本研究成功开发了两种新型无重金属的近红外光敏剂BDP-Q1和BDP-Q2，它们利用供体激发的光诱导电子转移（d-PeT）驱动的自旋-轨道电荷转移间系交叉（SOCT-ISC）机制，在低极性环境中产生单线态氧，而在水性环境中形成纳米聚集体产生超氧阴离子和羟基自由基。这些光敏剂展现出高效的光细胞毒性，能够在亚微摩尔水平上抑制癌细胞增殖，且通过开发肿瘤靶向光敏剂Glu-BDP-Q2，实现了对癌细胞的特异性杀伤，减少了对正常组织的光损伤，为光动力疗法在缺氧肿瘤治疗中的应用提供了新策略。

文章摘要提到，自旋-轨道电荷转移间系交叉（SOCT-ISC）光物理过程在构建无重金属光敏剂（PSs）用于肿瘤光动力疗法（PDT）方面展现出巨大潜力。然而，迄今为止报道的几乎所有这类PSs的SOCT-ISC都是由受体激发的光诱导电子转移（a-PeT）驱动的。在这项工作中，作者首次利用供体激发的光诱导电子转移（d-PeT）驱动的SOCT-ISC机制来构建无重金属PSs，用于肿瘤的PDT。通过将电子不足的N-烷基喹啉鎓单元（作为电子受体）直接引入到近红外（NIR）二苯并吲哚（Bodipy）荧光团（作为电子给体）的meso位置来实现。

在低极性环境中，PSs以单体形式存在，并通过d-PeT驱动的SOCT-ISC的三重激发态的种群来促进单线态氧（1O2）的产生（II型机制），而在水性环境中，它们以纳米聚集体形式存在，并通过d-PeT驱动的分散电荷分离态的形成来诱导超氧阴离子（O2−•）和羟基自由基（HO•）的生成（I型机制）。这些PSs能够迅速被癌细胞内化，并在近红外光照射下同时诱导细胞内1O2、O2−•和HO•的产生，赋予PSs在正常氧合或缺氧条件下都具有卓越的光细胞毒性，IC50值达到亚微摩尔水平。

基于PSs平台，开发了一种肿瘤靶向PS，并在体外和体内验证了其在不损伤正常细胞/组织的情况下杀死癌细胞和消融肿瘤的能力。该研究通过引入d-PeT概念，扩展了PSs的设计范围，因此对于实现肿瘤PDT领域的新型PSs具有很高的价值。

1、研究背景

光动力疗法（PDT）是一种利用光敏剂（PS）、光和分子氧（O2）通过产生活性氧（ROS）来诱导光毒性的治疗方法，适用于多种疾病，特别是癌症。与传统的癌症治疗手段相比，PDT具有高时空精度、非侵入性、可重复治疗、低药物抗性和激活免疫系统等优点。光敏剂作为PDT的关键组成部分，在PDT过程中发挥中心作用。本文中，作者提出了一种新型的无重金属光敏剂，通过供体激发的光诱导电子转移（d-PeT）驱动自旋-轨道电荷转移间系交叉（SOCT-ISC）机制，用于肿瘤的PDT。

2、研究要点：

（1）无重金属光敏剂的开发：研究团队开发了两种新型无重金属的光敏剂（BDP-Q1和BDP-Q2），这些光敏剂基于供体激发的光诱导电子转移（d-PeT）驱动的自旋-轨道电荷转移间系交叉（SOCT-ISC）机制。

（2）双模式光疗机制：这些光敏剂能够在不同的环境条件下，通过I型和II型机制产生不同的活性氧（ROS）。在低极性环境中，它们以单体形式存在，通过d-PeT驱动的SOCT-ISC产生单线态氧（1O2）。在水性环境中，它们形成纳米聚集体，通过d-PeT驱动形成分散电荷分离态，从而产生超氧阴离子（O2−•）和羟基自由基（HO•）。

