JACS | 广工张华堂&港城市孙红燕&高丽大学Jong Seung Kim：用于癌症治疗的RNA可激活近红外光敏剂

光动力疗法（PDT）是一种非常强大且有前途的癌症治疗方法，通过使用光敏剂在特定波长的光照射下产生细胞毒性反应，从而杀死癌细胞。为了进一步提升PDT的疗效与特异性，科研人员开始探索将光敏剂主要针对不同的生物分子（核酸、蛋白质等）进行工程改造，并且已证明可以大大提高PDT的疗效或特异性。然而，专门设计用于靶向RNA的光敏剂明显稀缺。基于此，广东工业大学张华堂、香港城市大学孙红燕以及韩国高丽大学Jong Seung Kim团队在J. Am. Chem. Soc.上发表了研究论文，报道了一种新型RNA激活的近红外光敏剂Se-718，用于提高癌症光动力疗法（PDT）的疗效和特异性，在癌症治疗领域为RNA靶向光敏剂的开发提供了一种创新和高效的选择。

图1. RNA 靶向 PSs （X = O、S、Se）的设计示意图和提出的高效光动力治疗机制

光物理特性研究：新型光敏剂Se-718的设计基于苯并[c][1,2,5]硒二唑衍生物，其在多种溶剂中表现出强烈的吸收，尤其是在二氯甲烷（DCM）中。它的最大吸收波长为718 nm，摩尔吸收系数非常高，表明其在组织穿透方面具有潜力。

图2. (A) O-698、S-696和Se-718在DMSO中的紫外-可见吸收和（B）荧光光谱。(C) O-698、S-696和Se-718在各种溶剂中的最大吸收/发射波长和相应的摩尔吸收系数（ε）

光动力反应机制：在功率密度为30mW/cm²的692nm LED光源下，荧光和EPR实验证明了Se-718能够通过Type I和Type II的光动力机制产生活性氧（ROS）。Type I型机制通过电子转移产生自由基和自由基阴离子，而Type II机制通过能量转移产生单线态氧。Se-718的这种Type I + Type II特性使其在不同的氧气条件下产生大量的ROS，有效杀死癌细胞。TD-DFT理论计算有力地验证了，Se原子的引入使得 ΔE_ST减小、自旋轨道耦合（SOC）值增大，因而大大增加了其系间窜越（ISC）速率，促进了光动力过程。

图3. ROS生成评估和理论计算。(A) 在692 nm LED光源下照射1分钟，5 μM Se-718与50 μM DPBF在二甲基亚砜中产生的总ROS。(B) Se-718 (5 μM) 通过DHR 123 (2.0 μM) 检测的O₂⁻生成，(C) HPF (5.0 μM) 检测的·OH生成，以及 (D) SOSG (1.0 μM) 检测的¹O₂生成。EPR光谱学用于在有无光照射的情况下，DMPO对·OH特征 (E) 和TEMP对¹O₂检测 (F) 的存在下Se-718 (50 μM) 的自由基和¹O₂的生成。(G) 从O-698, S-696和Se-718的前线分子轨道，能量间隙，以及从TD-DFT计算得出的三重态形成机制的示意图。

RNA靶向能力：Se-718显示出对RNA的高亲和力，其通过分子结构设计、吸收和荧光光谱特性、CD实验、分子对接模拟和细胞内定位等多方面实验，证明了其与RNA的结合能力。这种靶向能力使得Se-718能够在光动力治疗中更精确地作用于含有特定RNA的癌细胞，提高治疗效果并减少对正常细胞的损害。

图4. Se-718 的细胞内定位和 RNA 靶向能力研究。 (A) O-698、E36以及其他商业亚细胞器染色探针在 4T1 细胞中的共定位研究。(B) 用RNase或DNase处理的固定4T1细胞中Hoechst 33342和O-698的荧光图像。(C) 在经二乙基焦碳酸酯(DEPC)处理的超纯水中加入RNA或DNA前后Se-718的紫外-可见吸收光谱。插图：加入RNA或DNA前后Se-718溶液的图片。(D) Se-718与RNA (E) 或DNA (F) 的荧光发射光谱。(G) Se-718在加入RNA或DNA前后在745 nm处的荧光强度比。(H) 不同浓度Se-718存在下RNA (200 μg/mL, 86 μM) 的圆二色谱光谱。(I) Se-718与RNA (J) 和DNA (K) 的空间结合位点的分子对接研究。(L) Se-718与RNA和DNA的分子对接分析，显示氢键相互作用。

