光激活二氢生物碱用于癌细胞的高时空分辨成像及精准化疗

传统的化学疗法在杀死癌细胞的同时,亦对正常细胞具有较大毒性,通常面临着癌细胞靶向性差、治疗效率低及毒副作用强等缺陷。与传统化疗药物不同,光激活化疗具有高时空分辨率的优势,可通过光照控制,选择性杀死癌细胞。然而,传统的光激活化疗通常需要在化疗药物上修饰光剪切基团,不仅合成步骤繁琐,而且容易生成毒副产物,严重限制了其应用。因此,亟需发展高效且无毒副产物生成的光激活化疗策略。

唐本忠院士、高蒙副研究员《Mater.Horiz.》:光激活二氢生物碱用于癌细胞的高时空分辨成像及精准化疗

近日,华南理工大学唐本忠院士团队高蒙副研究员提出了基于光氧化脱氢反应的光激活策略,以生物相容性好且天然存在的二氢苯并[c]啡啶类生物碱为化疗药物前体,在光照下原位生成具有高效杀灭癌细胞能力的苯并[c]啡啶类生物碱(白屈菜红碱和血根碱),同时可通过细胞核靶向的荧光点亮成像实时监测这一转变过程。在癌细胞和正常细胞共存的条件下,可通过光照控制,实现癌细胞的选择性成像及杀灭,具有高时空分辨、无毒副产物等优势。

唐本忠院士、高蒙副研究员《Mater.Horiz.》:光激活二氢生物碱用于癌细胞的高时空分辨成像及精准化疗
图1 基于二氢生物碱的光氧化脱氢反应实现癌细胞的细胞核点亮成像及选择性杀灭

 

作者首先研究了白屈菜红碱和血根碱的光物理性质。相较于水溶液中,白屈菜红碱在薄膜态的荧光量子产率(FF)从1.1%增加至18.2%,升高了16.5倍,表现出典型的聚集诱导发光(AIE)行为(图2)。作者进一步考察了白屈菜红碱在葫芦[7]脲存在时及水/甘油溶液体系中的发光行为,验证了其AIE性质主要归因于分子内电荷转移(ICT)过程受到抑制及分子内振动受限(RIV)。不同与白屈菜红碱,血根碱在溶液中和固态下具有相近的发光效率(FF ~5.0%)。

唐本忠院士、高蒙副研究员《Mater.Horiz.》:光激活二氢生物碱用于癌细胞的高时空分辨成像及精准化疗
图2 白屈菜红碱的聚集诱导发光行为及晶体堆积方式

 

作者进一步发现,在手提UV灯照射下,二氢白屈菜红碱和二氢血根碱的水溶液在584 nm和602 nm处的荧光发射强度逐渐增加,这是由于发生了光氧化脱氢反应,分别转变为了白屈菜红碱和血根碱(图3A-B)。通过细胞成像实验发现,二氢白屈菜红碱和二氢血根碱可快速进入HeLa细胞中,在405 nm激光照射下,可原位高效转变为白屈菜红碱和血根碱,实现细胞核的红色荧光“点亮”成像(图3C-D)。

唐本忠院士、高蒙副研究员《Mater.Horiz.》:光激活二氢生物碱用于癌细胞的高时空分辨成像及精准化疗
图3 基于(A, C)二氢白屈菜红碱和(B, D)二氢血根碱光激活荧光过程监测及细胞核靶向光激活成像

 

作者进一步通过细胞毒性实验发现二氢白屈菜红碱及二氢血根碱的细胞毒性很小,而光激活转变为白屈菜红碱及血根碱后,细胞毒性明显增加(图4A-B),这是由于原位生成的白屈菜红碱及血根碱可有效诱导癌细胞胀亡。作者进一步验证了在HeLa癌细胞和NIH-3T3正常细胞共孵育的环境下,通过光照控制选择性杀死HeLa癌细胞(图4C-D)。

唐本忠院士、高蒙副研究员《Mater.Horiz.》:光激活二氢生物碱用于癌细胞的高时空分辨成像及精准化疗
图4 光激活前后细胞毒性变化及高时空分辨诊疗

 

本文提出了基于光氧化脱氢反应的“绿色”光激活策略,以二氢生物碱为例(二氢白屈菜红碱和二氢血根碱),实现了癌细胞的高时空分辨成像及精准杀灭。由于不需要额外修饰光响应基团,该类基于天然二氢生物碱的光激活策略在癌症诊疗方面具有重要的应用价值。此外,白屈菜红碱具有AIE性质,适合于局部高浓度富集的自我监测,有利于荧光成像介导下的精准治疗。这一成果发表在《Materials Horizons》上,文章的共同第一作者为华南理工大学硕士研究生凌霞和黄乐滔,文章的通讯作者为高蒙副研究员和唐本忠院士。

 

该论文作者为:

Xia Ling,‡Letao Huang,‡ Youzhen Li, Qing Wan, Zhiming Wang, Anjun Qin, MengGao,* and Ben Zhong Tang*

原文链接:

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/mh/d0mh00931h#!divAbstract

Photoactivatabledihydroalkaloids for cancer cell imaging and chemotherapy with highspatiotemporal resolutionMater. Horiz.,2020, DOI: 10.1039/D0MH00931H

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