基于粘度響應的線粒體靶向銥（Ⅲ）配合物用于腫瘤的光動力治療

歐陽艾 羅雨珩 陸 農 胡仁濤 張平玉 張黔玲

(深圳大學化學與環境工程學院，深圳 518071)

0 引言

亞細胞器粘度是最重要的微環境參數之一，它通過影響活細胞內生物分子和化學信號的相互作用來促進生物學功能[1-4]。細胞的粘度與很多疾病息息相關，如動脈粥樣硬化[5]、糖尿病[6]、阿爾茲海默病[7]、惡性腫瘤等[8]。此外，一些影響細胞內粘度的藥物可以用來調節神經遞質受體的凈通量，從而降低神經活性，因此，細胞內粘度探針的研究和開發對于相關疾病的診斷具有重大意義。

線粒體是能量工廠，是傳導細胞凋亡信號的關鍵調節劑[9]。細胞內粘度影響著細胞膜中蛋白質之間的相互作用[10]，此外，線粒體基質中的粘度與線粒體網絡組織、線粒體呼吸、代謝和代謝物擴散密切相關[3,11]。近來，一些具有分子內旋轉動力學特性的熒光分子轉子已被設計用于檢測細胞內粘度。由于內部旋轉特性，它們通常具有較低的量子產率，而隨著粘度的增加旋轉會受到限制，熒光隨之增強[12]。粘度的定量測量可以使用具有粘度依賴性和非依賴性發光帶的比值粘度監測器來實現[13]。此外，還可以通過引入靶向基團開發以針對特定細胞器的粘度檢測的探針[2,14-16]。

近年來，光動力療法(PDT，photodynamic therapy)作為一種微創且高效的癌癥治療方法引起了越來越多的關注。PDT由于高選擇性、顯著的靶向治療效果以及較低的毒副作用，已成為化療的替代方法[17-18]。PDT通過使用光敏劑(photosensitizers，PSs)、光輻射和基態氧發揮作用，在適當波長的光照射下，PS可以與基態氧相互作用產生高細胞毒性的單線態氧(1O2)，從而導致癌細胞死亡[19]。與傳統癌癥治療手段相比，PDT能最大限度地降低對機體的器質性損傷，治療時間短，而且能夠深入病灶對腫瘤進行治療。

金屬配合物由于具有優異的光物理和化學特性，在發光探針和光動力治療中顯示出巨大的潛力[20]，例如作為氧氣、離子、靶向細胞器和生物分子的探針及光敏劑等[21-30]。金屬配合物的主要優點包括[31]：（?。┚哂懈叩墓夥€定性，可用于實時監測細胞內微環境的變化；（ⅱ）具有高的熒光量子產率、大斯托克斯位移和相對長的發光壽命而被廣泛應用于靶向細胞器成像；（ⅲ）具有豐富的電荷轉移激發態、結構可塑性等[32]，可作為光敏劑有效地殺死癌細胞[33]。鑒于此，我們設計了2個對粘度具有靈敏熒光響應的銥配合物，可對線粒體內的粘度進行熒光成像檢測，同時表現出高效光動力治療效果。如圖1所示，Ir1和Ir2在水溶液中可以自由旋轉，導致熒光猝滅，而在粘度環境下，旋轉受阻，從而熒光上升。粘度環境中的熒光配合物在光照的條件下，產生大量的單線態氧，可有效地用于腫瘤的光動力治療。

圖1 Ir1和Ir2的粘度響應機理與光動力效應示意圖Fig.1 Schematic diagram of viscosity response mechanism and photodynamic therapy of Ir1 and Ir2

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

所用儀器有：BrukerAV-500MHz核磁共振儀、CHN/O/S元素分析儀(CE440)、UV-2550紫外可見分光光度計、F-7000熒光光譜儀、Bruker電子順磁共振儀、Zeiss LSM880共聚焦掃描顯微鏡。

