摘要：2-Independent Photocatalyst for Enhanced Tumor Immunotherapy”的研究论文，该论文将FDA批准的亚甲基蓝（MB）光敏剂进行微小结构改造，构建了一种性能优异的非氧依赖型生物光催化剂EBSe，团队对该化合物
导读
2-Independent Photocatalyst for Enhanced Tumor Immunotherapy”的研究论文，该论文将FDA批准的亚甲基蓝（MB）光敏剂进行微小结构改造，构建了一种性能优异的非氧依赖型生物光催化剂EBSe，团队对该化合物进行了深入的细胞作用机制验证和抗肿瘤免疫研究。正文
传统光动力治疗（PDT）受限于II型光敏剂的氧依赖性机制（需持续O₂供应生成单线态氧）、肿瘤细胞凋亡抵抗以及乏氧诱导的免疫抑制微环境，导致对缺氧实体瘤疗效显著降低。本研究通过硒掺杂-乙基修饰的分子工程策略，创新性地开发了一种近红外生物光催化剂EBSe，EBSe对4T1细胞具有显著的光毒性（>2500倍于亚甲蓝MB）和优异的光毒性指数（PI, >32000）。EBSe表现出自适应的光动力过程，即在常氧下产生增强的I型/II型ROS，在乏氧时产生活泼的碳自由基。更重要的是，EBSe显示出更高的细胞摄取，并经历光诱导从溶酶体向细胞核转移，以此激活铁死亡、细胞焦亡和胀亡，这三种非凋亡途径的协同作用增强了荷瘤小鼠的抗肿瘤免疫效应。这项工作为开发强大的光敏剂（PSs）提供了一种可靠的策略，以克服实体肿瘤由于缺氧导致的凋亡抵抗和免疫抑制微环境。
图1.（a) EBSe的设计策略及自适应光催化过程；(b) EBSe的作用机制及免疫激活过程
团队的设计思路是对亚甲蓝（MB）进行简单修饰，利用硒取代提高光敏剂的系间穿越速率增强三重态量子产率，同时将甲基换成乙基提高光敏剂亲脂性增强细胞摄取，希望通过两种修饰协同作用提高MB的光动力性能。作者设计了四种光敏剂（MB、EB、MBSe 和 EBSe）并对其光物理/光化学特性进行了测试和系统性的构效关系研究。在甲醇中，EBSe的吸收和发射光谱（λex = 662 nm，λem = 694 nm）相较于MB（λex = 652 nm，λem = 680 nm）略有红移。此外，EB与EBSe的摩尔消光系数明显高于MB和MBSe，且具有良好的化学稳定性。EB和EBSe的LogP值明显高于甲基取代衍生物MB和MBSe，这与EB和EBSe在PBS溶液中形成更多的H-二聚体的现象相一致。上述结果可能归因于二乙胺基相较于二甲胺基具有更强的给电子能力及更高的亲脂性。MBSe与EBSe的单线态氧量子产率分别达到85%和81%，远高于MB（52%）和EB（57%）。这些结果主要归因于重原子Se的引入提高了系间窜越（ISC）效率。此外，密度泛函理论（DFT）计算结果进一步显示EBSe相比MB具有明显更大的自旋轨道耦合（SOC）常数及更高的系间窜越速率。本研究还评估了四种光敏剂在PBS（pH = 7.4）溶液中的I型ROS生成能力，结果表明，EBSe在O2•- 和•OH的生成能力上均表现出最优异的性能。随后，采用电子自旋共振（EPR）测量了各化合物光诱导的ROS生成能力。相较于MB、EB和MBSe，EBSe显示出最高的活性氧EPR信号。同时，在常氧条件下，EBSe在PBS溶液中表现出最强的•OH信号，并伴随有明显的碳中心自由基信号，在缺氧条件下（氧浓度2•-和•OH。此外，在近红外（NIR）照射下，四种光敏剂均能够光氧化NADH和四氢蝶呤（BH4），其中EBSe表现出最高的氧化效率。基于以上研究，团队提出了EBSe（EBSe+）的光催化作用机制：在近红外光激发下，EBSe从基态跃迁至单重激发态（1EBSe+*），1EBSe+*通过系间窜越到三重激发态（3EBSe+*）。在常氧条件下，3EBSe+*可以将能量转移给周围的氧分子生成单线态氧（1O2）。与此同时，由于EBSe比MB具有更高的亲脂性并更易形成H-聚集体，使得3EBSe+*能够与基态分子EBSe+进行电子转移生成EBSe2+•和EBSe•，纳秒和飞秒级瞬态吸收泵浦探测光谱也验证了该类碳自由基的存在。