溴原子在末端基团上的区域异构化作用可增强A?D?A光敏剂的光动力活性

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Regioisomerization of bromine atom on end group to enhance photodynamic activity of A?D?A photosensitizer

光动力疗法新型A?D?A型光敏剂通过溴取代位置异构化设计，合成F8CA-2Br-1和F8CA-2Br-2。研究显示两者单体态光物理特性相近，但聚集态下F8CA-2Br-2因溴取代位置不同导致分子堆积更松散，其活性氧物种（包括单线态氧、羟基自由基和过氧化氢根）生成效率比F8CA-2Br-1高近两倍。通过F127制备纳米颗粒后，F8CA-2Br-2 NPs在常氧和缺氧肿瘤微环境中均表现出高效光毒性。证实溴取代位置异构化是提升A?D?A型光敏剂性能的有效策略。

　　

谢少奇|刘梦琪|刘玉清|夏家琛|卢冰

南通大学化学与化学工程学院，中国江苏省南通市崇川区色园路9号，226019

摘要

随着时间的推移，光动力疗法（PDT）已成为一种非常有效的癌症治疗方法。在这方面，设计高效的光敏剂对于提高PDT的效果至关重要。本文中，我们使用两种区域异构溴化的末端基团（INCA-2Br-1和INCA-2Br-2）制备了两种A-D-A型光敏剂异构体（F8CA-2Br-1和F8CA-2Br-2）。它们的光物理特性受到溴原子取代位置这一唯一差异的显著影响。F8CA-2Br-1在凝聚状态下表现出轻微的红移吸收和宽的荧光发射范围。有趣的是，F8CA-2Br-1和F8CA-2Br-2在CHCl₃中的光动力活性没有显著差异，而F8CA-2Br-2在聚集状态下的光动力活性几乎是F8CA-2Br-1的两倍。研究结果表明，F8CA-2Br-2在聚集状态下产生的活性氧物种的效率比F8CA-2Br-1高出一倍多。最后，将F8CA-2Br-2封装到F127中，制备了F8CA-2Br-2纳米粒子（NPs），用于完成光动力治疗。由于F8CA-2Br-2具有I型和II型的双重光动力活性，这种高生物安全性的纳米粒子在常氧和低氧条件下都对肿瘤细胞表现出高光毒性。因此，我们的研究表明分子异构化是一种制备高效有机光敏剂的可行方法。

引言

癌症仍然是当今威胁人类生命的最致命疾病之一[[1], [2], [3]]。光动力疗法（PDT）因其透明性、低毒性和易用性而有望成为一种有前景的癌症治疗选择[[4], [5], [6], [7], [8]]。传统的PDT利用光敏剂和光源生成高活性氧物种（如单线态氧(¹O₂）、羟基自由基（·OH）和超氧阴离子自由基（O₂^•-），从而杀死肿瘤细胞[[9], [10], [11]]。然而，肿瘤细胞的低氧微环境通常会影响PDT的效果。因此，设计具有高光动力活性的光敏剂至关重要，尤其是I型光动力活性[[12], [13], [14], [15], [16], [17]]。与无机和聚合物光敏剂相比，有机小分子光敏剂具有优异的生物相容性和安全性、高度的结构设计灵活性以及高的治疗效果重复性[18,19]。因此，通过化学结构改变来增强有机小分子光敏剂的光动力活性一直是该领域的研究热点，也是提高肿瘤治疗效果的有效策略之一。

