大家好，今天为大家分享的是一篇发表在Chem上的文章，通讯作者是彭孝军院士。彭孝军院士目前担任大连理工大学化工学院院长、精细化工国家重点实验室主任，同时也是国务院学位委员会第七届学科评议组（化学工程与技术组）成员，教育部高等学校化工类专业教学指导委员会副主任以及中国染料标准化技术委员会副主任。彭院士课题组的研究方向为：（1）生物医用染料及其应用：荧光探针，光动/光热/声动治疗光敏剂等；（2）数码打印用染料及信息记录材料；（3）半导体集成电路及显示用染料：光刻胶、光引发剂、柔性显示用偏光染料等。
在本文中，作者团队构建了一类光敏剂。它们能与RNA结合，将激发能直接传递给RNA，诱导RNA在光的照射下降解。在这个过程中不需要氧气。因此，无论在常氧还是缺氧条件下，光敏剂对肿瘤细胞都有显著的杀伤作用。在体内，它们可以自发地在肿瘤部位积累，并对不同类型的肿瘤表现出良好的杀伤性能。同时抑制肿瘤的转移。此外，此类光敏剂对肿瘤的免疫反应增强，对预防肿瘤的治疗和复发具有重要意义。
光动力疗法(photodynamictherapy,PDT)，一种非侵入性的治疗方式，已经在个性化医疗中获得了巨大的普及。与传统的化疗、放疗、手术相比，PDT具有微创、耐药可忽略、治疗区域选择可控等优点，被公认为癌症和其他疾病的最具代表性的治疗策略之一。通常，PDT涉及到光敏剂的使用，可见光照射激活，在氧气存在的情况下产生细胞毒性物质。I型和II型机制是已被发现的两种PDT机制（图1）。I型光敏剂利用主要来自激发态光敏剂(T1)的e-/H+转移产生氧自由基,例如超氧化物自由基(O2·-)或羟基自由基(OH·)。另一方面，II型光敏剂由激发态光敏剂(T1)与三重态氧(3O2)之间的电子自旋交换驱动，产生三重态-三重态湮没，最终产生单重态氧(1O2)和基态光敏剂(S0)。也就是说，I型和II型机制需要氧气来生成活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)作为中间体。虽然I型光敏剂可以通过部分氧循环来减轻其对氧的依赖，但其作用依旧需要氧的参与。然而，肿瘤实际上存在于低氧环境中，这极大地影响了光敏药物对肿瘤细胞的杀伤作用。因此，科研工作者们已经做了大量的工作来避免PDT光敏剂对氧的依赖。相反，ROS是非常活跃的，它们可以与细胞内的物质（甚至是介质）发生反应（寿命和扩散距离分别只有1ns和nm），往往在它们能够破坏细胞之前就失去活性，从而降低了PDT效率。
图1.PDT中三类光敏剂作用机制的示意图
Sibata等人预测，除了I型和II型机制外，可能还有第三种光敏机制(III型机制，图1)，其作用不依赖于ROS中间体。在这种III型机制中，光敏剂本身对细胞中的蛋白质、核酸和其他生物大分子具有特定的靶向性。与III型光敏剂直接结合后，光敏剂可以在其激发态直接有效地破坏生物靶标分子。这种机制很好地避免了PDT在氧浓度上的瓶颈，提高了治疗效果，彻底解决了深部肿瘤光疗和抑瘤效果差的问题。不幸的是，具有固有靶向性的光敏剂极其罕。因此，关于使用III型机制的光敏剂的报道很少，这仍然是一个难以实现的目标。
作为DNA和蛋白质之间的桥梁，RNA在基因的编码、调节和表达中起着积极的作用。基于门闩机制，作者设计并合成了一种荧光染料NBE(图2)，它可以特异性地识别RNA，并避免DNA干扰。因为癌细胞中RNA含量高，通过这种方法可以将癌细胞和正常细胞区分开来。
受到这些研究成果的启发，本研究将NBE中的氧原子替换为更高分子量的氧族元素，以增加激发态分子的系间窜越。我们预期,光敏剂NBEX(X=S,Se,Te)(图2)可以保留识别RNA的能力，转移其激发态能量或电子给RNA，在缺氧甚至无氧的情况下通过破坏RNA杀灭肿瘤细胞或诱导肿瘤细胞凋亡。
