光活化性能
鋨-過氧配合物的合成Os2是基于我們之前報道的方法36,表征數據可以在支持信息中找到(SI,實驗部分和補充圖。1–3). Os2在室溫(rt)下的黑暗中,在pH = 7.4的磷酸鹽緩沖鹽水(PBS)中高度穩定(補充圖。4).然而,在465 nm光照射下,溶液Os2經歷從棕色到淺粉色的漸變(圖。1binsets),這讓我們對這種轉換進行了詳細的研究。對光解產物進行了高分辨率質譜(HRMS)測量,并在以下位置觀察到一個主峰m/z= 1175.2351(補充圖5).這個離子的質量和同位素分布與Os1。的形成Os1被HPLC分析進一步證實。如圖所示。1c新峰的保留時間與獨立合成的保留時間一致Os1(補充圖6–10,表格S1–S2。關于的合成和表征也可參見SIOs1).此外,輻照60分鐘后,轉化率為77.45%Os2到Os1證明了Os1是主要的光產物(圖。1c),轉化率為0.46 μm ol·L?1部?1基于以下物質在459納米處的吸光度變化Os2(圖。1b和補充圖。11).
溶液中的活性氧檢測
由于氧的離解2從金屬中心的單位Os2在光照下,我們試圖驗證O2單位以超氧陰離子(O2??).我們首先試圖檢測O2??通過使用非熒光二氫羅丹明123 (DHR123)探針24,它能與O反應2??并在526 nm附近發射強綠色熒光。如圖所示。2a,當在465納米(13毫瓦/厘米2),的解決方案Os2顯示出不斷增加的排放,表明O2??。我們還模擬了芬頓反應過程37。當...的時候Os2(15微米)和少量超氧化物歧化酶(SOD)加入到含有鐵的PBS溶液中2+亞甲藍(MB)探針(MB,5 μg/mL)在665 nm處的吸光度下降,降解率為70.26%(補充圖。12).相反,在對照實驗中只使用Os2和Os2+ SOD時,MB的特征紫外-可見吸收帶沒有發生變化?;谶@些發現和已發表的數據,我們提出的機制在圖。2f。在SOD酶的作用下,O2??不成比例地產生H2O2還有O2。OH由H產生2O2在Fe的作用下2+,然后與MB反應,從而減少其吸收。這些發現證實了Os2能產生O2??在光照下。
圖2:溶液中活性氧的檢測。a監測O的發射光譜2??生成者Os2(10微米)使用DHR123探頭(10微米,λ不包括= 488納米)。b氧的ESR信號2??在常氧中光照后被DMPO (18 mM)捕獲。c的ESR信號1O2在常氧光照后被TEMP (8 mM)捕獲。dABDA (100微米)的紫外-可見吸收光譜用于監測1O2由...產生Os2(20微米)在常氧光照下。e的情節0-ABDA在378 nm處的λ與照射時間的關系Os1或者Os2在缺氧或常氧狀態下(n= 3個獨立實驗)。誤差線代表平均值的標準差。f生成O的示意圖2??, 1O2哦,通過光激活Os2。光照:465納米,13毫瓦/厘米2;實驗溫度:298K;超氧化物歧化酶。
為了更深入地了解ROS的本質,我們使用5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物(DMPO)和(2,2,6,6-四甲基哌啶)氧基作為自旋陷阱進行了電子自旋共振(ESR)測量。具體來說,DMPO被用來誘捕O2??由...產生Os2在465納米光照射下37,38,39。在含有DMPO和Os2暴露于光照射下,DMPO-OOH的幾個信號峰出現在3480–3540G(圖2b),這就解釋了O的產生2??。為了研究Os2生產1O2在光照下,我們用溫度來測量1O2產生40,41。如圖所示。2c,在3480和3530 G之間觀察到強度為1:1:1的三線信號Os2將混合溶液在光照下升溫。在存在下觀察到類似的信號Os1(光的產物Os2).這些ESR結果表明Os2可以產生O2??和1O2在光照下。
此外,9,10-蒽二基-雙(亞甲基)二丙二酸(ABDA)進一步用于檢測1O2量子產率Os1和Os2在光照下。如圖所示。2d和補充圖。13隨著輻照時間的增加,ABDA在378 nm附近的特征吸收峰逐漸減小。這1O2量子產率Os1和Os2通過與Ru(bpy)比較,分別計算為0.039和0.0432+(補充圖13和桌子S3)42.