實驗中所用試劑均為分析純，反應中所有溶劑都按照溶劑手冊進行蒸餾除水。

1.2 合 成

銥配合物Ir1與Ir2的合成路線如圖2所示，主要有3步，先由三氯化銥水合物與二苯基喹啉配體合成銥配合物前體，再由前體和配體2-(4-(2-乙炔基)苯基)-1H-咪唑并[4，5-f][1，10]-菲咯啉(EPIP)合成Ir1，最后用單核銥配合物Ir1通過炔烴偶聯反應合成雙核銥配合物Ir2，其中配體EPIP根據文獻報道進行合成[34]。我們選擇EPIP配體的原因有2個，其一是EPIP配體具有可旋轉的單鍵但在粘度條件下旋轉受阻的特性，這是我們探索粘度探針的研究思路；其二是EPIP配體含有的炔基基團可以設計合成雙核銥化合物Ir2，從而對比Ir1和Ir2的性質區別?；衔颷Ir(2pq)2Cl2]的合成：稱取 IrCl3(1 mmol)和 2-苯基喹啉配體(2.15 mmol)，置于40 mL乙二醇乙醚和水(3∶1，V/V)的混合溶劑中，在氮氣保護下于加熱器中120℃回流24 h。冷卻至室溫后，減壓過濾收集固體，并用乙醚洗滌3次，干燥后獲得橙紅色粉末。

圖2 Ir1和Ir2的合成路線圖Fig.2 Synthetic routes of Ir1 and Ir2

化合物Ir1的合成：稱取[Ir(2pq)2Cl2](0.1 mmol)和配體EPIP(0.21 mmol)置于100 mL的圓底燒瓶中，加入30 mL二氯甲烷和甲醇(2∶1，V/V)的混合溶劑，在氮氣保護下于加熱器中65℃下回流8 h。冷卻至室溫后，減壓過濾收集固體，用水和乙醚洗滌3次并干燥后得到橘黃色粉末，即為Ir1，產率為88.5%。ESI-MS：m/z921.2[M-Cl]+。1H NMR(500 MHz，DMSO-d6)：δ9.12(s，2H)，8.62(d，J=8.9 Hz，2H)，8.51(d，J=8.9 Hz，2H)，8.34(dd，J=16.7，8.0 Hz，5H)，8.04(s，3H)，7.81(d，J=7.3 Hz，2H)，7.63(d，J=7.5 Hz，2H)，7.21(dt，J=15.9，8.1 Hz，6H)，6.96～6.71(m，4H)，6.52(d，J=7.3 Hz，2H)，4.38(s，1H)。 元 素 分 析 按C51H32ClIrN6計算值(%)：C 64.04，H 3.37，N 8.79；實驗值(%)：C 64.05，H 3.39，N 8.72。

化合物Ir2的合成[35]：將二氯甲烷(40 mL)、氯化亞銅粉末(110 mmol)和四甲基乙二胺(110 mmol)置于100 mL的圓底燒瓶中，向其鼓入純凈空氣。隨后稱取Ir1(22.0 mmol)溶解于15 mL的二氯甲烷中，用分液漏斗滴入到上述溶液中，混合過夜攪拌。用水洗滌分液，有機相二氯甲烷用硫酸鎂干燥后，旋蒸除去二氯甲烷得到粗品。最后通過柱色譜法提純，以水、乙腈和硝酸鉀混合溶液為流動相(10∶1∶0.1，V/V)進行洗脫純化，得到橙色粉末為產物Ir2，產率63%。ESI-MS：m/z919.2[M-2Cl]2+/2。1H NMR(500 MHz，DMSO-d6)：δ8.90(s，4H)，8.60(d，J=9.0 Hz，4H)，8.55～8.46(m，5H)，8.35(d，J=8.4 Hz，4H)，8.30(d，J=7.6 Hz，4H)，8.19(s，4H)，7.88(s，4H)，7.80(d，J=7.1 Hz，4H)，7.64(s，5H)，7.21(dd，J=19.4，11.1 Hz，10H)，6.94～6.77(m，8H)，6.57(s，1H)，6.52(d，J=7.4 Hz，3H)。元素分析按 C102H62Cl2Ir2N12計算值(%)：C 64.11，H 3.27，N 8.80；實驗值(%)：C 64.06，H 3.33，N 8.84。

