光动力治疗（PDT）是一种极具前景的癌症治疗方式。它主要通过光敏剂药物在特定波长照射下敏化分子氧生成系列活性氧，诱导癌细胞凋零死亡。传统II型光敏剂通过三重态能量转移产生单线态氧¹O₂；但该类型光敏剂具有高度氧气依赖性，在肿瘤的乏氧微环境中会严重影响PDT的疗效，且在治疗过程中快速的氧气消耗会进一步恶化乏氧情况。与此不同，I型光敏剂则可以在严重乏氧情况下通过电子转移或质子转移高效地产生超氧阴离子自由基（O₂^−•）、羟基自由基（•OH）等活性氧物种，有效杀灭癌细胞。但是，目前报道的I型光敏剂屈指可数，有机、无重原子的纯I型光敏剂尤为少见。

设计高效的I型光敏剂除了要求光敏剂具有高效的系间窜跃和长的三重态寿命，还要具有合适的氧化还原电位使得电子转移反应有效发生，并且要抑制与分子氧之间的能量传递，避免与电子转移过程竞争。因此，设计开发I型光敏剂对实验和理论都仍然是一个极具挑战的课题。

近日，北京师范大学的杨清正教授、崔刚龙教授和方维海院士课题组合作，报道了一类可专一产生超氧阴离子自由基的I型BODIPY光敏剂。通过巧妙设计，作者合成了α,β位连接的BODIPY二聚体和三聚体，在光照下能够通过I型光敏机制专一地生成超氧阴离子自由基而不产生单线态氧。为了理解产生超氧阴离子自由基的专一性机制，作者进行了高精度的理论计算模拟及系统的光物理和电化学性能研究。

结果表明该类光敏剂S₁和T₂间的能极差较小，有利于系间窜跃到达T₂激发态，随后通过快速的非绝热过程弛豫到T₁激发态；其次，由于敏化剂的T₁-S₀能级差小于分子氧生成¹O₂所需能量，从而抑制了II型光敏化过程的发生。通过激光闪光光解实验测得光敏剂激发三线态寿命可达微秒级，并且电化学分析表明该类分子具有较低的还原电位。上述特性使得该类光敏剂在光照条件下只能敏化氧气生成超氧阴离子自由基，而不生成单线态氧。

作者以吸收波长较长的化合物2为例，通过细胞和活体实验系统研究了其光动力治疗效果，细胞实验表明，在常氧（21% O₂）和乏氧（2% O₂）条件下，化合物2都可以有效生成超氧阴离子自由基，杀死肿瘤细胞，并进一步通过活体实验证实了其具有优异的抑瘤效果。

该研究工作首次报道了一类可专一产生超氧阴离子自由基、无重原子的I型BODIPY光敏剂，实现了在乏氧条件下对癌细胞的有效杀灭，并在活体小鼠中展现出了优异的抑瘤效果。文章中提出的专一I型光敏剂分子的设计策略，为发展I型光敏剂分子提供了新思路。

论文信息：

BODIPY-based Photodynamic Agents for Exclusively Generating Superoxide Radical over Singlet Oxygen

Kun-Xu Teng, Wen-Kai Chen, Li-Ya Niu, Wei-Hai Fang, Ganglong Cui, Qing-Zheng Yang

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202106748

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