（3）光敏剂的快速细胞内化：BDP-Q1和BDP-Q2能够迅速被癌细胞内化，并在近红外光照射下诱导细胞内产生1O2、O2−•和HO•。

（4）卓越的光细胞毒性：这些光敏剂展现出卓越的光细胞毒性，具有亚微摩尔级别的IC50值，无论是在正常氧合还是缺氧条件下。

（5）肿瘤靶向光敏剂的开发：研究中还开发了一种肿瘤靶向光敏剂Glu-BDP-Q2，通过γ-谷氨酰转肽酶（GGT）催化释放活性光敏剂BDP-Q2，实现了对癌细胞的特异性杀伤。

（6）体外和体内研究的验证：通过体外实验和体内动物模型，验证了这些光敏剂在不损伤正常细胞或组织的情况下，杀死癌细胞和消融肿瘤的能力。

（7）光敏剂设计范围的扩展：这项研究通过引入d-PeT概念，扩展了光敏剂的设计范围，为实现肿瘤PDT领域的新型光敏剂提供了新的价值。

Scheme1：Schematic Representations of the Proposed Mechanisms

3、实验部分

本部分详细描述了实验所用的材料、仪器和方法。包括化合物的合成、光物理性质的测定、光热转换效率的计算、单线态氧和超氧阴离子自由基的检测等。此外，还进行了细胞培养和体外光毒性研究，以及在小鼠模型上的体内成像和光动力疗效评估。

相关研究图文：

图 1. (A 和 B) BDP-Q1/BDP-Q2（均为 1 μM）在甲苯、DMSO 和 PBS（10 mM，pH = 7.4）中的吸收光谱。(C 和 D) DLS 和 TEM（插图）表征水中的 BDP-Q1/BDP-Q2（均为 1 μM）纳米聚集体。(E 和 F) BDP-Q1/BDP-Q2（均为 1 μM）在甲苯、DMSO 和 PBS（10 mM，pH = 7.4）中的荧光光谱（λex = 640 nm）。

图 2. (A) 通过 DFT 计算的 BDP-Q1 前线分子轨道和 (B) 通过 TDDFT 计算的 BDP-Q1 的 S1、S2、T1 和 T2 态能级，两者均在 Gaussian 09 的 wb97xd/6-31g* 水平上，应用了甲苯的可极化连续模型溶剂化。f 值表示振荡器强度。没有考虑自旋轨道耦合效应；因此，T2 和 T1 的 f 值为零。(B) 中的蓝色和绿色表示空穴和电子分布。

图 3. (A和B) 在连续660纳米LED光（5毫瓦/平方厘米）照射下，BDP-Q1/DPBF和BDP-Q2/DPBF甲苯溶液的吸收光谱变化。光敏剂（PS）的浓度为3微摩尔。(C和D) 在连续660纳米LED光（5毫瓦/平方厘米）照射下，BDP-Q1/ABDA和BDP-Q2/ABDA水溶液的吸收光谱变化。光敏剂（PS）的浓度为3微摩尔。(E和F) 在连续660纳米LED光（5毫瓦/平方厘米）照射下，BDP-Q1/DHR123和BDP-Q2/DHR123水溶液的荧光光谱变化。DHR123和光敏剂（PS）的浓度分别为20和10微摩尔。(G和H) 在连续660纳米LED光（30毫瓦/平方厘米）照射下，BDP-Q1/HPF和BDP-Q2/HPF水溶液的荧光光谱变化。HPF和光敏剂（PS）的浓度分别为20和10微摩尔。对于DHR123，激发波长为495纳米；对于HPF，激发波长为485纳米。(I和J) 在去氧甲苯中（激发波长="""530纳米），BDP-Q1的纳秒瞬态吸收光谱及其在550纳米处的相应衰减动力学。(K和L)""" 在水中（激发波长="""600纳米），BDP-Q1的皮秒瞬态吸收光谱及其在660纳米处的相应衰减动力学。为了排除假阳性，还在无光敏剂（PS）的条件下，对上述活性氧（ROS）探针在660纳米LED光照射下的吸光度或荧光发射变化进行了检测（见图S10）。

