一种双阳离子型I类AIE活性光敏剂，可通过自氧化介导的自由基放大效应增强肿瘤的光动力疗法效果

黄晓梅|张乐|王海兰|余月文|戴春辉|范丛斌|冯光学

江西科技师范大学化学与化学工程学院，南昌330013，中国

摘要

I型光敏剂（PSs）在光动力疗法（PDT）中对缺氧肿瘤具有优势，但其疗效仍受到肿瘤内部严重缺氧微环境的限制。因此，开发不依赖氧气的I型PSs已成为一个重要的研究焦点。本文报道了第一种能够自我供应氧气（O₂）的纯有机光敏剂TPPyI，该光敏剂具有双阳离子特性和聚集诱导发光（AIE）现象，能够高效地消除实体肿瘤。TPPyI具有狭窄的单重态-三重态能量间隙（ΔE_st = 0.27 eV），并具备有效的光诱导电子转移和电荷分离能力，从而增强I型活性氧（ROS）的生成。值得注意的是，TPPyI在光照下还能通过光催化水分解产生O₂，进而通过电子转移促进自由基风暴的形成。此外，TPPyI的阳离子性质使其能够特异性地靶向癌细胞线粒体。利用这些特性，TPPyI在常氧和缺氧条件下对MCF-7癌细胞的消融率分别达到了约92%和90.91%，证明了其作为缺氧肿瘤独立于氧气的PDT剂的有效性。进一步实验表明，TPPyI可以通过自我氧化介导的级联自由基放大效应显著增强其光动力抗肿瘤效果。这项工作为开发新型、高效、完全有机的独立于氧气的PSs提供了新的见解。

引言

作为一种有前景的癌症治疗方法，光动力疗法（PDT）因其低侵入性、较少的副作用以及相对于传统抗癌疗法更低的耐药性而受到广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]。这种优越的治疗方法需要特定波长的激发光来激活光敏剂（PSs），从而通过与内源性氧气（O₂）相互作用产生活性氧（ROS）[5]、[6]。根据不同的光学信号途径，这些ROS通常可以分为两类：I型ROS（通过电子/电荷转移）和II型ROS（通过能量转移）[3]、[7]、[8]、[9]。其中，I型ROS如超氧阴离子自由基（O₂^•−）和羟基自由基（•OH）对O₂的依赖性较低，但氧化能力更强[1]、[2]，这使得它们更能够杀死癌细胞[4]、[10]、[11]、[12]。除了通过多种细胞死亡机制（例如凋亡、焦亡和铜死亡等）直接攻击和杀死癌细胞外，这些ROS还会破坏肿瘤的血液供应，间接促进肿瘤的清除并刺激抗肿瘤免疫反应[13]、[14]、[15]、[16]。尽管已经报道了许多用于抗肿瘤应用的PSs，但许多PSs属于II型PSs，并且通常具有较大的刚性平面结构，这严重影响了它们在缺氧肿瘤微环境（TMEs）中的疗效，因为高浓度或聚集状态会显著抑制其光敏作用[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。相比之下，I型PSs对O₂的依赖性较低[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。因此，迫切需要开发更高效的I型PSs以提高缺氧肿瘤的PDT疗效。

聚集诱导发光（AIE）材料最早由Tang等人在2001年报道，是一类非常有吸引力的荧光团[28]。AIE荧光团（AIEgens）非常适合构建强固态荧光团，因为它们在分子状态下几乎不发光，但在聚集状态下会发出强烈的荧光，从而打破了传统荧光材料中π-π堆叠引起的荧光淬灭限制[29]、[30]。此外，相关研究进一步表明，通过加速聚集状态下的系间跃迁（ISC）速率，AIEgens可以有效地提高三重态激子产率，使其能够用于制造高效的光敏剂[31]。因此，已经报道了几种策略来开发高效的基于AIEgen的光敏剂。例如，Liu等人开发了一种供体（D）-受体（A）策略来制备高效的AIE活性PSs，因为D-A效应可以有效调节有机荧光团的电子带并形成长寿命的电荷分离状态[32]。Tang等人证明，具有A-D-A结构的PSs比具有D-A结构的PSs具有更强的ROS生成能力[33]。随后，Liu等人和Tang等人分别在2018年提出了聚合增强光敏化的概念[33]、[34]。此外，Feng等人开发了一种阳离子化策略来增强电子转移能力，以促进AIE活性PSs的I型ROS生成[35]。尽管这些策略对于开发低O₂依赖性的I型AIE PSs有效，但PDT过程本身会迅速消耗局部O₂，进一步加剧肿瘤缺氧，形成自我限制的恶性循环，最终限制了治疗效果[36]、[37]、[38]。

