具有增强光热转换特性的近红外吸收钌(II)配合物的合理设计,用于有效的癌症治疗

《Applied Materials Today》:Rational design of NIR-absorbing ruthenium(II) complexes with enhanced photothermal conversion for effective cancer therapy

【字体: 时间:2025年12月18日 来源:Applied Materials Today 6.9

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  光热疗法(PTT)中,设计高效近红外(NIR)光热转化剂是关键。本研究通过D-A-D配体工程策略,构建了Ru(II)复合物RuA和RuB。两者均展现出NIR吸收(>900 nm)和NIR-II发射特性,其中RuB因甲基取代诱导的分子内运动增强,光热转化效率(PCE)达45.9%,较RuA(38.4%)显著提升。体外实验显示RuB在808 nm激光辐照下使癌细胞存活率降至30%,体内实验证实其可有效消除肿瘤且无明显毒性。该工作为开发高效安全的近红外金属基光热治疗剂提供了新策略。

  
刘秋宇|李崇 lu|李美琴|李倩|王玉婷|梅龙灿|夏黎明|韩云峰|孙子言
华中科技大学同济医学院同济医院放射科,中国武汉430030

摘要

钌配合物作为一种有前景的光热剂已经崭露头角,但其应用受到较短吸收波长和较低光热转换效率的限制。本文通过供体-受体-供体(D-A-D)配体工程策略,合理设计了两种具有近红外(NIR)吸收和NIR-II发射特性的Ru(II)配合物(RuARuB)。得益于D-A-D荧光配体的显著分子内电荷转移(ICT)特性,这些钌配合物不仅表现出强的NIR吸收性能,还通过有效抑制辐射衰减和系间跃迁过程显著增强了系统的光热效应。值得注意的是,RuB的光热转换效率(PCE)达到了45.9%,超过了RuA的38.4%,这归因于甲基取代诱导的分子内运动增强。体外研究表明,RuB具有强大的光热细胞毒性,在808 nm激光照射下可将癌细胞存活率降低30%。体内实验表明,RuB在光热疗法(PTT)中能有效消融肿瘤,且没有明显的毒性副作用。本工作突显了钌配合物作为高效且生物相容性良好的光热剂的潜力,为癌症PTT提供了一种新的策略。

引言

光热疗法(PTT)作为一种有前景的癌症治疗策略,因其能够在外部激光照射下激活光热剂,迅速产生局部高温以有效抑制肿瘤细胞生长和转移而受到广泛关注[[1], [2], [3]]。传统的光热疗法材料主要包括金属纳米颗粒[4,5]、碳纳米管[6,7]和共轭聚合物[8,9]。然而,这些材料在生物相容性、光稳定性和光热转换效率(PCE)方面仍面临显著挑战[[10], [11], [12]]。相比之下,小分子光热剂因其可调结构、高重复性、优异的生物相容性和可降解性而成为研究热点[[13], [14], [15], [16], [17], [18], [19]]。因此,开发具有高PCE、良好稳定性和优异生物相容性的小分子光热剂具有重要意义。
近年来,金属配合物由于其独特的电子结构、稳定的化学性质和可调的配体修饰策略而受到越来越多的关注[[20], [21], [22], [23]]。其中,钌(Ru)配合物由于其出色的抗肿瘤活性、抑制转移的能力和相对较低的系统性毒性而成为特别有前景的光热剂[[24], [25], [26], [27]]。然而,大多数报道的钌配合物仍然存在激发波长较短(<700 nm)的问题,并且主要作为依赖氧气的光敏剂产生活性氧(ROS)[28,29]。基于Ru(II)的高效光热剂的数量仍然非常有限[[30], [31]]。由于肿瘤组织通常处于缺氧环境,传统的光动力疗法(PDT)在这种条件下受到限制[32,33]。相比之下,PTT可以通过光热转换直接产生热量杀死细胞,无需氧气,这使得它在治疗缺氧肿瘤时具有独特优势[34]。因此,构建能够在近红外(NIR)区域激活的基于钌的光热剂将有助于实现更安全、更有效的癌症治疗。
本文提出了一种创新的供体-受体-供体(D-A-D)配体工程策略,通过将D-A-D荧光团与Ru(II)芳烃单元结合,成功设计和合成了两种具有近红外(NIR)吸收特性的Ru(II)配合物(RuARuB,用于高效PTT(图1)。得益于D-A-D荧光配体的显著分子内电荷转移(ICT)特性,RuARuB表现出NIR吸收和NIR-II发射特性。这两种Ru(II)配合物均表现出优异的PCE,这可能归因于引入的三苯胺供体增强了分子内运动和电荷转移效应。这有效抑制了辐射衰减和系间跃迁(ISC),显著提升了非辐射衰减过程,从而增强了光热性能。相比之下,RuB的PCE(45.9%)高于RuA(38.4%),这可能是由于RuB中的甲基取代引起的空间阻碍效应,进一步增加了分子内运动的自由度。体外实验表明,RuB在激光照射下可将癌细胞存活率显著降低至30%,显示出强大的光热细胞毒性。此外,体内研究证实RuB在808 nm激光照射下能够完全消融肿瘤,且没有明显的毒性副作用。本研究为开发高效且安全的NIR金属基光热剂提供了新的见解。

材料

所有溶剂和化学品均为市售产品,按原样使用无需进一步纯化。RPMI-1640、青霉素/链霉素和胎牛血清(FBS)购自Gibco(澳大利亚)。3-(4, 5-二甲基噻唑-2-基)-2, 5-二苯基四唑溴化物(MTT)和Annexin V-FITC凋亡检测试剂盒购自Sigma-Aldrich(英国普尔)。碘化丙啶(PI)和5,5′,6,6′-四氯-1,1′,3,3′-四乙基苯并咪唑基羰花青素碘化物(JC-1)购自...

分子设计与合成

RuARuB的分子结构如图1所示。选择三苯胺(TPA)作为D-A-D荧光团的供体,因为它有助于活性激发态下的分子内运动。受体是一种含有苯并噻唑的芳基Ru(II)配合物。当受体与TPA结合时,其大的π共轭结构和强的分子内电荷转移(ICT)效应使D-A-D荧光团能够表现出较长的吸收和发射波长[35,36]。其中RuB是...

结论

总结来说,我们提出了一种供体-受体-供体(D-A-D)配体工程策略,并通过将D-A-D荧光团与Ru(II)芳烃单元结合,开发出了两种具有近红外(NIR)吸收特性的Ru(II)配合物(RuARuB)。RuARuB在900 nm以上表现出NIR吸收,这归因于D-A-D荧光团的显著分子内电荷转移(ICT)特性。其中,RuB的PCE(45.9%)显著高于RuA(38.4%),这可能是由于...

CRediT作者贡献声明

刘秋宇:撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 初稿。李崇 lu:撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 初稿。李美琴:撰写 – 初稿,可视化。李倩:撰写 – 初稿,可视化。王玉婷:撰写 – 初稿,数据管理。梅龙灿:可视化,数据管理。夏黎明:撰写 – 初稿,可视化。韩云峰:撰写 – 审稿与编辑,资金获取。孙子言:撰写 – 审稿与编辑,撰写 –
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