在细胞环境中，3EBSe+*可以从NADH等还原性生物分子中获得电子，从而在无氧条件下产生EBSe•， EBSe•可进一步还原氧分子生成O2•-和•OH。循环伏安法显示EBSe+/EBSe•的还原电位（-0.72 V vs NHE）比O2/O2•-（-0.33 V vs NHE）和O2/•OH（0.31 V vs NHE，pH = 7.0）更负。这些结果表明EBSe具有自适应光催化特性，在常氧和缺氧条件下均能产生具有细胞杀伤作用的ROS和碳自由基。为了深入探讨EBSe显著提升PDT性能的机制，团队对4T1细胞中的光敏剂摄取情况以及其引起的细胞损伤进行了详细研究。因具有更高的LogP值，乙基取代的EB和EBSe的细胞摄取效率显著高于相应的甲基取代衍生物，且EBSe通过质子泵及胞吞作用进入细胞。通过共聚焦细胞实验可知，EBSe在光照条件下以非氧依赖方式高效杀伤4T1细胞，而MB在缺氧条件下的杀伤效果则明显降低。随后，通过激光共聚焦荧光成像进一步研究了EBSe的亚细胞定位。在未进行光照前，EBSe主要富集在溶酶体（PCC=0.85），在光照处理后，EBSe与LysoTracker染色图像的重叠度显著降低（PCC=0.20），同时与Hoechst 33342细胞核的染色（PCC=0.72）显著增加。这些结果表明，EBSe在光照下能够严重损伤溶酶体，并转移至细胞核，对核酸造成直接损伤。同样地，MBSe、MB和EB在10分钟光照处理后也出现了类似从溶酶体迁移至细胞核的现象。同时，EBSe在无氧条件下可直接有效地造成DNA损伤。综上所述，EBSe在NIR光照下可引起溶酶体及细胞核的级联损伤效应。
图4. (a) EBSe的PDT过程诱导多种细胞死亡途径示意图；(b-d) EBSe光诱导细胞发生铁死亡相关验证；(e-h) EBSe光诱导细胞发生焦亡相关验证；(i-o) EBSe光诱导细胞发生胀亡相关验证。
基于EBSe在体外PDT实验中优异的抗癌细胞性能，团队进一步在4T1荷瘤小鼠模型中评价了其体内抗肿瘤光疗和协同免疫治疗效果。首先，根据活体成像系统（IVIS）检测了瘤内注射MB和EBSe的荧光信号变化，以确定给药和光照时间。“EBSe+光照”组小鼠肿瘤体积明显小于其他组，肿瘤抑制率（TGI）达到72.4%，而“MB+光照”组的TGI仅为34.0%，证明EBSe介导的PDT对于缺氧肿瘤的生长抑制更为有效。随后，团队在双侧皮下种植4T1肿瘤的小鼠模型中评价了EBSe和MB的光诱导肿瘤免疫治疗效果。经过两周光照治疗后，EBSe组小鼠肿瘤体积显著减少，其中原发瘤和远端瘤的肿瘤抑制率分别达到68.2%和75.6%。相比之下，MB组对原发瘤和远端瘤的肿瘤抑制率分别仅为38.2%和25.5%。流式细胞术分析显示，EBSe处理组小鼠淋巴结中成熟树突状DCs细胞（CD11c/MHC II）比例达到40.19%，比MB组和PBS组分别提高了3.4倍和3.7倍；EBSe组中毒性T淋巴细胞（CD8+）细胞占比达10.44%，辅助性T细胞（CD4+）占比则从PBS组的7.89%提升至23.14%，MB组为13.17%。此外，小鼠血清炎症因子检测显示，EBSe组促炎因子（TNF-α、IFN-γ和IL-6）表达升高，而抑制性因子IL-10则明显下降。以上结果表明，EBSe可光消融缺氧肿瘤并激活系统免疫反应方面明显优于MB，为缺氧肿瘤的治疗提供了一种高效策略。图5.(a-b) 体内抗肿瘤PDT和免疫反应评估示意图；(c) 治疗和手术切除后原发性和远端肿瘤的照片；(d-e) PDT治疗期间和治疗后原发性和远端肿瘤的体积和重量；(f-g) PDT治疗后不同组小鼠肿瘤和淋巴结中免疫指标流式细胞术检测。
总结