为了解决这一关键挑战，研究人员提出了多种策略，包括通过载体（如全氟碳）直接输送O₂，与血管扩张剂药物结合，或使用催化产氧材料（例如MnO₂）分解肿瘤过表达的过氧化氢以在原位生成氧气[39]、[40]、[41]、[42]。或者，将蓝细菌、叶绿体或光合细菌等生物单元与PSs结合，在光照下通过光合作用持续产生O₂，为PDT提供更持久的O₂供应[40]、[41]、[42]、[43]。尽管在缓解缺氧方面取得了一些成功，但这些方法在操作复杂性、疗效、生物安全性和适应TMEs方面往往存在局限性[39]。受到自然光合作用的启发，设计包含水氧化催化剂的系统代表了一种范式转变[43]、[44]。这种范式转变旨在在光照下直接分解TMEs中的丰富水分子，从而持续生成氧气，为解决PDT中依赖氧气的问题提供了潜在的解决方案。尽管在开发完全有机系统方面仍存在重大挑战，但这种方法对于根除缺氧肿瘤具有巨大潜力。

本文报道了一种方便的阳离子化策略，用于开发双阳离子AIE活性PSs，即TPPyI，该PSs具有自我供应O₂的能力，从而生成强烈的自由基风暴，实现高效的独立于氧气的光动力癌细胞消融（图1）。TPPyI利用三苯胺（TPA）部分作为电子供体（D）和吡啶inium阳离子部分作为电子受体（A）构建。TPPyI相对较小的单重态-三重态能量间隙（ΔE_st = 0.27 eV）促进了ISC过程，从而增强了ROS的生成。值得注意的是，TPPyI在光照下通过光催化电子转移和电荷分离作用促进水分解产生O₂，进而时空上促进了由O₂^•−和•OH组成的自由基风暴的同步形成。这一过程不依赖于环境中的氧气水平。此外，TPPyI在癌细胞中具有特定的线粒体靶向性，显著提高了PDT的抗癌效果，在常氧和缺氧环境（5% O₂）下的MCF-7癌细胞消融率分别高达约92%和约90.91%。进一步实验证实了TPPyI显著的光动力抗肿瘤活性，治疗后有效且显著地消除了肿瘤组织。这些特性使TPPyI成为一种适用于独立于氧气的PDT治疗肿瘤的有前景的I型PS。

章节片段

TPPyI的合成与表征

TPPyI是通过TPA（作为电子供体）和吡啶inium片段（作为电子受体）的对称共轭合理设计的，并通过图1 A所示的合成路线轻松合成。所有合成化合物的结构均已通过¹H NMR、¹³C NMR和高分辨率质谱HRMS（图S1-S5）进行了全面表征。随后，利用紫外-可见光谱和光致发光（PL）光谱来表征TPPyI的光学性质。

结论

总之，我们成功开发了一种名为TPPyI的纯有机PS，它结合了出色的AIE活性和自我供应氧气的能力，从而提高了独立于O₂的I型PDT疗效。TPPyI具有较小的单重态-三重态能量间隙，促进了ISC过程，有效的光诱导电子转移和电荷分离行为，这些因素协同作用增强了I型ROS的生成。值得注意的是，TPPyI的聚集体表现出类似半导体的特性

CRediT作者贡献声明

黄晓梅：撰写——原始草稿，研究，数据管理。张乐：研究，正式分析，数据管理。王海兰：研究，正式分析，数据管理。余月文：撰写——审稿与编辑，撰写——原始草稿，监督，资源管理，项目管理，资金获取，概念化。戴春辉：监督，数据管理。范丛斌：撰写——审稿与编辑，监督。冯光学：撰写——审稿与编辑，撰写——原始版本

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了广东省分子聚集体发光重点实验室开放基金（2023B1212060003）、江西省教育厅科研项目（GJJ2501208）、江西科技师范大学博士启动基金（2024BSQD71）、国家自然科学基金（52473300, 22205067）以及广东省基础与应用基础研究基金（2023B1515040003）的财政支持。

余月文于2024年在华南理工大学材料科学与工程学院获得博士学位，导师为冯光学教授。同年，他加入江西科技师范大学化学与化学工程学院范丛斌教授的研究小组担任讲师。他目前的研究主要集中在功能性有机光热诊疗剂的发展及其