以上實驗均在有氧條件下進行。接下來,我們研究了缺氧(缺氧,氮氣脫氣)條件下ROS的產生。如補充圖所示。14,發射光譜顯示在存在下增強綠色熒光Os2和DHR123探針。這個結果證明了Os2也會產生O2??缺氧狀態下。我們進一步測量了1O2缺氧狀態下的世代。如補充圖所示。15,ABDA在兩者面前的吸收Os1和Os2缺氧條件下未能發生明顯變化,證實了no1O2在缺氧條件下產生。然而,ABDA的吸收率在以下情況下會降低Os2+ SOD。這是由于Os2生產O2??在缺氧的情況下2??不成比例地產生H2O2還有O2在SOD酶的作用下,O2可用于1O2光產物的產生Os1(圖。2f).然而,Os1在缺氧條件下不能產生ROS(補充圖。15).
我們之前的研究表明Os2在相對苛刻的條件下(80 ℃, K2哥倫比亞3純氧氣氛),并根據實驗和理論結果提出了協同雙氫轉移機理,但催化反應在室溫下幾乎不進行37。我們進一步驗證了Os2在細胞實驗之前的細胞環境中。結果表明,在298 K的黑暗中,它在Dulbecco的改良Eagle培養基(DMEM)細胞培養基中或在具有不同pH值的PBS溶液中高度穩定(補充圖。16和17).此外,治療Os2還原劑(NADH、GSH和Cys)或細胞氧化劑(如H2O2過氧化物酶、細胞色素p450)不會導致紫外-可見吸收光譜發生顯著變化(補充圖。18).補充圖19和20進一步證明了Os2不與活性氧反應,例如1O2。這些結果表明Os2在黑暗的細胞環境中是穩定的。
輻照下細胞活性氧的產生
我們研究了光誘導活性氧產生的能力Os2在活的HeLa細胞中。使用二氫乙錠(DHE)、羥苯基熒光素(HPF)和單線態氧傳感器綠(SOSG)作為探針來監測氧的產生2??,哦還有1O2,分別為37,38。這些探針對各種自由基的檢測機制如圖所示。3a。共聚焦顯微鏡顯示,當Os2-孵育的HeLa細胞在常氧(20% O2465納米,13毫瓦/厘米21 h),DHE染色細胞中的熒光信號顯著增強(圖。3b,c)。這證實了Os2釋放O2??在光照下的細胞中。缺氧狀態下(1% O2),光照后的熒光強度與常氧下獲得的相似,表明O2??從...產生Os2與O無關2。這與O的機理不同2依賴I型光動力機制。
圖3:細胞活性氧測量。aO檢測示意圖2??,哦還有1O2分別對DHE、HPF和SOSG進行了調查。bO的共聚焦顯微鏡圖像2??,哦還有1O2在常氧下的HeLa細胞中(20% O2)或缺氧(1% O2)分別由DHE、HPF和SOSG進行探測。c從中的圖像計算的平均熒光強度b。所有實驗獨立重復三次,結果相似。誤差線代表平均值的標準差。用雙尾學生t檢驗(*p?<?0.05, **p≤ 0.01或***p≤ 0.001).HeLa細胞與Os2(20微米)8 h,然后用DHE (10微米,30 min)、HPF (10微米,1 h)或SOSG (2.5微米,30 min)處理。孵化溫度:310K;光照:465納米,13毫瓦/厘米2,1h;DHE: λ不包括= 488納米,λ全身長的= 600±30nm;HPF: λ不包括= 488納米,λ全身長的= 530±30nm;SOSG: λ不包括= 488納米,λ全身長的= 525±30納米。DHE二氫乙錠;HPF羥苯基熒光素;SOSG單線態氧傳感器綠色。
