第一作者：夏祥博士

通讯作者：樊江莉教授、孙文教授

通讯单位：大连理工大学宁波研究院、大连理工大学精细化工国家重点实验室

原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202507157

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近红外光敏染料在生物医学和材料科学领域发挥着重要作用。尽管已有诸多策略被报道用于提升光敏化效率，但仍面临诸多挑战。为此， 我们提出了一种光敏染料设计新策略-非共轭结构扭曲， 以促进光敏染料的三重态形成进而提升光敏化效率。基于这一策略，我们以吩噻嗪染料为平台，成功合成了两种新型光敏染料HNBS和HNBSe。通过在共轭骨架边缘引入环戊烷结构，我们成功制备了非平面光敏染料，从而大幅提高了三线态寿命和ISC效率。HNBS和HNBSe的三重态量子产率分别达到47.2%和87.7%，显著超越现有光敏染料的性能。此外，我们发现这类光敏染料在光动力治疗（PDT）中表现出卓越的效果。特别值得注意的是，HNBS在极低光剂量下（体外：0.45 J/cm²，体内：6 J/cm²）即可实现肿瘤抑制。更重要的是，HNBS在光照下诱导溶酶体损伤，触发caspase-1介导的经典细胞焦亡和细胞免疫原性死亡（ICD），从而在超低光剂量下实现肿瘤光免疫治疗。这一发现为近红外光敏染料在肿瘤治疗中的应用提供了新的可能性。

背景介绍

近红外光敏染料在光动力治疗（PDT）中扮演着重要角色。光敏染料吸收光子后，电子从基态跃迁至单重态激发态，随后通过ISC（intersystem crossing, ISC）到达三重态激发态。在此过程中，光敏染料可以通过电子转移或能量转移参与多种光化学反应。例如，在光动力治疗中，光敏染料吸收光子后与氧气或生物质作用，产生活性氧（ROS），从而杀伤肿瘤细胞。理想的光敏染料应具备以下特点：首先，具有近红外吸收能力，以提升组织穿透能力；其次，具有较高的三重态效率，以增强肿瘤治疗效果。此外，选择合适的光敏染料平台也至关重要。在光敏染料平台中，吩噻嗪（PTZ）类光敏染料，如硫代尼罗蓝（NBS）和亚甲基蓝（MB），因其良好的光敏化性能而被广泛应用于PDT。然而，这些染料的效率仍有提升空间。为了提高光敏染料的光敏化效率，研究人员提出了多种策略：1）利用重原子效应；2）通过轨道自选耦合促进ISC（SOCT-ISC）；3）利用自由基增强ISC；4）通过共轭结构扭曲促进ISC。尽管这些策略在一定程度上提高了光敏染料的光敏化效率，但仍存在一些问题。因此，优选染料平台并提出新的设计策略对于进一步提升PDT效果具有重要意义。

研究出发点

1）通过构效关系调控设计光敏染料，通过理论计算证明了环己烷的引入导致处于基态和激发态的分子构象处于扭曲状态。理论计算进一步证明该类光敏染料单重态第一激发态与三重态第三激发态无限接近进而实现高效ISC。

2）通过瞬态飞秒光谱证明，非共轭结构扭曲机制可以显著延长三重态激发态寿命，有利于延长光化学反应时间，提高ROS产率。

3）该类光敏染料继承了吩噻嗪类阳离子染料的溶酶体结构固有靶向能力。从而导致溶酶体损伤触发细胞焦亡和ICD，实现光免疫治疗。

图文解析

通过光谱测试我们发现引入环己烷后光敏染料HNBS/HNBSe吸收波长相比于MB类光敏染料（n-NBS）无明显变化，但荧光强度显著降低。同时,荧光寿命测定发现HNBS/HNBSe的荧光寿命显著降低，表明其辐射跃迁过程被抑制，可能促进ISC。

图1. 光敏染料光谱性能测试

以HNBS为例，通过高斯理论计算，我们发现HNBS和HNBSe分子共轭部分与环烷烃结构的二面角约16°左右，不管是在基态还是激发态，表明该策略可以引起结构扭曲同时扰动轨道自选耦合促进ISC。

图2 光敏染料分子构象与二面角(基态和激发态)

随后通过活性氧捕获试剂评估该类光敏染料的ROS产生能力，结果表明HNBS/HNBSe不管是总的ROS产生能力还是且一型和二型PDT机制均强于对照分子。

图3. 光敏染料ROS产生能力评估

细胞实验同样证明HNBS/HNBSe可以被肿瘤细胞快速摄取，且在极低光剂量（0.45 J/cm²）下高效抑制肿瘤细胞，同时由于结构固有靶向溶酶体光照下引起溶酶体损伤。

图4. 光敏染料细胞内ROS测及细胞毒性评估

通过凝胶电泳，酶联免疫、免疫荧光等方法证明HNBS在光照下引起溶酶体损伤，触发caspase-1介导的经典细胞焦亡通路和ICD。

图5 细胞焦亡通路及免疫原性死亡验证

活体抗肿瘤和流式分选树突细胞/T细胞实验结果表明，HNBS可以有效激活小鼠自身免疫抑制原位和远端肿瘤的增殖，实现光免疫治疗。

图6 体内抗肿瘤实验及流式免疫细胞分析

总结与展望

我们提出了一种利用非共轭结构扭曲来提高光敏染料三重态效率的新策略，是通过在PTZ染料骨架上引入环己烷实现的，通过构象扭曲促进自旋轨道耦合大大提高了ISC和延长了三态寿命。特别是，HNBS的三态量子产率为47.2%，比NBS增加了7.5倍。此外，其三态寿命为21.08 μs。值得注意的是，HNBS在低氧和常氧条件下使用0.45 J/cm²的超弱光剂量和6 J/cm²的超低光剂量有效的消除各种肿瘤细胞。此外，HNBS特异性靶向溶酶体。在光照下造成溶酶体损伤，引发细胞焦亡和ICD。这些过程促进了树突细胞的成熟和T细胞的分化，最终增强了免疫应答，实现光免疫治疗。

课题组介绍

樊江莉教授主页：https://faculty.dlut.edu.cn/2005011054/zh_CN/index.htm

孙文教授主页：https://faculty.dlut.edu.cn/2018011013/zh_CN/index.htm

原文信息

Xiang Xia, Ran Wang, Yingqi Hu, Saran Long, Wen Sun, Jiangli Fan, Xiaojun Peng, Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202507157.