第一作者：韩富平、郭梦亚、周霄

通讯作者：杜健军教授、樊江莉教授

通讯单位：大连理工大学精细化工全国重点实验室、大连理工大学宁波研究院

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202504227

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七甲川花菁（Cy7）染料具有优异的近红外荧光成像能力，但其光动力治疗（PDT）效应在缺氧实体瘤中常因竞争性抑制而受限。本研究首次通过构建一系列芳酮修饰的Cy7衍生物，将Cy7转化为同时具备抽氢反应能力和电子转移能力的I型光敏剂。在Cy7的C3位引入芳酮基团赋予了染料发生抽氢反应的能力，并显著提升了系间窜越效率；进一步增加芳酮基团的空间位阻可促进抽氢反应效率与电子转移过程的协同效应。优化后分子3ACy-3ipr不仅具有较强的荧光性质，还能在近红外光照射下生成羟基自由基和烷基自由基。这些自由基通过诱导线粒体自噬，最终导致缺氧肿瘤细胞发生坏死性凋亡和铁死亡。利用肿瘤靶向肽修饰的脂质体构建纳米载体，有效提高了3ACy-3ipr的生物相容性与肿瘤滞留性，使其在肿瘤部位实现荧光示踪，并可以通过光动力治疗作用显著抑制实体瘤生长。该研究为近红外诊疗一体化试剂的精准开发与临床应用提供了一种全新的策略和重要的分子工具。

背景介绍

光动力疗法（PDT）通过光敏剂产生活性氧（ROS）发挥细胞毒性作用，具有高效、无耐药性和微创等优势。然而，受限于光敏剂的激发波长、潜在毒性以及深部肿瘤的缺氧微环境，PDT目前仅用于皮肤疾病和浅表肿瘤的临床治疗。吲哚菁绿（ICG）作为典型的七甲川花菁（Cy7）染料，因其近红外（NIR）区优异的光学性能和良好生物相容性，已被FDA批准用于实体瘤临床成像，这表明基于Cy7平台开发光敏剂具有广阔前景。然而，传统Cy7染料存在系间窜越（ISC）效率低的问题，限制了ROS的生成。虽然引入重原子可提升Cy7的ISC效率，并通过II型PDT途径产生单线态氧（¹O₂）用于治疗，但重原子可能增加毒性，且肿瘤缺氧微环境会抑制¹O₂的产生。相比之下，I型光敏剂能产生毒性自由基且对氧气依赖性低，虽更具潜力，但需要显著的电子-空穴分离效率，这对传统Cy7染料而言仍是挑战。

研究出发点

1）利用精准分子工程，开发了一系列甲川链芳酮基团修饰的Cy7染料。通过对其光物理性质的表征，证明了取代基的修饰位点和空间位阻对染料光动力性能具有非常重要的影响：C3位取代的Cy7相较于C4位取代表现出更高的荧光量子产率（Φ_f，3.0% vs. 28.2%）和单线态氧产率（Φ_Δ，0.6% vs. 6.0%）。增加芳酮基团的空间体积会引起更显著的结构扭曲，从而进一步促进¹O₂、羟基自由基（^•OH）和碳自由基（^•CR₃）的生成。

2）通过对于分子激发态动力学模拟，证明了C3位修饰芳酮基团降低了染料T₂态的能级，促进S₁→T₂快速的系间窜越发生。而进一步增大取代基团的空间位阻，会导致染料甲川链双键的扭转角度增大，从而使染料在T₁态时的电荷分离程度加大，有效地促进染料与氧气的电子转移过程。

3）优化后的光敏剂分子3ACy-3ipr在近红外光激发下，通过抽氢反应与电子转移双途径产生活性自由基，诱导缺氧肿瘤细胞发生线粒体自噬-铁死亡-坏死性凋亡级联效应，有效地杀伤乏氧肿瘤细胞。结合iRGD靶向肽修饰的脂质体纳米载体，实现光敏剂的高效肿瘤靶向递送与滞留，同步完成近红外荧光成像引导与光动力治疗。

本研究将七甲川花菁转化为了一型光敏剂，可通过电子转移和抽氢反应产生活性自由基，在光照下诱导乏氧细胞死亡

图文解析

染料在的吸收和发射波长均位于近红外区，且具有较高的消光系数和量子产率。通过利用各种类型活性氧探针进行表征，证明了C3位置修饰芳酮基团可以有效提升染料的单线态氧产率。进一步增大取代基团的空间位阻，会使得染料¹O₂、^•OH和^•CR₃的产生能力同步增强。特别是3ACy-3ipr染料，与商业化染料ICG相比，其单线态氧量子产率提升14.4倍，^•OH和^•CR₃的产生能力分别提升62.1倍和41.8倍。通过测试不同条件下染料的荧光寿命和三重态寿命，证明了电子转移和抽氢过程均发生在三重态。

