Nature Chemistry | 黄怀义等开发新型光催化铱配合物杀伤肿瘤细胞

乏氧肿瘤（Hypoxic tumour）是肿瘤细胞形成耐药性、易复发、易转移的重要原因。肿瘤细胞由于生长迅速，血液供应不足导致肿瘤内部处于乏氧的微环境，引起肿瘤细胞适应性变化，促使缺氧诱导因子表达和耐药基因扩增，增加肿瘤侵袭转移机率，最终导致厌氧肿瘤细胞辐射抗拒及化疗耐受【1】。目前临床使用的抗肿瘤药物具有很强的毒副作用，因此科研人员对尽可能减少癌症治疗的副作用越来越感兴趣，任何可以有选择性的治疗目标都将有助于减少副作用。光动力治疗（photodynamic therapy）被认为是继肿瘤手术治疗、放疗、化疗和生物疗法之后的第5种癌症治疗方法，具有肿瘤选择性高、毒副作用小、创伤小等优点，是一种非侵入性的肿瘤靶向疗法【2】。光动力治疗利用特定波长的光激发聚集在肿瘤部位的光敏剂，通过光致电子转移催化反应产生氧自由基（I型）或者能量转移途径产生单线态氧（II型），造成细胞内重要生物分子氧化损伤，导致肿瘤细胞死亡。光动力治疗还能够诱导局部免疫反应，激活人体免疫功能，减少肿瘤复发【3】。但目前临床使用的光敏剂具有很强的氧气依赖性，对厌氧肿瘤细胞治疗效果不明显。研究表明，人体需要辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)通过线粒体电子传递链来产生能量。癌细胞对NADH有很高的需求，以满足快速分裂和增殖【4】。此外，NADH还和肿瘤乏氧因子（HIF）的表达息息相关【5】。如果能够选择性破坏肿瘤细胞中的这种辅酶，或将其转化为氧化形式，将能够有效地切断了肿瘤的能量来源，并杀死肿瘤细胞。2019年9月23日，中山大学巢晖教授团队联合英国华威大学Peter Sadler教授和法国PSL大学Gilles Gasser教授团队（第一作者为中山大学药学院·深圳黄怀义副教授和Samya Banerjee博士）在Nature Chemistry上在线发表题为Targeted photoredox catalysis in cancer cells的文章，报道了一种新型肿瘤技术，通过使用光激活的铱配合物对肿瘤细胞的NADH辅酶发动光催化攻击，破坏其线粒体能量传递链，在常氧和乏氧环境均表现出优异的抗肿瘤活性，甚至有可能在治疗的同时为患者接种预防未来癌症复发和转移的癌症疫苗，扩大了肿瘤光治疗的适用领域。为了获得对NADH具有良好催化活性的光敏剂，本文的研究人员首先选择了对肿瘤细胞线粒体具有较好靶向性的铱配合物作为开发对象，通过对不同类型的铱配合物进行构效分析，通过减少环金属化配体（C^N）的数目构建了新型铱配合物，能够显著提高铱配合物的激发态氧化还原电位，对光催化还原性的NADH具有显著意义，同时可避免传统I 型光敏剂对氧气的强依赖性。而文中的研究系统中，在常氧条件下，化合物1对NADH的光催化速率达到100.4 h-1，在乏氧条件下，利用NADH，对细胞色素c的催化效率也达到了16.7 h-1。通过电子顺磁共振，研究人员捕获了NADH光催化反应过程中的单电子自由基NAD，从而验证了光致单电子转移到催化反应过程。进一步的计算化学研究表明，激发态的化合物1通过配体与NADH形成了-堆积的夹心结构，促进了激发态单电子转移过程。基于上述实验结果，研究人员测试了化合物1对不同来源的肿瘤细胞株在常氧和乏氧环境下的光毒性，发现化合物1在常氧和乏氧环境下，均表现出良好的肿瘤光治疗活性，这也得益于磷光金属配合物在乏氧环境下具有磷光增强，激发态寿命显著延长的光学性质。细胞机理实验表明，该化合物能够靶向肿瘤细胞的线粒体，并在肿瘤细胞内部具有长的荧光寿命（~1000 ns）。经光激发后，能够显著降低配合物内部的NADH和ATP浓度，同时显著提高细胞内双氧水的浓度，导致肿瘤细胞发生凋亡和坏死。进一步的机制实验表明，光照能够诱导肿瘤细胞释放高迁移率组蛋白 (HMGB1)，还能引起内质网中的钙网蛋白（Calreticulin）快速外翻到细胞膜上，这种凋亡细胞在体内可被免疫细胞识别和吞噬，由此可能激发机体产生抗肿瘤的免疫效应【6】。综上所述，本文的研究结果首次研究了光致氧化还原催化剂在肿瘤光治疗领域的应用。从单电子转移机理出发，构建了对肿瘤细胞内重要辅酶NADH具有高效光催化作用的金属铱配合物，而NADH与肿瘤生长和适应厌氧环境密切相关。由此说明了金属配合物具有优于传统光敏剂的优异性质，为肿瘤的高效光治疗提供了新策略和新方向。原文链接：https://doi.org/10.1038/s41557-019-0328-4
（责任编辑：tqh）