期合理地合成高效的光敏剂，提高光敏剂的单重态产氧量^[3a–i,6]。一些新兴的方法通过合理的分子设计，延长了三重态的寿命和减少的辐射跃迁来促进光敏剂如BDP的光转化为单线态氧^[4f]。例如，利用分子内共振能量转移（RET）和共振能量转移来增强ISC过程和随后的单线态氧生成^[7]；引入自由基增强ISC来产生长寿命的三重态^[8]；利用光诱导电子转移过程，在可见光吸收条件下产生了无重原子染料的局域激发三重态等方法^[9]。尽管这些方法有效地增强了光敏剂的单线态氧的产生，但还是高度希望能够有一种简单而有效的方法来调节它们的光转化行为，从而使光细胞毒性最大化以引起有效的光治疗^[10]。之前，我们利用铂配合物BDP产生重原子效应和非辐射跃迁，实现了PDT和光热疗法（PTT）的协同效应。该方法通过最大化其光转换效率，获得了有效的光治疗效果。在本文中，我们首先报告了一种合理设计的基于BDP的共轭光敏剂（CPs），该药可诱导协同光疗，以在近红外照射下实现肿瘤光消融手术（图1）。BDP单体与二聚体BDP（di-BDP）或三聚体BDP（tri-BDP）的共轭偶合，导致了从荧光到单重态到三重态或无辐射的光转换，以及明显的红移吸收。特别是，纳米颗粒内的三聚体BDP在785nm光照下显示出了良好的热效应（主要）和单线态氧产生效果（次要），比仅通过ISC转化单线态氧的二聚体BDP具有更好的光转化效率，显著地实现了无任何再生的全肿瘤光消融。

为了合成具有可调光转化率的BDP基共轭光敏剂，设计了BDP单体与二聚体BDP和三聚体BDP的共轭偶联结构，如图2a所示。简单地说，高辐射BDP前体的甲酰化为beta;-甲酰BDP（单BDP），随后进行一锅Knoevenagel自缩合反应，最终得到共轭二聚体BDP和三聚体BDP。使用¹H NMR、¹³C NMR和HR-MS分析对单体BDP、二聚体BDP、三聚体BDP及其前体的化学结构和分子量进行了充分表征（图S1–S7，支持信息）。

在二甲基亚砜（DMSO）中加入聚乙二醇114-b-聚己内酯60共聚物，在超声作用下分散于蒸馏水中，得到疏水性的二聚体BDP和三聚体BDP，然后通过透析纯化后在20%的负载水平下形成二聚体BDP负载纳米颗粒（二聚体BDP纳米粒）或三聚体BDP负载纳米颗粒（三聚体BDP纳米粒）（图1a）。采用类似的方法制备了单BDP纳米颗粒（mono-BDP纳米颗粒）作为对照。使用透射电子显微镜（TEM）观察到二聚体BDP 纳米颗粒和三聚体BDP 纳米颗粒，表明球形形态，平均直径分别为85.0 plusmn; 6.0和69.0 plusmn; 8.0 nm（图2b；和图S8，支持信息）。动态光散射（DLS）测量表明，它们的平均流体动力学直径分别为95.0和82.0 nm（图2c；图S8，支持信息），表明它们通过增强渗透和保留（EPR）效应具有潜在的被动靶向能力。游离二聚体BDP和三聚体BDP也分别溶解在含有0.5%二甲基亚砜（DMSO）的水溶液中作为对照（图S8，支持信息），由于它们在水溶液中的聚集，显示出广泛的尺寸分布。

图 1. a）共轭光敏剂的化学结构和纳米粒子。b）各种共轭光敏剂的光转换路线。c）光照下经PTT/PDT处理的三聚体BDP纳米颗粒对肿瘤细胞的协同光疗。

图 2. a）单BDP、二聚体BDP和三聚体BDP的合成路线。i）TFA，CH₂Cl₂；DDQ；二异丙基乙胺；BF₃sdot;Et₂O；ii）POCl3，DMF；iii）HOAc，哌啶。b）TEM图像和c）tri-BDP纳米粒子的粒径分布。

观察了二聚体BDP和三聚体BDP在水中的吸收光谱。如图3a所示，它们在水中分别在649和738 nm处显示吸收峰，而单BDP 纳米颗粒在491 nm处显示吸收峰。很明显，由于扩展的离域pi;体系，BDP单体与二聚体BDP或三聚体BDP的共轭偶联导致可见光或近红外区域的吸收明显红移。

特别是，具有近红外吸收的tri-BDP纳米颗粒可能为肿瘤治疗提供更深的光穿透深度。此外，与二甲基亚砜中的游离二聚体BDP和三聚体BDP相比，它们的吸收也显示出增宽，并显示出约20nm的红移，这是由于它们的J型和H型聚集体与二聚体BDP或三聚体BDP聚集体在纳米颗粒内形成分子间pi;-pi;堆积所致^[6,10]。这些红移在756nm和794nm处的红移发射峰和大斯托克斯位移进一步证实（图3b）。很明显，BDP单体在纳米颗粒中的共轭偶联和随后的J型聚集是其明显红移吸收的原因。