因為我們知道O2??在細胞內超氧化物歧化酶和鐵的存在下能產生·OH2+離子37,我們通過HPF染色進一步研究了細胞中OH的產生。共焦成像顯示Os2能在常氧或缺氧條件下在HeLa細胞中產生OH(圖。3b,c)。此外,我們還比較了1O2的產生Os2和光產物Os1通過使用SOSG探測器,發現在缺氧的情況下,Os2在生產上更有優勢1O2比Os1。結果表明,綠色熒光在Os2經處理的細胞在常氧和低氧下都是強壯的。然而,熒光在Os1低氧條件下處理的細胞比常氧條件下觀察到的細胞弱得多(補充圖。21).這些結果與圖2中的結果一致。2f,表明Os2首先誘導O的釋放2??和生產Os1,伴隨著O的形成2(作為氧氣來源Os1)和OH通過芬頓反應。最后,1O2是由光產物產生的Os1,但很難確定是否Os2也可以生產1O2由于其轉換為Os1在465納米的光照下。這些數據都表明Os2可用作低氧腫瘤細胞光活化治療的有效藥物。
體外光毒性
的暗細胞和光細胞毒性Os2和Os1用MTT法測定抗HeLa細胞活性40,41。如圖所示。4和桌子1, Os2在常氧和缺氧條件下具有低暗細胞毒性和高光細胞毒性(圖。4a,c)。集成電路50)黑暗僅用黑暗培養測定的值分別為89.2和> 100微米(表1).集成電路50)光的值Os2在常氧或低氧條件下通過光照射測定的,分別為1.23和5.86微米。缺氧條件下的光細胞毒性可以用氧的釋放來解釋2??經過Os2和光照射,接著產生O2,可由輕質產品使用Os1來產生1O2和OH,通過芬頓反應產生更強的毒性。相反,輕質產品(Os1)在常氧和缺氧條件下顯示出高的暗細胞毒性和光細胞毒性(圖。4b,d)。集成電路50)黑暗的值Os1在常氧和低氧條件下分別為8.12和9.95微米50)光常氧和低氧條件下的值分別為1.31和7.51微米(表1).這個結果表明Os1具有高的光細胞毒性和暗細胞毒性,可被視為化療藥物。然而,在缺氧的情況下,由于缺氧,Os1沒有顯示出明顯的光動力效應。的圓周率值Os2(> 18)遠高于缺氧下的Os1 (1.3).
圖4:對HeLa細胞的細胞毒性。不同濃度硝酸甘油處理的HeLa細胞的存活率Os2或者Os1常氧下(20% O2, a, b)或缺氧(1% O2, c, d)在黑暗中或光照下。所有細胞生存力數據都是一式四份(n= 4個生物學上獨立的樣本)。誤差線代表平均值的標準差。用雙尾Student’s方法計算統計顯著性t測試(*p?<?0.05, **p≤ 0.01或***p≤ 0.001).培養溫度:310 K。光照:465納米,13毫瓦/厘米2,1 h。
表1暗集成電路和光集成電路50化合物在常氧和缺氧條件下對HeLa細胞的抑制作用。 順鉑和5-氨基乙酰丙酸(5-ALA)用作對照(表1).非常低的暗毒性和光毒性(兩者(IC50)黑暗和(集成電路50)光> 50微米)在5-ALA藥物暴露8小時和40小時恢復(與相同的條件Os2).順鉑具有一定的暗毒性(IC50)黑暗= 33.22微米),其光毒性與暗毒性相比不明顯。我們進一步測量了細胞攝取Os2或順鉑對HeLa癌細胞的作用(補充圖22).結果表明,積累的Os2在細胞中的濃度低于順鉑。這導致較低的暗毒性Os2比順鉑,因此Os2是一種可行的藥物,在黑暗中比順鉑能減少毒副作用。然而,光毒性的Os2比順鉑在輻射下的高得多(表1).
