【材料】Angew：一种基于环金属铱(Ⅲ)配合物和香豆素的新型光动力学疗法光敏剂

由于可以在光照下产生活性氧（Reactive oxygen species，ROS），环金属铱(Ⅲ)配合物已经成为了一种有潜力的光动力学疗法（photodynamic therapy，PDT）光敏剂（photosensitizers，PS）。但是，现有的铱(Ⅲ)配合物光敏剂吸收波长难于达到光疗窗口，导致组织穿透性较差且具有脱靶性毒副作用，这严重限制了其临床应用。为了解决这些问题，已经有研究人员将有机荧光分子和金属复合物结合起来开发新的PDT试剂，这种方法利用了有机荧光分子丰富的光物理特性和金属复合物已知的抗癌活性。西班牙巴塞罗那大学Vicente Marchán课题组在前期合成了一类发射远红外/近红外光的荧光分子（COUPYs）。这类荧光分子基于香豆素，其羰基被N烷基化的氰基(4-吡啶)亚甲基（Scheme 1 A）取代，从而增加了芳香体系的推拉特性，这类分子发光强、光稳定性好、斯托克斯位移大。基于此，该课题组与西班牙穆尔西亚大学José Ruiz课题组、捷克科学院Viktor Brabec课题组合作，将这种COUPY荧光分子和环金属化铱(Ⅲ)配合物结合在一起，开发了一种新型PDT光敏剂（Scheme 1 C，化合物6），这种PS能在水和细胞培养基中稳定存在，在可见光照射下能选择性地产生超氧阴离子自由基（superoxide anion radical，SAR），而其产生的细胞光毒性与SAR的生成具有很强的相关性。相关研究成果于近日发表在Angew. Chem. Int. Ed.上（DOI: 10.1002/anie.201901268），题为“Towards novel photodynamic anticancer agents generating superoxide anion radicals: A cyclometalated Ir(III) complex conjugated to a far-red emitting coumarin”。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

首先，作者检测了化合物6的光学性质和光稳定性（Figure 1）。结果显示，这种新型PS在660 nm处有最强的磷光，当铱(Ⅲ)配合物被激活时，香豆素也会发出荧光。这表明有能量从铱(Ⅲ)配合物转移给了香豆素。在氧气存在下，铱(Ⅲ)配合物在有机溶剂中均可以产生单线态氧，但是在PBS中却无法产生。在共轭物中，香豆素产生单线态氧的能力却增加了一个数量级。这种PS具有很好的光稳定性，其光稳定性略强于生物系统中常用的光敏剂玫瑰红。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

接下来，作者研究了Hela细胞摄取化合物6的情况。共聚焦实验结果显示，细胞可以有效摄取化合物6，它广泛分布在细胞质中，而香豆素2主要聚集在线粒体和细胞核中（Figure 2）。对铱的定量分析结果显示，细胞对化合物6的摄取强于化合物3，且细胞对化合物6的摄取与温度无关（Table 1）。这些结果表明，细胞通过不同方式摄取了化合物6和化合物3，这导致了二者在细胞内的分布不同。作者随后研究了化合物6杀伤癌细胞的效果（Table 2）。MTT实验结果显示，化合物6的细胞毒性低于两个母体分子，而蓝光会显著增强化合物6的抗癌效果。但由于化合物6在黑暗条件下的毒性较低，导致了其在绿光和蓝光下的光毒指数较高，分别为85和161。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

然后，作者研究了光照和黑暗条件下各化合物在细胞内产生ROS的情况（Figure 3）。黑暗条件下三种化合物产生ROS的水平相当，一旦经可见光照射，化合物6产生ROS的水平显著强于化合物2和化合物3。这表明化合物6的光细胞毒性和胞内生成的ROS有关。细胞毒性试验显示，化合物6在正常及乏氧状态下的细胞毒性相当，这表明化合物6也适用于治疗乏氧的肿瘤。随后，作者分析了导致细胞死亡的ROS的种类（Figure 4），通过使用具有选择性的ROS清除剂处理细胞，作者发现，只有能选择性清除SRA的试剂（tiron）才可以抑制化合物产生的ROS。在光照条件下，化合物6可以在细胞内产生SRA，而6经清除SRA过程后，其细胞毒性可完全消除，这表明化合物6在光照下通过产生SRA来诱导肿瘤细胞死亡。此外，化合物2和3都不能在光照下显著增强胞内ROS的产生。这些结果表明，将COUPY荧光分子与环金属化铱(Ⅲ)配合物键合在一起不仅增强了细胞对PS的摄取，还可以通过在光照下产生高毒性的SRA来增强PS的光细胞毒性。

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

（图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

总而言之，这项研究首次合成了一种基于COUPY荧光分子与环金属铱(Ⅲ)配合物的新型PS，且肿瘤细胞对这种化合物具有很强的摄取能力。无论是否乏氧，这种化合物都可以在光照下产生高细胞毒性的SRA，从而导致肿瘤细胞死亡。因此，这种新型的近红外荧光染料复合物可以克服PDT面临的组织穿透性差、高度依赖于局部氧浓度等问题，堪称可用于乏氧肿瘤诊断和PDT治疗的荧光PS的典范。