图1. 染料的基本光物理性质表征

利用ABTS激活实验和光漂白实验，证明了芳酮修饰后的染料可以在近红外光的照射下与多种细胞内源性物种（如胸腺嘧啶、丙酮酸、不饱和脂质以及谷胱甘肽等）发生抽氢反应。利用ESR捕获到了光照后生成的活泼烷基自由基。以3ACy-3ipr和胸腺嘧啶作为模型进行分子动力学模拟，证明了芳酮修饰后的染料与氢供体之间存在多种相互作用力，有利于抽氢反应的发生。

图2. 染料抽氢反应性质的研究

利用量子化学计算分析了ACy染料的电子结构和激发态特性，降低了染料T₂态的能级，促进S₁→T₂快速的系间窜越发生。而进一步增大取代基团的空间位阻，会导致染料甲川链双键的扭转角度增大，从而使染料在T₁态时的电荷分离程度加大，该过程可以认为会有效促进染料与氧气的电子转移过程。

图3. 染料电子结构和激发态模拟

通过细胞实验证明了优化后的光敏剂分子3ACy-3ipr的细胞摄取、亚细胞器定位、细胞内各类型自由基的产生情况以及细胞毒性。结果表明其可以被细胞快速摄取后富集于线粒体部位，即使在乏氧情况下经过光照仍可以产生大量的自由基物种。细胞活性实验证明其具有较小的暗毒性，同时具有较高的光毒性，可以对乏氧细胞有效杀伤。

图4. 细胞内成像实验

随后利用单光子共聚焦成像技术证明了3ACy-3ipr在光照下会导致细胞线粒体发生损伤，TEM图像显示光动力治疗后细胞内存在自噬小体且线粒体含量降低，通过凝胶电泳实验证明了线粒体自噬过程的发生。利用细胞死亡通路抑制剂验证了3ACy-3ipr介导的细胞死亡通路为铁死亡和坏死性凋亡过程，并进一步证明了线粒体自噬过程是促进这两种死亡通路发生的关键因素。

图5. 细胞损伤机制和死亡通路研究

利用肿瘤靶向肽修饰的脂质体纳米颗粒对3ACy-3ipr进行包载，制备了纳米制剂3ACy-3ipr NPs-iRGD，提高了其在小鼠肿瘤部位的富集能力，可以经尾静脉注射后在肿瘤部位发现明显的荧光信号，其荧光强度相较于游离的染料提升了2.9倍。3ACy-3ipr NPs-iRGD同样可以在光照下导致乏氧肿瘤细胞死亡。

图6. 纳米制剂的制备和活体成像研究

通过4T1小鼠皮下移植瘤模型的体内实验分析，3ACy-3ipr NPs-iRGD组在光动力治疗干预后展现出明显的肿瘤增殖抑制效果，实验过程中实验动物未出现显著体重减轻或其他毒副反应，充分验证了该纳米体系的治疗安全性和临床应用可行性。

图7. 活体光动力抗肿瘤研究

总结与展望

综上所述，本研究开发了一系列芳酮修饰的Cy7染料，用于缺氧肿瘤的近红外（NIR）成像与光动力治疗（PDT）。实验结果表明，C3位的芳酮修饰有效促进了抽氢反应，并显著提升了成像染料的系间窜越（ISC）效率；同时，芳酮基团空间位阻的增加进一步增强了氢提取与电子转移的协同效应。在近红外光激发下，3ACy-3ipr能够高效生成羟基自由基（^•OH）和碳自由基（^•CR₃），即使在缺氧条件下也可诱导肿瘤细胞发生坏死性凋亡和铁死亡。通过自组装构建的肿瘤靶向脂质体纳米颗粒3ACy-3ipr NPs-iRGD，能够在肿瘤部位发射近红外荧光信号，并在光照后显著抑制肿瘤生长。本研究成功通过精准分子工程策略将Cy7染料转化为兼具氢提取与电子转移能力的I型光敏剂，为近红外诊疗一体化试剂的开发与临床应用提供了理论框架和技术基础。

课题组介绍

彭孝军院士课题组主页

https://peng-group.dlut.edu.cn

樊江莉教授主页

https://faculty.dlut.edu.cn/2005011054/zh_CN/index.htm

杜健军教授主页

https://faculty.dlut.edu.cn/2013011028/zh_CN/index.htm

原文信息

F. Han, M. Guo, X. Zhou, Z. Zhang, H. Zhang, L. Cai, X. Li, T. Shi, S. Long, W. Sun, J. Du,* J. Fan,* X. Peng, Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202504227.