鈣黃綠素乙酰氧基甲酯(鈣黃綠素-AM)或碘化丙錠(PI)染色也用于區分活細胞(綠色)和死細胞(紅色)。如補充圖所示。23,黑暗集團的Os2在常氧和缺氧時顯示強烈的綠色熒光(活細胞)而沒有紅色熒光(死細胞),而對照組在黑暗或光照下也沒有顯示死細胞。相比之下,輕組的Os2顯示微弱的綠色熒光和強烈的紅色熒光,表明Os2導致光照下細胞大量死亡。
瞼下垂機制
據報道,ROS產生的光化學過程可導致癌細胞的鐵下垂6,43,44。這讓我們考慮是否Os2會誘發瞼下垂。谷胱甘肽與瞼下垂密切相關45,46我們首先發現了Os2來消耗谷胱甘肽。如圖所示。5一,b隨著光照時間的增加,412 nm處的吸收降低,表明Os2當受到輻射時,會消耗谷胱甘肽。我們測定了細胞中的谷胱甘肽水平Os2,發現輻照組的GSH水平明顯低于非輻照組(圖。5c).因此,我們得出結論Os2在輻射條件下可以消耗細胞GSH。
圖5:光照射下Os2誘導的瞼下垂。a與輻照時間相關的谷胱甘肽(200微米)損耗Os2(20微米)在298 K的藍光照射下b隨著照射時間的增加,412 nm處的吸收降低。c不同處理后細胞內的谷胱甘肽水平。所有實驗都是一式三份重復進行(n= 3個生物學上獨立的樣本,p價值觀(p):10微米-0.000025,20微米-0.00065)。dC11-BODIPY探針(30微米,310 K,0.5 h)檢測的處理細胞中脂質過氧化物的熒光圖像。C11-BODIPY: λ不包括= 488納米,λ全身長的= 570±50納米。e從中的圖像計算的平均熒光強度d。該實驗獨立重復三次,結果相似,p= 0.000024.f蛋白印跡分析GPX4在HeLa細胞中的作用Os2(20微米,310 K,8 h)進行或不進行光處理。RSL3是陽性對照組。gGPX4的相對表達水平計算自f所有實驗都是一式三份重復進行(n= 3個生物學上獨立的樣本,p= 0.000025).誤差線代表平均值的標準差。用雙尾Student’s方法計算統計顯著性t測試(*p?<?0.05, **p≤ 0.01或***p≤ 0.001).h這種光活性抗腫瘤療法中的鐵下垂過程。光照:465納米,13毫瓦/厘米2。GSH谷胱甘肽,Fer-1鐵抑制素-1,GPX4谷胱甘肽過氧化物酶4。
鐵下垂是一種由過度脂質過氧化引起的鐵依賴性細胞死亡。瞼下垂的主要特征是細胞抗氧化能力失活后,含有多不飽和脂肪酸的磷脂在細胞膜上被過氧化,破壞細胞膜,導致瞼下垂47,48,49??寡趸瘎┕入赘孰倪^氧化物酶4 (GPX4)以谷胱甘肽依賴的方式特異性催化脂質過氧化物中氧化活性的喪失50,51,隨后對GPX4的抑制誘導了瞼下垂癥。GSH的消耗可以間接抑制GPX4的表達。我們推測Os2可以進一步抑制GPX4的表達,我們通過對GPX4的western blot分析驗證了這一假設。如圖所示。5f–g,Os2在黑暗中不能減少GPX4的表達。然而,在光照下,Os2顯著降低GPX4的表達,ROS引起的GSH消耗和對GPX4的抑制會進一步導致脂質過氧化物的積累,誘發瞼下垂。我們使用C11-BODIPY作為脂質過氧化物探針,用于監測脂質過氧化物的細胞內積累(圖。5d,e)。共聚焦顯微鏡顯示,用Os2在暴露于光后顯著增強,表明脂質過氧化物的顯著積累,這可以被鐵抑制素-1(一種鐵下垂抑制劑Fer-1)有效抑制。所有上述結果證實Os2誘發瞼下垂,如圖。5h.
NADH光催化氧化
作為一種輔因子,1,4-二氫煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)調節細胞線粒體的氧化還原平衡,在調節能量產生中起重要作用。如果NADH被氧化成NAD+,它可以破壞整個呼吸鏈,殺死細胞19,52,53。我們研究了NADH是否能被Os2在光照射下,可以提供光催化氧化途徑來殺死癌細胞。的光催化效率Os2(20微米)向NADH (175微米)的遷移首先由紫外-可見吸收光譜測定。如圖所示。6a隨著照射時間的增加,339 nm處的吸光度逐漸減小,259 nm處的吸光度逐漸增大。相比之下,非照明的吸收Os2組無明顯變化(補充圖。24).這表明Os2在光照下能降低NADH的酶活性。我們還計算了NADH氧化轉化數(噸)Os2以評估其光催化效率。NADH氧化的TON值Os2在光照射下為3.888,比未照射組高30倍(噸黑暗= 0.137)(圖。6b).同樣的,Os1也顯示了對NADH類似的光催化氧化作用(補充圖。25).