为了说明纳米颗粒中二聚体BDP和三聚体BDP的电子状态，我们进行了含时密度泛函理论（TDDFT）计算（图3c，d）。计算出的二聚体BDP和三聚体BDP的紫外–可见吸收最大值分别位于642和752nm处，这与图3a中的实验吸收值非常吻合，二聚体BDP和三聚体BDP中的S₁态起源于具有最大消光系数（asymp;105 L mol^minus;1 cm^minus;1）的最高占据分子轨道（HOMO）到最低未占据分子轨道（LUMO），表现出典型的pi;-pi;*特性。根据二聚体BDP和三聚体BDP的前线轨道（图3c，d），共轭BDP的主链上的电子密度是非定域的，从而导致HOMO和LUMO之间的较低的能隙部分^[11]。而且，与双-BDP相比，三聚体BDP具有更大的共轭pi;体系，因此具有更窄的pi;-pi;*跃迁能隙，从而使它们在近红外区的吸收更加强烈。很明显，BDP单体的共轭偶联导致了近红外区域的红移吸收，这表明这种共轭光敏剂可能在红移波长下被激发，而红移波长取决于它们的共轭构象。

图 3. a）与DMSO中游离单BDP、二聚体BDP和三聚体BDP相比，单BDP 纳米颗粒、二聚体BDP 纳米颗粒和三聚体BDP 纳米颗粒的归一化吸收光谱和b）发射光谱。c、d）计算的紫外-可见吸收光谱和能量最小化的HOMO/LUMO计算（高斯）二聚体BDP（c）和三聚体BDP（d）。在B3LYP/6-311G*水平上用高斯09W（标度因子为0.9）进行计算。

为了区分光照下二聚体BDP纳米颗粒和三聚体BDP纳米颗粒产生ROS的类型，使用2,2,6,6-四甲基哌啶（TEMP）和5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物（DMPO）作为自旋捕获加合物应用电子自旋共振（ESR）进行了表征（图4a）。光照5min后，两种化合物的ESR光谱均显示出TEMP-1-oxyl的特征的1：1：1的多重性，证实了这两种化合物的纳米颗粒能够产生单线态氧。瞬态吸收光谱显示，二聚体BDP和三聚体BDP的三重态寿命（tau;）分别为93.6和70.6 micro;s（图4b），表明两者都经历了有效的单重到三重态转变，并且二聚体BDP比三聚体BDP具有更有利的单体氧生成能力^[12]。以1,3-二苯基异苯并呋喃（DPBF）为探针，研究了二聚体BDP纳米颗粒和三聚体BDP纳米颗粒在光照下的单体氧生成^[10]。二聚体BDP纳米颗粒的单线态氧生成在7.5–75.0 nmol L^minus;1范围内表现出明显的浓度依赖性（图4c），而三聚体BDP 纳米颗粒在更高浓度范围内表现出相似的单线态氧生成（图4d）。很明显，与三聚体BDP纳米颗粒相比，二聚体BDP纳米颗粒在光照下能够产生更多的单线态氧。为了进一步量化二聚体BDP和三聚体BDP纳米颗粒在光照下产生单线态氧的能力，还对它们的单线态氧量子产率进行了评估。他们的单线态氧量子产率（Phi;_∆）分别为0.25和0.18（表1），高于单BDP纳米粒（Phi;_∆ = 0.09）、氯-e6负载纳米粒（Ce6纳米粒，Phi;_∆ = 0.12）和吲哚菁绿负载纳米粒（ICG纳米粒，Phi;_∆=0.1，表S1，支持信息）。相反，作为对照的游离二聚体BDP和三聚体BDP的单线态氧量子产率分别为0.22和0.19（表S1，支持信息）。显然，将二聚体BDP或三聚体BDP包埋到纳米颗粒中对单线态氧的产生没有显著影响，这可能是由于形成了组织良好的J型和H型聚集体。此外，与单BDP、Ce6和ICG相比，基于BDP的共轭光敏剂具有更好的产生光热转换和单线态氧的能力，这可能是由于荧光量子产率明显降低（表1）。此外，与三聚体BDP纳米颗粒相比，二聚体BDP纳米颗粒具有更好的产生单线态氧的能力。

图 4. a）在0.5 W cm^minus;2下分别在660 nm和785 nm光照下二聚体BDP 纳米颗粒和三聚体BDP 纳米颗粒的ESR光谱。b）二聚体BDP在660nm和三聚体BDP在780nm激发下的瞬态吸收衰减曲线。c、d）在0.5 W cm^minus;2下660或785 nm光照3 min下，不同浓度的二聚体BDP 纳米颗粒（c）和三聚体BDP 纳米颗粒（d）溶液中410 nm处DPBF的归一化吸光度。e，f）在660或785 nm光照0.5 W cm^minus;2下，二聚体BDP 纳米颗粒（e）和三聚体BDP 纳米颗粒（f）的温度升高5 min。

表 1. 单BDP 纳米颗粒、二聚体BDP 纳米颗粒和三聚体BDP 纳米颗粒的光转换参数（Phi;_∆：单线态氧量子产率；eta;T：光热转换效率；Phi;_F：荧光量子产率；n.d.，未检测到）。