光诊疗分子设计中的“金属调控”策略 |
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光诊疗分子设计中的“金属调控”策略
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光诊疗分子设计中的“金属调控”策略
注：文末有本文科研思路分析光诊疗学（Phototheranostics或Phototheragnostic）作为一种新兴的非侵入性诊疗模式，其基本思想是通过光激发整合协同诊断和治疗功能，也是现代精准医学的重要组成部分。通常，光敏剂具有治疗或诊断的单一功能，因此，构建多功能诊疗试剂需将不同功能的分子连接或者混合起来。这样的方式往往需要复杂的设计与合成，而且不同的组分也将带来不确定的药代动力学。显然，如果能在同一分子中以简单可控的方式实现多功能的集合、平衡，将极大简化分子光诊疗试剂的设计和制备，为光诊疗学的实用化奠定基础。其中，如何对激发态能量的耗散途径进行精细的调控是实现这一目标的关键。北京大学张俊龙课题组长期从事分子光诊疗试剂的研究，特别是在仿生光收集天线分子和模拟生物光敏/催化过程方面取得了重要进展。针对光诊疗试剂的设计，该课题组提出“金属调控”策略，即在光吸收配体固定的情况下，通过价态相同、尺寸相近、反应性相似的金属置换，调控金属与配体激发态能量的传递过程，实现整个分子激发态能量的耗散途径的平衡。这个方法突破了分子光敏剂（包括金属配合物）设计中基于有机骨架（organic frame）修饰的传统设计思路，突出了“金属维度”。稀土金属通常以三价阳离子的形式稳定存在，具有独特的4f内层电子构型和丰富的电子能级及相关光学、电学、磁学性质，与配体激发态能级混合，呈现“阶梯状”能级分布，是考察“金属调控”策略调控激发态能量耗散途径的理想金属。近期，他们与美国德州大学奥斯汀分校的Jonathan L. Sessler教授合作，巧妙通过稀土金属的置换，调控金属配合物的激发态能量耗散过程，进而实现汇集光治疗和诊断功能于同一分子的光敏剂（图1）。
图1. 稀土配合物中能量耗散途径示意图和光声成像引导的光热/光动力协同治疗 基于近红外吸收的咔唑卟啉配体，合成了一系列具有不同稀土金属中心（Ln = Gd，Yb，Er）的配合物。这些配合物在650-850 nm的光疗窗口有着较强的吸收；由于重原子效应，配合物的荧光显著猝灭；稀土配合物展现出了较高的光热转换效率以及与中心金属相关的单线态氧产生能力（图2）。
 Metal Modulation: An Easy-to-Implement Tactic for Tuning Lanthanide PhototheranosticsMengliang Zhu, Hang Zhang, Guangliu Ran, Daniel N. Mangel, Yuhang Yao, Ruijing Zhang, Jiao Tan, Wenkai Zhang, JianXin Song, Jonathan L. Sessler*, and Jun-Long Zhang*J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 7541–7552, DOI: 10.1021/jacs.1c03041科研思路分析Q：这项研究的目标是什么？A：癌症是严重威胁人类健康的疾病之一，其致死率极高，已成为危及人类生命安全的“头号杀手”。当前，对于癌症的主要治疗方法有手术切除、放射治疗以及化学治疗。相较于此类传统方法，光疗在治疗时间、疗效、抗耐药性以及毒副作用等方面都具有优势；此外，将光疗过程和医学诊断以“相辅相成”的方式合二为一，实现诊疗一体化，成为提高癌症治疗效果的重要手段。为了实现这一目标，如何简单、快捷的设计和制备光诊疗试剂的是关键。Q：研究过程中遇到哪些挑战？A：本项研究中最大的挑战是对光诊疗试剂激发态能量耗散途径进行精细调控，通过不同的稀土离子，对配体激发态到稀土的能量传递过程进行控制，实现光诊疗分子中不同功能的平衡。在研究过程中，我们团队在稀土敏化方面的经验积累起了至关重要的作用。此外，这项研究属于无机化学、生物化学、医学等多种学科的交叉领域，需要丰富的背景知识，团队从应用角度出发，在无机化学的基础上去揭开生命科学的奥秘。
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