1.3 不同粘度中熒光強度和熒光壽命的測試

利用甘油與純水來配制不同粘度的溶液體系，具體為用甘油與純水依次配制體積比為0%～99%的混合溶劑，加入配合物母液后配制成濃度為10 μmol·L-1的不同粘度的樣品溶液，依次測量配合物在不同粘度體系中的熒光發射光譜，同時在紫外線下拍攝其光學圖片。最后分別取配合物在555 nm(Ir1)和557 nm(Ir2)處的發射強度與對應的粘度數值進行對數函數擬合。

1.4 1O2量子產率測定

利用對亞硝基二甲基苯胺(RNO)檢測配合物產生的1O2量子產率，具體為：分別以甘油體積分數為0%和80%的甘油-純水混合溶劑配制濃度均為10 mmol·L-1的RNO溶液和組氨酸溶液，以3 mL組氨酸溶液作為溶劑(空白)，不斷滴加配合物母液，使配合物溶液在465 nm處的吸收強度為0.1，以此濃度的配合物溶液作為參比溶液，在另一份相同的溶液中加入6 μL的RNO溶液作為樣品溶液，測定其440 nm處的吸收強度為A0。隨后使用功率為10 mW·cm-2的465 nm光源持續照射樣品溶液5 min，測量其在440 nm處的吸收強度為A，記錄每次光照后的440 nm處的吸收值(總共光照時長為30 min)。最后以光照時間為橫軸，以A0-A為縱軸，擬合曲線，按照文獻中的方法[4]計算配合物1O2量子產率(Φ)，以光敏劑[Ru(bpy)3]2+作為對照(Φref,1O2=0.22)。

1.5 細胞培養

Hep-G2細胞(人肝癌細胞)、LO2細胞(人正常肝細胞)、A549細胞(人肺癌細胞)和MRC-5細胞(人正常肺細胞)購于ATCC細胞庫。以DMEM作為細胞培養基，在培養基中加入體積分數為10%的胎牛血清、1%的雙抗(青霉素和鏈霉素)，細胞置于體積分數5% CO2的37℃恒溫培養箱中培養。

1.6 細胞共聚焦熒光成像

取對數生長期的細胞，以每孔1×106個細胞接種于共聚焦培養皿中。細胞貼壁后，加入含有10 μmol·L-1的銥配合物的培養液，孵育1 h后吸去培養基，用PBS洗滌3次。用線粒體紅色染料MitoTrackers?Red或溶酶體紅色染料LysoTrackers?Red染色30 min，用PBS清洗3次后，置于激光共聚焦顯微鏡下進行拍照成像。

1.7 細胞光、暗毒性測試

2 結果與討論

2.1 光物理和化學性質

Ir1和Ir2在水溶液中(含0.2% DMSO)的紫外可見吸收光譜如圖3所示。Ir1和Ir2在近紫外280～400 nm處強吸收峰歸屬為配體內部的電荷轉移峰(ILCT)；在400 nm左右，2個配合物均具有一個較弱的吸收帶，這歸屬為配合物中金屬中心銥原子到配體間的MLCT電子躍遷峰。用405 nm波長激發，Ir1和Ir2在水溶液中的熒光發射光譜如圖3所示，Ir1在555 nm處有黃色的熒光發射，而Ir2在557 nm處幾乎沒有熒光發射，相比于單核銥配合物Ir1，雙核銥配合物Ir2熒光被猝滅。

圖3 Ir1和Ir2的紫外可見吸收光譜和熒光光譜圖Fig.3 UV-Vis absorption spectra and emission spectra of Ir1 and Ir2

