内容摘要
我们从头设计了一种可激活的光敏剂诊疗平台（SHDI），将激发光扩展至近红外（NIR）区域，其中包含碘化硫杂半花青染料作为强光敏荧光团，以及羟基作为调节基团。虽然可激活光敏剂的荧光发射和单线态氧的生成被羟基保护的猝灭单元所抑制，但它们均可被与癌细胞相关的各种物质同时激活。这种可激活的近红外光敏剂诊疗平台在结肠癌的诊断和治疗方面具有广阔的应用前景。
近红外光敏剂的设计与合成
基于构建用于肿瘤检测和治疗的理想可激活近红外光敏剂的考虑，我们选择了化合物半花青作为光敏剂的主体，这是一种典型的近红外荧光半花青染料。第一步，在HD染料的结构框架上引入硫原子，命名为硫代半花青 SHD，以扩展其波长。在第二步中，我们进一步引入了重原子碘以提高其光敏性，从而得到了化合物 SHDI。经验证，引入碘原子确实可以使SHDI 的光敏性优于SHD。
光物理和光动力学性质
首先，在PBS缓冲溶液中分别对 SHDI- H2O2、SHDI-Cys 和 SHDI-hNQO1 对应于H2O2、Cys和hNQO1 的光谱响应进行了评估。
随着Cys和 hNQO1的加入，物质SHDI- H2O2、SHDI-Cys和SHDI-hNQO1的最大吸收波长从642 nm红移至730 nm，同时溶液颜色从蓝紫色转变为浅绿色。
此外，我们还测试了 SHDI-hNQO1 在存在双香豆素（DIC，一种 hNQO1 抑制剂）的情况下对 hNQO1 的特异性。该抑制剂显著降低了荧光强度。而且，这三种可激活的光敏剂对H2O2、Cys 和 hNQO1 均表现出良好的线性关系，检测阈值较低（分别为 0.27 μM、0.18 μM 和 0.97 ng/mL），表明这些试剂对分析物具有良好的识别灵敏度。与经典的近红外染料Mito-Tracker Deep Red相比，这些试剂表现出相对良好的光稳定性。
在光动力疗法（PDT）中，光敏剂在激光照射下产生活性氧（ROS）的能力是一个关键参数。首先，我们使用 1,3-二苯基异苯并呋喃（DPBF）对光敏剂的照射时间进行了初步测试，然后才进行光敏感性测试实验。如图 S15 所示，在 300 秒内，活性氧的生成主要来自激活产物 SHDI，而非被掩蔽的 SHDI- H2O2SHDI-Cys 和 SHDI-hNQO1。显然，激光照射60秒后，DPBF 的吸光度对于SHDI减少了75.5%，照射 120 秒后减少了90.7%，这表明 SHDI 具有潜在的光敏感性。在激光照射下，SHDI- H2O2、SHDI-Cys 和 SHDI-hNQO1 的吸收峰没有显著下降，表明它们具有良好的光稳定性。SHDI 在照射后 DHE 和 HPF 的荧光强度几乎没有显著增强，表明几乎不存-OH的生成，这表明 SHDI的I型光动力治疗潜力较差。因此，这些试剂可作为潜在的激活光动力治疗剂用于癌症检测和治疗。
活细胞中的荧光成像。基于上述结果，在活的 HCT-116 癌细胞中进行了荧光成像实验，实验结果表明这些试剂对癌细胞具有良好的光敏性。SHDI-hNQO1、SHDI-Cys和SHDI- H2O2 在活细胞中经激光照射后能有效生成活性氧。此外，照射后活的NCM460细胞中 SHDI-H2O2、SHDI-Cys 和 SHDI-hNQO1 没有明显的荧光信号增强。这表明 SHDI-hNQO1、SHDI-Cys 和 SHDI-hNQO1 在响应 hNQO1、Cys 后，能在肿瘤细胞中经照射触发并产生活性氧，这与体外实验结果一致。且这三种试剂均未表现出细胞毒性。
体内成像与光动力癌症治疗
鉴于这些试剂具有很强的消除肿瘤细胞的能力，随后利用肿瘤异种移植小鼠模型对光动力疗法（PDT）在体内的应用进行了探索。首先，进行体内荧光成像以确定 SHDI-hNQO1 进行激光照射的时间。如图所示，在肿瘤内注射 SHDI-hNQO1（500 μM，20 μL）10 分钟后，肿瘤部位出现了明显的荧光信号。随着孵育时间的延长，信号强度逐渐增强，在 2 小时达到峰值，发射强度显著提高。这种现象可能是由于肿瘤部位 hNQO1 过度表达所致。该部位激活了 SHDI-hNQO1 的荧光，表明 SHDI-hNQO1 在肿瘤组织中于 2 小时后能被有效触发。这也意味着激光治疗的最佳时间是2小时。
随后，对 SHDI-hNQO1 的治疗效果进行了评估。在第 14 天，同时接受 SHDI-hNQO1 和激光照射的小鼠肿瘤体积逐渐减少了 83.8%，肿瘤重量减少了 93.0%，这表明肿瘤生长几乎完全受到抑制。此外，在 14 天的治疗期结束后，切除心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏等重要器官进行组织学分析，结果显示主要器官组织未出现显著的形态学变化。综上所述，这些发现表明 SHDI-hNQO1 能有效抑制肿瘤生长，且对正常组织的毒性极小，显示出其在结肠癌治疗中的巨大潜力。
结论
我们报道了一种基于硫代半花青的碘化治疗诊断平台（SHDI），通过在化合物半花青的分子结构上引入碘取代基，结合硫取代和“重原子效应”，有效延长了其波长并增强了单线态氧的生成。基于这一优化平台，通过羟基的保护-去保护作用，智能设计并合成了三种近红外荧光激活型光敏剂：SHDI- H2O2 ，SHDI-Cys和 SHDI-hNQO1。它们能够在结直肠癌细胞的微环境中被选择性激活，从而恢复近红外发射并同时激活光动力治疗活性。这一恢复过程可通过荧光成像有效监测。此外，SHDI- H2O2 ，SHDI-Cys和SHDI-hNQO1 在 660 纳米红激光照射下表现出出色的活性氧生成能力，并对 HCT-116 细胞具有高效的光动力治疗效果。
参考文献
De Novo Design of Photosensitizers Activated by Tumor Microenvironments for NIR Imaging and Photodynamic Therapy of Tumor,Rongbin Zhong,Yan Hu,Jia Huang,Yuanyuan Wang, Jie Yuan, Tao Chen, Mei Yuan, Jia Zhou,*Xuefeng Yang, Longwei He,* and Dan Cheng*,Anal. Chem. 2025, 97, 18936−18945,https://doi.org/10.1021/acs.analchem.5c01048
