基于花菁染料的新型非重原子光敏剂的设计与生物学应用研究
作者单位：曲阜师范大学
学位级别：硕士
导师姓名：尤进茂;李赞
授予年度：2022年
学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0836[工学-生物工程]
主 题：光动力治疗 硫代光敏剂 花菁染料 硫化氢 荧光探针 谷胱甘肽
摘 要：癌症已成为威胁人健康的主要原因之一。癌症标志物的早期检测,癌组织和正常组织的准确区分,对癌症的早期诊断和治疗至关重要。与化学疗法、手术疗法和放射疗法等传统临床疗法相比,光动力疗法(PDT)因其无创性、光控制选择性、时间可控性、可忽略的耐药性和低毒副作用而备受关注。PDT过程通常会产生活性氧簇(ROS),尤其是单线态氧(O)。光动力疗法通过氧化损伤近端肿瘤组织并阻断肿瘤相关脉管系统,可实现对癌症的治疗。因此PDT疗法的成功需要三个主要元素:光敏剂、特定波长的光和活性氧。近年来,将重原子引入光敏剂分子并对其进行结构改造的设计策略越来越普遍,而重原子光敏剂普遍存在暗毒性高和合成成本高等局限性。目前,“硫代光敏剂在光动力治疗中受到广泛关注,此类光敏剂基于硫原子取代传统荧光团中的氧原子。由于硫原子取代可以减小S-T的能量差,从而可有效促进系间跨越(ISC)过程的进行,因此硫代光敏剂具有更高的活性氧生成效率。光敏剂的光化学特性对临床治疗至关重要,目前光敏剂的激发波长和光毒性问题不适合临床诊疗,因此需要我们重新考虑光敏剂的分子设计,以实现基于硫代光敏剂的有效癌症治疗。化学性能优良的荧光探针分子通常具备较强的组织穿透能力、较大的斯托克斯位移、较低的生物光损伤性、较长的发射波长和较低的成像背景。相比于具有可见光区发射的荧光探针,具有近红外区发射波长的荧光探针具有更优越的荧光成像效果。本论文基于具有近红外吸收和发射性质的花菁荧光染料设计合成了一系列分子,合成的荧光探针和光敏剂均运用高分辨质谱、核磁共振波谱进行了结构表征。通过紫外-可见光谱、动态光散射、液相色谱、稳态瞬态荧光光谱、透射电镜以及理论计算等实验方法,深入探究了荧光分子对硫化氢的响应能力,以及光敏剂的单线态氧生成能力;运用细胞荧光成像实验评估了荧光分子的成像效果以及光敏剂的光动力治疗效果。具体创新性工作如下:(1):本研究通过电子云密度调控策略,将取代基团不同的4-甲氧基苯磺酰基,2,4-二硝基苯磺酰基和3,5-二三氟甲基苯磺酰基作为识别基团,基于亲核取代反应设计合成了荧光探针Cy735,Cy795和Cy841。光谱实验和液质联用实验表明三例分子均可对硫化氢分子进行比率型荧光检测,检测机理均基于硫化氢较强的亲核特性。理论计算数据表明,由于三个识别基团自身取代基团的差异,三个探针分子表现出明显不同的电子云密度分布。液质联用数据表明,硫化氢和Cy735反应后可原位生成硫代光敏剂Cy581;而硫化氢和Cy795反应后,生成荧光分子Cy565;3,5-二三氟甲基苯磺酰基的电子云密度介于两个苯磺酰基之间,因此Cy841与硫化氢反应后生成Cy581和Cy565两种产物。Cy581作为一种硫代光敏剂,相比于类似结构的荧光分子Cy565表现出更加明显的荧光猝灭效果和更优越的单线态氧产生效率(商用光敏剂亚甲基蓝在乙醇中产生O的效率为0.52,Cy581和Cy565在乙醇中产生 O效率为0.95和0.64)。本实验成功实现了HCT116肿瘤细胞内HS的荧光成像,肿瘤细胞内原位生成的光敏剂Cy581可以实现对实体肿瘤的有效抑制,因此探针分子Cy735对于结肠癌肿瘤的早期诊断和治疗评估研究具有潜在的临床应用价值。(2):本研究以花菁染料为骨架,开发了一种利用激光照射的方法合成二硫键的新型策略。基于此方法,合成了新型光敏剂Cy640,该光敏剂可以被谷胱甘肽激活快速生成另一种光动力治疗效果更优越的光敏剂Cy641,在有效降低肿瘤细胞内谷胱甘肽含量的同时,可减小光敏剂对人体正常组织毒副作用。理论计算结果表明,Cy641由于光诱导电子转移机理(PET)的荧光淬灭作用,量子产率降低;而Cy640无PET荧光淬灭机制,因此有更高的量子产率。Cy640和Cy641作为硫代光敏剂,S-T的能量差降低,从而有效提高了系间跨越(ISC)过程的效率,相比于商用光敏剂亚甲基蓝(在乙醇中产生O效率为0.52)表现出更高的活性氧生成效率(Cy641产生O的效率为0.72)。同时,Cy640相比于Cy641在溶液中表现出更优越的光稳定性和更长的发射波长。借助于设计合成的脂质探针分子Li-Cy640,本研究实现了光敏剂在细胞内的光动力治疗效果评估,并成功实现了人体宫颈癌Hela细胞的光动力治疗研究。本研究提出的谷胱甘肽激活策略在降低正常组织毒副作用的前提下,为人体宫颈癌细胞的光动力治疗评估提供了一种极具前景的设计策略。
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