2.2 對粘度的熒光強度響應

Ir1和Ir2在不同粘度的甘油-水體系中的熒光發射情況如圖4所示。在405 nm激發下，隨著甘油體積分數的增大，體系粘度增大，Ir1和Ir2相應的熒光強度顯著增強。將溶劑從純水變成體積分數99%的甘油體系時，Ir1探針的熒光強度增強約35.7倍，Ir2探針的熒光強度增強約1 311.6倍，因此，Ir2對粘度響應更加明顯和靈敏。Mao等報道了銥（Ⅲ）配合物粘度探針在高粘度環境下熒光增強了6.4倍[16]，與其相比，Ir1和Ir2均具有非常靈敏的粘度響應。隨后采用對數函數對探針的發射強度的對數值(lgI)和粘度的對數值(lgη)進行擬合，發現其相關系數都在0.99以上，表明Ir1和Ir2探針可對溶液體系的粘度進行定量測定。同時在紫外燈下可以明顯觀察到，隨著粘度的不斷增大，Ir1和Ir2的黃色熒光逐漸增強，即可通過肉眼觀察熒光強弱來判定溶液體系的粘度大小，可作為一種可視化的熒光探針。

圖4 Ir1和Ir2在不同粘度體系中的熒光圖片、熒光光譜圖以及熒光強度-粘度對數擬合曲線Fig.4 Optical images,emission spectra and fitting curves of logarithm of emission intensity-viscosity of Ir1 and Ir2 in the systems with different viscosities

2.3 對粘度的熒光壽命響應

Ir1和Ir2在不同甘油-水組分溶劑中的熒光壽命(τ)如圖5所示，隨著溶劑粘度的增加，探針的熒光壽命顯著延長，Ir1的熒光壽命從1.02 μs增大到3.19 μs，Ir2的熒光壽命從 0.27 μs增大到 4.47 μs，其變化幅度比文獻報道中的粘度探針更大[16]。

圖5 Ir1和Ir2在不同粘度體系中的熒光壽命圖譜以及壽命-粘度的對數擬合曲線Fig.5 Lifetime spectra and fitting curves of logarithm of lifetime-viscosity of Ir1 and Ir2 in the systems with different viscosities

2.4 不同條件的響應情況

使用465 nm的光源持續照射甘油體積分數為0%和80%的甘油-水體系的溶液30 min，結果如圖6a所示，可見熒光強度幾乎沒有變化，表明探針在體外溶液中的光穩定性良好。同時，在不同pH值、不同粘度體系中，探針的熒光強度也基本沒有變化，證明探針對粘度的檢測具有pH穩定性(圖6b)。但隨著溫度的增加(從20℃升高到45℃)，配合物在不同粘度環境中的熒光強度呈下降的趨勢(圖6c)，這是由于在高溫條件下，體系粘度降低導致熒光強度也隨溫度的升高而降低，該結果與文獻的報道相吻合[36]。

圖6 不同粘度體系中Ir1和Ir2的熒光強度隨光照時間、溫度和pH的變化Fig.6 Fluorescence intensity changes of Ir1 and Ir2 as function of irradiation time,temperature,pH in the systems with different viscosities

2.5 細胞共聚焦顯微成像

使用共聚焦激光掃描顯微鏡研究Ir1和Ir2在Hep-G2細胞中的定位情況。如圖7所示，共染實驗表明，配合物Ir1和Ir2能夠快速進入活的Hep-G2細胞中并能清晰地顯示出較強熒光，同時，Ir1和Ir2在Hep-G2細胞中都與線粒體染料MitoTrackers?Red表現出高度重疊，共染系數分別達到了87.5%與79.6%。然而，Ir1和Ir2與溶酶體染料LysoTrackers?Red僅有少量重疊，由此得出結論：Ir1和Ir2可以特異性地定位于Hep-G2細胞線粒體中。

圖7 Ir1或Ir2與細胞器染料(a)MitoTrackers? Red和(b)LysoTrackers? Red共孵育Hep-G2細胞的激光共聚焦圖像Fig.7 Cellular colocalization microscopy images of Hep-G2 cells incubated with Ir1 or Ir2 and(a)MitoTrackers? Red and(b)LysoTrackers? Red