图2.NBEX的结构(X=S,Se,Te)
首先，作者进行了化合物性质和III型机制的体外验证。通过核磁共振波谱(1H和13C)和高分辨质谱(HRMS)对所有化合物进行了表征。三种光敏剂分子在不同溶剂中的吸收和发射峰均位于近红外区。从S原子到Te原子，红移随着取代原子序数的增加而增加。与可见区域的吸收和发射相比，它们能深入到组织内部，背景干扰较低。随着原子序数的增加，S、Se和Te的原子半径增大，电负性减小，随着原子序数的增加和三重态分子分布的增加，可以减小HOMO和LUMO之间的能差，增加ISC，导致荧光效率降低(5.1%)。
NBEX(X=S,Se,Te)的结构与NBE相似。因此，作者假设NBEX(X=S,Se,Te)也可能靶向RNA。在约40种常见生物分子中均未观察到明显的荧光变化，只有RNA(酵母RNA和转移RNA)的荧光强度增强，这表明NBEX(X=S,Se)与RNA具有特异性结合。
NBES、NBESe和NBETe的三重态寿命(μs)分别为35.41、18.82和1.89。更长的三重态寿命表明光敏剂分子和物体之间有足够的相互作用时间。电子顺磁共振(EPR)光谱显示，光照后NBES水溶液中存在超氧阴离子自由基，表明NBES在溶液中可能是基于I型机制的光敏剂，而NBESe和NBETe在溶液中显示为单线态氧。而在缺氧条件下，NBEX(X=S,Se,Te)溶液中几乎不能检测到ROS，这与常氧条件下RNA存在的结果一致。事实上，在RNA存在的情况下，NBESe的单线态氧产率从43%下降到8.6%(图3A、3B)。对于NBES和NBETe,ROS的产生也显著下降。这些结果表明，处于三重态激发态的分子主要将能量转移给RNA分子，而不是敏化氧。
为了验证RNA是否会被破坏，作者进行了一系列实验，结果如图1C-1J。结果表明，光下NBEX(X=Se,Te)与RNA之间存在能量转移过程，该过程可导致RNA降解。
图3.III型机制的体外验证
令人惊讶的是，NBEX(X=S,Se,Te)可以在水溶液中组装成纳米粒子。采用动态光散射(DLS,图4D-4F)、扫描电镜(SEM,图2G-2I)、透射电镜(TEM,图2J-2L)表征纳米粒子的尺寸，其直径随着氧族元素原子序数的增加而减小。其中，NBETe的粒径比其他两种化合物小得多。
图4.溶液中NBEX(X=S,Se,Te)的形态表征
与无机纳米颗粒相比，有机纳米颗粒具有亲脂性，并在疏水环境中转化为分子态。因此，NBEX(X=S,Se,Te)可以在两种状态，即疏水环境中的单个分子和亲水环境中的纳米颗粒之间快速切换。肿瘤血管的通透性远远大于正常组织。纳米颗粒具有增强的渗透性和长期滞留效应，在肿瘤环境中被动富集。接下来，由于脂质比的增加，纳米粒子可以迅速分解成单个分子进入细胞。
随后，作者在细胞水平上对化合物性质和III型机制进行了验证。由于NBES和NBETe的荧光强度很低，主要采用NBES进行细胞成像实验。为了确定NBES是否能与细胞DNA或RNA结合，用DNase或RNase处理固定的人乳腺癌(MCF-7)细胞。当用RNase处理细胞时，几乎没有观察到NBES的荧光信号。然而，用DNase处理过的细胞继续表现出荧光信号（图5）。对于人类宫颈癌（HeLa）细胞和肝细胞癌（HepG-2）细胞,观察得到相同的结果，表明这种光敏剂在细胞中靶向RNA。
图5.消化用NBES和Hoechst染色的核酸
在生物毒性的检测方面，对于NBETe，由于其在无光条件下具有明显的生物毒性，作者在进一步的研究中主要
转载请注明：http://www.0431gb208.com/sjszyzl/755.html