体外实验：Se-718在体外实验中显示出对多种癌细胞系（如4T1、MDA-MB-231、MCF-7、U87、B16F10和HeLa细胞）具有显著的光毒性。其光毒性指数（PI）高达215倍，表明在光照条件下具有优异的细胞杀伤效果，而在无光照条件下对细胞的毒性很低。 

图5. Se-718 在癌细胞中的光治疗作用的体外评估。(A) 用不同浓度的 O-698 （A）、S-696 （B） 和 Se-718 （C） 处理后 4T1 细胞后，有无光照射的细胞存活率。 (D) 图A至C中的IC50值。(E) MDA-MB-231 (E)、MCF-7 (F)、U87 (G) 和 B16F10 (H) 细胞经不同浓度Se-718处理后，有无光照射的细胞存活率。(I) 图E至H中IC50值的总结。经Se-718 (1 μM) 处理后，4T1细胞在常氧 (J) 和低氧 (K) 条件下的活/死细胞成像。(L) 经Se-718 (1 μM) 处理后，4T1细胞在常氧 (L) 和低氧 (M) 条件下的流式细胞术分析。(N) 图L和M中显示的细胞凋亡率。(O) 在低氧气条件下，经Se-718处理的4T1细胞 (O) 和HeLa细胞 (P) 的细胞存活率。

抗肿瘤机制：通过RNA测序分析，发现Se-718处理后的癌细胞在RNA相关通路（如RNA结合、RNA代谢和降解）中发生了显著的基因表达变化，这与其RNA靶向的光动力治疗设计相符合。

图6. 在有或没有光照射的情况下对 Se-718 处理的 4T1 细胞进行 RNA 测序和通路富集分析。 (A) 热图显示Se-718处理和Se-718加光照射样品中的差异表达基因（DEGs）。(B) Se-718加光照射处理细胞中识别出的富集基因的KEGG通路分析。(C) 根据特定生物学过程（BP）、细胞组分（CC）和分子功能（MF）对PDT处理后显著变化基因的GO富集分析。(D) 在Se-718加光照射处理细胞中显著富集通路的GSEA分析。

体内抗肿瘤效果：体内在4T1肿瘤小鼠模型中，Se-718通过直接肿瘤内注射的方式，结合近红外光照射，显著抑制了肿瘤生长，显示出了良好的抗肿瘤效果。实验组小鼠的肿瘤体积和重量明显小于对照组，且治疗过程中未观察到明显的体重下降或其他不良反应，表明Se-718具有良好的安全性和耐受性。

图7. 对携带4T1肿瘤的BALB/c小鼠进行体内肿瘤抑制评估。(A) 用Se-718直接肿瘤内注射处理的体内光疗的方案示意图。(B) 初始肿瘤体积为100 mm³的荷瘤小鼠随时间变化的肿瘤生长曲线，处理组包括PBS（对照）、PBS + 光、Se-718，和Se-718 + 光照（692 nm，50 mW/cm²，10分钟）。(C) 在不同处理后第14天收获的肿瘤重量和 (D) 肿瘤照片。(E) 上述四组小鼠在14天治疗期间的体重变化。(F) 上述四组小鼠分别在第0天、第7天和第14天拍摄的照片。(G) 在不同处理后第14天收获的肿瘤组织的H&E染色图像。(H) 初始肿瘤体积为200 mm³的荷瘤小鼠随时间变化的肿瘤生长曲线，处理组包括PBS（对照）、PBS + 光照、S-696和S-696 + 光照（692 nm，50 mW/cm²，10分钟）。(I) 在图6H中不同处理后第14天收获的肿瘤照片。(J) 初始肿瘤体积为400 mm³的荷瘤小鼠随时间变化的肿瘤生长曲线，处理组包括PBS（对照）、PBS + 光照、Se-718和Se-718 + 光照。

总结

作者成功地开发了一种创新的RNA靶向PSs，Se-718，专门设计用于癌症治疗的PDT。Se-718作为一种新型光敏剂，不仅展现了优异的近红外吸收特性、多种ROS生成能力、增强的ISC效率，还通过RNA介导的路径显著抑制肿瘤生长，为光动力治疗癌症开辟了新途径，展示了广阔的应用前景。

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RNA-Activatable Near-Infrared Photosensitizer for Cancer Therapy

Yin Jiang, Shumei Huang, Haiying Ma, Jintao Weng, Xiaomeng Du, Zhenxin Lin, Jaewon Kim, Wenhui You, Huatang Zhang*, Dongqing Wang, Jong Seung Kim*, Hongyan Sun*

J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 25270–25281, DOI: 10.1021/jacs.4c09470