总之，本研究构建了一种非氧依赖型的光敏剂EBSe，EBSe可通过近红外光照射诱导肿瘤细胞发生铁死亡、焦亡和胀亡，有效激活针对乏氧肿瘤细胞的免疫反应。对亚甲蓝（MB）进行简单的硒取代和乙基化修饰，使EBSe具备了更高的三重态量子产率和亲脂性，从而在缺氧条件下对4T1细胞表现出显著增强的光毒性（提高>2500倍）以及极高的光毒性指数（PI>32000）。EBSe具有自适应光催化能力，即在常氧条件下能高效地产生Ⅰ型/Ⅱ型ROS，而在缺氧条件下产生碳自由基。此外，EBSe主要富集于溶酶体，并在光照作用下引发溶酶体功能障碍与膜通透性增加，随后迁移至细胞核，造成DNA损伤。这些由PDT诱导的细胞器损伤激活了包括焦亡、铁死亡及胀亡在内的多种非凋亡细胞死亡通路，协同诱发了4T1荷瘤小鼠强烈的抗肿瘤免疫反应。本研究为开发高性能、临床转化潜力的缺氧肿瘤光催化剂提供了可靠的策略，同时也为其他光催化领域的应用提供了重要的参考价值。
南京大学化学化工学院博士后姚善昆与博士研究生徐风梧为论文共同第一作者，指导老师为陈韵聪教授、何卫江教授和郭子建教授。作者特别感谢南京林业大学的刘志鹏教授与湖州师范学院的尚积祯教授，以及参与该工作的同学所提供的帮助。
课题组介绍
郭子建，博士生导师，中国科学院院士，英国皇家化学会会士。现任南京大学化学和生物医药创新研究院院长，南京大学新生学院院长，南京大学学术委员会副主任，配位化学国家重点实验室（南京大学）学委会副主任，国务院学位委员会学科评议组（化学）成员，教育部科技委员会委员化学化工学部委员，中国化学会常务理事。Chemical & Biomedical Imaging期刊创刊主编，曾担任爱思唯尔Coord. Chem. Rev.副主编，中国化学会《无机化学学报》主编，以及Nat. Sci. Rev., Dalton Trans等国内外多家学术期刊编委或顾问编委等。曾主持多项国家自然科学基金重点项目，科技部973计划重大科学前沿领域项目（首席科学家），国家自然科学基金委创新群体（学术带头人），得到国家基金委化学生物学领域首个重大研究计划培育、集成及择优项目的连续资助以及多项国家自然科学基金重点项目。曾获教育部2015年度自然科学一等奖，意大利化学会2016年度Luigi Sacconi奖章，2020年度“亚洲生物无机化学学会杰出成就奖”等奖项。团队长期从事化学生物学交叉领域研究，在生物无机传感与成像示踪、金属抗肿瘤药物的分子作用机制与靶向输运及金属免疫学等方面取得了系列创新性研究成果，已发表SCI论文480余篇，被引用2.9万次，H指数84。
陈韵聪，教授，博士生导师。分别于2008年、2014年在南京大学化学化工学院获得学士和博士学位，导师郭子建教授。2014年8月至2018年7月，香港科技大学唐本忠教授课题组从事博士后研究。2018年9月至2022年12月任南京大学化学化工学院副教授，2023年1月任教授。迄今已在Chem. Soc. Rev.; Nat. Commun.; J. Am. Chem. Soc.; Angew. Chem. Int. Ed.等杂志上发表SCI文章120余篇。文章总引用7500余次，单篇最高引用750余次，H-index 43, 获授权发明专利6项。2021年获国家自然科学基金委优秀青年进项目资助，曾获得江苏省优秀博士学位论文等荣誉，目前任Frontiers in Chemistry, Frontiers in Chemical Biology期刊副主编，Wiley旗下Luminescence期刊副主编，Chemical & Biomedical Imaging等期刊青年编委。
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文献详情：
Photoinduced Synergism of Ferroptosis/Pyroptosis/Oncosis by an O2-Independent Photocatalyst for Enhanced Tumor Immunotherapy
Shankun Yao, Fengwu Xu, Ying Wang, Jizhen Shang, Shumeng Li, Xinyu Xu, Zhipeng Liu, Weijiang He, Zijian Guo* and Yuncong Chen*J. Am. Chem. Soc., 2025https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c17268
来源：化学加