图 4. (A) A549细胞与BDP-Q1 (1.0 μM)/SOSG (10.0 μM)或BDP-Q2 (1.0 μM)/SOSG (10.0 μM)共染的共聚焦荧光图像，在NaN3 (50 μM)存在和不存在的情况下，以及在连续660 nm LED光（20 mW/cm²，20分钟）照射和不照射条件下。(B) A549细胞与BDP-Q1 (1.0 μM)/DHE (10.0 μM)或BDP-Q2 (1.0 μM)/DHE (10.0 μM)共染的共聚焦荧光图像，在连续660 nm LED光（20 mW/cm²，20分钟）照射和不照射条件下。(C) A549细胞与BDP-Q1 (1.0 μM)/HPF (5.0 μM)或BDP-Q2 (1.0 μM)/HPF (5.0 μM)共染的共聚焦荧光图像，在连续660 nm LED光（20 mW/cm²，20分钟）照射和不照射条件下。(D) A549细胞与BDP-Q1 (1.0 μM)/JC-1 (10.0 μM)或BDP-Q2 (1.0 μM)/JC-1 (10.0 μM)共染的共聚焦荧光图像，在连续660 nm LED光（20 mW/cm²，20分钟）照射和不照射条件下。(E) A549细胞与BDP-Q1 (1.0 μM)（或BDP-Q2）、calcein AM (5.0 μM)或PI (1.0 μM)共染的共聚焦荧光图像，在连续660 nm LED光（20 mW/cm²，20分钟）照射和不照射条件下。(F和G) 分别在正常氧气条件（21% O2）和缺氧条件（2% O2）下，BDP-Q1负载的A549细胞在黑暗中和在660 nm LED光（20 mW/cm²，20分钟）照射下的剂量依赖性活性。同样条件下，BDP-Q2负载的A549细胞的剂量依赖性活性。MTT实验在24小时孵育后进行。对于SOSG，收集的发射波长范围为493至565纳米（激发波长λex = 488纳米）；对于DHE，收集的发射波长范围为570至620纳米（激发波长λex = 514纳米）；对于HPF，收集的发射波长范围为493至550纳米（激发波长λex = 488纳米）；对于JC-1，红色通道收集的发射波长范围为573至640纳米（激发波长λex = 561纳米），绿色通道收集的发射波长范围为493至550纳米（激发波长λex = 488纳米）；对于calcein AM，收集的发射波长范围为493至550纳米（激发波长λex = 488纳米）；对于PI，收集的发射波长范围为600至700纳米（激发波长λex = 561纳米）。比例尺：20微米。所有这些细胞实验都是在细胞培养基DMEM中进行的。

4、结果和讨论

作者首先合成了目标化合物，并通过各种光谱技术表征了它们的性质。在不同溶剂中，BDP-Q1和BDP-Q2展现出不同的光物理行为，包括吸收光谱、荧光光谱和光热转换效率的变化。在水性环境中，这些化合物形成纳米聚集体，通过d-PeT驱动的机制产生超氧阴离子和羟基自由基。体外实验表明，这些光敏剂在近红外光照射下对癌细胞具有显著的光细胞毒性。此外，还开发了一种肿瘤靶向光敏剂Glu-BDP-Q2，并在体外和体内验证了其光动力疗效。

5、结论

本研究成功构建了两种无重金属的近红外光敏剂BDP-Q1和BDP-Q2，它们通过d-PeT驱动的SOCT-ISC机制在低极性环境中产生单线态氧，在水性环境中形成纳米聚集体产生超氧阴离子和羟基自由基。这些光敏剂在体外和体内均显示出优异的光细胞毒性，且Glu-BDP-Q2作为一种肿瘤靶向光敏剂，能有效减少对正常组织的光损伤。这项工作不仅扩展了基于SOCT-ISC的光敏剂的设计范围，还为提高这类光敏剂在极性水中产生活性氧的能力提供了有效方法。