圖6:光照下Os2對NADH的光催化氧化。a的反應Os2(20微米)和NADH (175微米)在PBS溶液中,在藍光照射下,通過298 K下的紫外-可見吸收光譜監測b一噸Os2在黑暗或輻射條件下(n= 3個獨立實驗,p= 0.0000016).cNADH (3.5 mM)的光催化氧化Os2(0.25毫米)在黑暗或輻射條件下,由以下人員監控1298 K時的核磁共振波譜。與藍色三角形相關的峰代表NADH,那些帶有紅色正方形的峰代表NAD+. d經處理的HeLa細胞中的NADH濃度。Os2: 20微米,310 K,8小時。所有的實驗都是一式三份重復進行(n= 3個生物學上獨立的樣本,p= 0.000039).誤差線代表平均值的標準差。用雙尾Student’s方法計算統計顯著性t測試(*p?<?0.05, **p≤ 0.01或***p≤ 0.001).e光催化氧化NADH的示意圖Os2隨后是誘導性瞼下垂。光照:465納米,13毫瓦/厘米2。噸周轉數、NADH 1,4-二氫煙酰胺腺嘌呤二核苷酸、GSH谷胱甘肽;GSSG氧化型谷胱甘肽,GPX4谷胱甘肽過氧化物酶4,GR谷胱甘肽還原酶。
NADH的光催化氧化也通過1核磁共振氫譜2O/CD3298 K時的外徑(1/3,v/v)。6c,在Os2和NADH照亮的基團,來自NAD的煙酰胺環上的氫的新峰+在6.13、8.31、8.55、8.99、9.36和9.58處觀察到,但沒有新的NAD+在未照射組或未照射組中觀察到峰值Os2團體。直覺上,這表明Os2可以在光照下氧化NADH,將其轉化為NAD+。隨后,我們使用NAD/NADH-Glo在細胞水平上測量了NADH光催化氧化率銩方法,這是一種用于檢測NAD的生物發光方法+還有NADH。如圖所示。6d,化學發光強度Os2——輕組被證明低于其他組。這些結果表明Os2可以通過光照射在細胞水平上有效氧化NADH,從而殺死癌細胞。從圖中可以看出。6e,NADH不僅可以轉化為NAD+通過與Os1交互*(的興奮狀態Os1),但也可被氧化成NAD+由O2??從...發布Os2。NADH的下調間接有助于谷胱甘肽還原酶將氧化型谷胱甘肽(GSSG)還原為谷胱甘肽54,導致脂質過氧化物的積累,最終實現協同誘導瞼下垂。
體內光活性抗腫瘤療法
我們通過Os2研究了體內光活化治療的可行性。由于Os2是一種小分子,并且沒有特定的靶向基團,因此可以通過腫瘤內給藥(圖。7a).如圖所示。7b,與其他三組相比,用Os2-light處理的小鼠的腫瘤生長受到抑制。Os2-光組的腫瘤大小在四組中最小(圖。7d),并且Os2-光組的平均腫瘤重量顯著低于其他組(圖。7c).收集最終治療后的腫瘤組織用于組織學評估。蘇木精-伊紅(H&E)染色顯示在Os2-光組中腫瘤組織明顯破壞,而在其他三組中腫瘤組織未受影響(圖。7e).
圖7:體內光活性化療。a體內(荷HeLa腫瘤的Balb/c小鼠)治療方案示意圖。用光(465納米,13毫瓦/厘米2)靜脈注射25 μL含500微米Os2的PBS后60分鐘。b治療后腫瘤生長曲線。誤差棒是基于每組五只小鼠的標準誤差(SD)。用雙尾Student’s方法計算統計顯著性t測試,p= 0.0004 (*p?<?0.05, **p≤ 0.01或***p≤ 0.001).c各種治療后第16天小鼠的腫瘤重量。誤差棒是基于每組五只小鼠的標準誤差(SD)。用雙尾Student’s方法計算統計顯著性t測試,p= 0.00042 (*p?<?0.05, **p≤ 0.01或***p≤ 0.001).d各種處理后代表性小鼠的數碼照片。e不同處理后小鼠HeLa腫瘤組織的H&E染色圖像。這個實驗獨立地重復了三次,結果相似。
為了評價Os2的生物安全性,我們首先分析了靜脈注射三倍治療劑量(2.69毫克/千克)的健康小鼠的主要器官的H&E染色切片?1).結果顯示在這些切片中沒有明顯的組織損傷(補充圖。26).我們還使用斑馬魚來測試Os2的生物安全性(補充圖。27)與通常用作生物標記的綠色熒光蛋白(GFP)一起將生理過程可視化。在與Os2孵育5天后,斑馬魚的血管明顯沒有受損,顯示出良好的體內生物相容性。