作为一类新兴的光敏剂，A-D-A型化合物表现出多种显著优势，包括高光稳定性、宽吸收光谱和易于结构修饰[[20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35]]。值得注意的是，某些报道的A-D-A型光敏剂具有I型和II型的双重光动力活性，即使在低氧条件下也能有效发挥作用。A-D-A型光敏剂的结构由一个中心电子供体单元和两端的电子吸引性末端基团组成。虽然中心单元提供了丰富的结构多样性，但对末端基团的修饰相对有限[36,37]。然而，末端基团的结构显著影响A-D-A型光敏剂的关键性质，如分子聚集、光吸收能力和能级对齐[27,29,30,[38], [39], [40], [41]]。这些参数对光敏剂的光疗效果有很大影响。例如，唐氏团队和田氏团队分别提出了通过卤素取代策略来提高A-D-A型光敏剂的光疗效果[30,38,40]。然而，目前的研究主要集中在卤素类型上，而对于末端基团卤素取代位置对A-D-A型光敏剂的影响仍缺乏研究。最近，我们团队提出了通过氰基醋酸酯修饰实现末端基团非平面化的设计概念。设计的INCA系列末端基团降低了分子的平面性，减轻了分子堆叠，显著提高了A-D-A型光敏剂的光动力活性[[42], [43], [44]]。基于这些研究结果，结合卤素取代区域异构化和氰基醋酸酯修饰来设计高性能的A-D-A型光敏剂是一个有前景的策略。

本文成功合成了两种区域异构单溴化的INCA系列末端基团，并用它们构建了两种A-D-A型光敏剂异构体（F8CA-2Br-1和F8CA-2）。F8CA-2Br-1和F8CA-2Br-2之间的唯一区别在于苯环上溴原子的位置（图1）。在单分散状态下，F8CA-2Br-1和F8CA-2Br-2具有相似的光学参数，包括吸收范围和荧光发射。然而后续研究发现，这一微小差异对光敏剂在聚集状态下的光物理性质产生了巨大影响。F8CA-2Br-1在聚集状态下表现出轻微的红移吸收和更窄的荧光谱，表明其聚集程度更紧密。光动力活性测试表明，两种光敏剂在单分散状态下的ROS生成效率几乎相同，但F8CA-2Br-2在聚集状态下的ROS生成效率几乎是F8CA-2Br-1的两倍。因此，将F8CA-2Br-2封装到F127两亲性聚合物中制备的F8CA-2Br-2纳米粒子被选为癌症治疗的PDT剂。F8CA-2Br-2纳米粒子具有I型和II型的双重光动力活性，能够生成¹O₂、·OH和O₂^•-。实验结果验证，这种高生物安全性的纳米粒子在常氧和低氧微环境中对肿瘤细胞具有很高的杀伤能力（图1）。因此，区域异构溴取代是一种开发高性能A-D-A型光敏剂的可行策略。

结果与讨论

通过5-溴-1H-茚-1,3(2H)-二酮与乙基氰基醋酸酯的反应，获得了两种末端基团（INCA-Br-1和INCA-Br-2）（图S1），并用它们合成了相应的光敏剂（图2A和S2）。它们的化学结构通过¹H/¹³C核磁共振（NMR）进行了表征（图S3~S6）。

然后测试了F8CA-2Br-1和F8CA-2Br-2的光学性质。从图2B和C可以看出，F8CA-2Br-1和F8CA-2Br-2在CHCl₃中的吸收范围相同

材料

除非另有说明，所有化学试剂和溶剂均从商业渠道购买，无需进一步纯化。3TT-CHO购自SunaTech Inc。单线态氧传感器绿色（SOSG）、氨基苯基荧光素（APF）和二氢乙锭（DHE）购自Beyotime生物技术有限公司。ROS-ID?缺氧/氧化应激检测试剂盒购自Enzo Life Sciences Inc。Dulbecco改良的Eagle培养基（DMEM）和胎牛血清（FBS）购自PAA

结论

简而言之，我们制备了两种A-D-A型光敏剂异构体，结果表明光敏剂的光动力活性受末端基团上溴原子位置的影响显著。具体来说，首先合成了两种新的区域异构溴化末端基团。基于这些末端基团，制备了相应的A-D-A型光敏剂F8CA-2Br-1和F8CA-2Br-2。在单分散状态下，它们的光物理性质相似

CRediT作者贡献声明

谢少奇：撰写初稿、正式分析、数据管理。刘梦琪：正式分析、数据管理。刘玉清：数据管理。夏家琛：数据管理。卢冰：撰写、审稿与编辑、资源准备、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号32301184）、江苏省自然科学基金（编号23KJB150027）、南通大学大型仪器开放基金（编号KFJN2448）以及本科生创新培训项目（编号S202510304130）的支持。