2.6 細胞攝取

進一步采用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)定量研究Hep-G2細胞對Ir1和Ir2的攝取和配合物在細胞內的分布情況。分別用10 μmol·L-1的配合物Ir1和Ir2孵育細胞1 h后，從細胞中提取出線粒體，經ICP-MS測試，結果如圖8所示，Ir1和Ir2在線粒體中的相對含量均非常高，分別為71.4%和78.5%，表明大部分配合物主要聚集在線粒體中，這與上述細胞共定位實驗結果相符合。

圖8 ICP-MS定量測定的Ir1和Ir2在每個Hep-G2細胞中的含量Fig.8 ICP-MS quantitative determination of content of Ir1 and Ir2 in each Hep-G2 cell

2.7 對細胞的光、暗毒性測試

采用MTT法檢測Ir1和Ir2對各種細胞的光、暗毒性。如表1所示，在黑暗條件下，Ir1和Ir2孵育的Hep-G2細胞的 IC50均很高(IC50＞100 μmol·L-1)，這表明在黑暗條件下，探針Ir1和Ir2對于Hep-G2細胞的生物毒性很小，能夠用于活細胞的粘度進行成像。然而，在465 nm光源持續照射30 min后，Ir1和Ir2對Hep-G2細胞和A549細胞的IC50值分別達到0.75 和 1.24 μmol·L-1。我們采用光療指數 PI值(IC50,dark/IC50,light)來衡量藥物對細胞的光毒性，可以發現，Ir1對Hep-G2細胞和A549細胞的PI值分別達到了205和148，這和已報道的光敏劑相比具有相當的光治療效果[4]。同時，Ir1和Ir2對相應的正常細胞的光毒性都較小，這可能是癌細胞中的細胞內粘度比正常細胞中的粘度高[37]，導致Ir1和Ir2在癌細胞中的熒光更強。我們的實驗結果也證明了配合物Ir1和Ir2在肝腫瘤細胞Hep-G2中的熒光更強，而在肝正常細胞LO2中的熒光更弱(圖9)。更強的熒光的光敏劑可能會導致產生單線態氧更多，因此對癌細胞的光毒性更強而對正常細胞的光毒性較弱。

表1 Ir1和Ir2對不同細胞的光/暗毒性Table 1 Photo/dark toxicity of Ir1 and Ir2 towards different cells

圖9 Ir1或Ir2在肝腫瘤細胞Hep-G2和肝正常細胞LO2中的共聚焦圖像(a、b)以及它們熒光強度的相對值(c)Fig.9 Cellular microscopy images(a,b)and luminescent intensities(c)of Hep-GG2 and LO2 cells incubated with Ir1 or Ir2

2.8 EPR檢測1O2

對于光敏劑尤其是金屬配合物類光敏劑而言，1O2是其殺死腫瘤細胞的關鍵性物質。我們首先通過電子順磁共振儀檢測配合物Ir1和Ir2在光照下產生1O2的情況，采用2，2，6，6-四甲基哌啶(TEMP)作為1O2的捕獲劑，每隔5 min光照一次(465 nm，50 mW·cm-2)。如圖10所示，在沒有光照時(0 min)并沒有檢測到1O2的特征峰信號，而在開啟光照后，在3 480～3 530 G范圍內出現了相對強度為1∶1∶1的1O2的特征峰信號，并且信號強度隨光照時間的增加而增強，表明銥配合物Ir1和Ir2在光照下與氧氣作用最終產生了1O2。

圖10 Ir1和Ir2在光照下產生1O2的EPR譜圖Fig.10 EPR spectra of1O2produced by Ir1 and Ir2 upon light irradiation

在此基礎上，為了進一步研究Ir1和Ir2的1O2產生效率，我們利用RNO檢測法測定了Ir1和Ir2的1O2量子產率，RNO檢測法的基本原理如下：1O2與體系中的組氨酸(His)反應產生中間產物HisO2，此中間產物會與RNO反應，消耗體系中的RNO，而RNO含量的減少可通過紫外可見分光光度計進行定量檢測，記錄其在440 nm處特征吸收峰強度的衰減程度能夠間接測得1O2的含量，從而得出1O2量子產率。如圖11所示，隨著光照時間的增加，RNO特征峰強度的衰減量不斷增大，表明越來越多的1O2產生，我們通過衰減斜率來衡量配合物產生1O2的效率，并與[Ru(bpy)3]2+(Φref,1O2=0.22)進行對照[38]，發現1O2的產生效率大小順序為Ir1＞[Ru(bpy)3]2+＞Ir2，并且體系粘度越大，其1O2產生效率越大。如表2所示，經過進一步計算可以得出Ir1和Ir2的1O2量子產率分別為0.32和0.16。該實驗結果也間接證明了Ir1和Ir2在高粘度的癌細胞中能產生更多1O2，從而光毒性更大。

圖11 Ir1和Ir2在光照下產生1O2的量子產率Fig.11 Quantum yield of producing1O2by Ir1 and Ir2 upon light irradiation

表2 Ir1和Ir2的1O2量子產率Table 2 1O2quantum efficiency of Ir1 and Ir2

2.9 細胞中1O2的檢測

Ir1和Ir2在溶液中能夠產生1O2使其有望成為光敏劑，因此，我們進一步采用商用1O2探針SOSG(single oxygen sensor green)檢測細胞中1O2產生情況。相比于其他活性氧探針，SOSG不會與其他活性氧如羥基自由基、超氧陰離子和一氧化氮等發生化學反應，且可以特異性地與1O2進行結合，是1O2的專一性檢測探針。SOSG未與1O2反應前，呈現出微弱的綠色熒光，而與1O2反應后，其產物呈現強綠色熒光。如圖12所示，可以清晰地觀察到，黑暗時沒有觀察到SOSG的綠色熒光，表明此時沒有1O2產生，而光照一定時間后細胞中呈現出了明顯的綠色熒光，表明細胞中的Ir1和Ir2在光照下產生了大量的1O2。同時，對于預先加入了NaN3(1O2清除劑)的對照組，其綠色熒光大部分被猝滅，進一步表明Ir1和Ir2在細胞中產生了1O2。經過ZEN軟件分析，可以計算出熒光圖中的平均熒光強度，配合物孵育下的光照組細胞中SOSG的強度明顯高于黑暗組的，這進一步表明在光照條件下，配合物在細胞中高效地產生了1O2。

圖12 在黑暗下和藍光照射5 min后，Ir1或Ir2(5 μmol·L-1,1 h)與1O2探針SOSG(5 μmol·L-1,30 min)共孵育Hep-G2細胞及加入NaN3(5 mmol·L-1,1 h)前后的激光共聚焦圖像Fig.12 Confocal microscopy imaging of Hep-G2 cells colabeled with Ir1 or Ir2(5 μmol·L-1,1 h)and1O2probe SOSG(5 μmol·L-1,30 min)in the absence or presence of NaN3(5 mmol·L-1,1 h)in the dark and under blue light irradiation for 5 min

3 結 論

設計、合成了2種新穎的銥配合物Ir1和Ir2，并系統研究了Ir1和Ir2分子的熒光強度和熒光壽命與體系粘度之間的關系。結果表明，探針的熒光強度和熒光壽命均隨著體系粘度的增大而顯著增大，這是由于Ir1和Ir2結構中的單鍵在水溶液中可以自由旋轉，導致熒光猝滅；而在粘度較大時，旋轉受阻，從而使熒光上升和熒光壽命延長，而具有強熒光特性的光敏劑是光動力治療的前提條件。有趣的是，配合物還可以高效地靶向聚集于細胞中的線粒體，作為優異的粘度探針對線粒體內粘度進行成像檢測。重要的是，在光照條件下，2種配合物能很好地引發癌細胞發生凋亡，其IC50值均處于極低的水平，2種分子均具有非常好的光動力治療效果。因此，Ir1和Ir2有望開發成為聯合檢測細胞器內粘度和高效光動力治療的金屬藥物。

致謝：感謝深圳大學測試中心提供的儀器平臺。