Angew南京大学冯福德、黎书华:一锅合成螺花菁近红外光诊疗染料,ADCR 程序解析自由基级联机理

DOI 号：10.1002/anie.7568921

南京大学冯福德、黎书华团队以 9 - 甲基吖啶盐为原料、氧气作氧化剂，一锅氧化三聚制备螺环修饰三甲川吖啶花菁（SpiroCY）近红外染料；借助 ADCR 自动化反应程序结合捕获实验阐明氧气诱导氢过氧自由基引发的自由基级联环化合成机理；对比无螺环母体 ADCy3，螺环三维刚性结构大幅提升摩尔消光系数、荧光量子产率与光稳定性，抑制 H 聚集并可形成 J 聚集体；该染料为 I 型光敏剂，808 nm 光照下高效产生超氧阴离子、羟基自由基，可靶向线粒体实现超低浓度（10–100 nM）NIR-I/II 双区细胞荧光成像；体外细胞实验证明其具备本征抗肿瘤活性与近红外光激活 I 型光动力治疗效果。相关研究成果发表于《Angewandte Chemie International Edition》上。

图文说明

方案 1 本研究工作示意图：(a) ADCR 程序探究自由基级联反应机理，左图为传统机理研究方式，右图为 ADCR 自动化反应网络挖掘策略；(b) 无螺环普通花菁 ADCy3 与螺环花菁 Me-SpiroCY 性能对比

图1 SpiroCY结构的范围

图 2 (a) 有无自由基捕获剂 TEMPO、氩气 / 氧气氛围下反应体系紫外 - 可见吸收光谱；(b) 1-TEMPO 加合物高分辨质谱表征；(c) TEMPO⁺高分辨质谱表征；(d) ADCR 程序相较于传统机理计算的原理与优势；(e) M06-2X/6-311+G (d,p) 理论水平下，氧气介导生成 1・自由基与氢过氧自由基的自由能曲线，插图为 MRSF 方法校正后 TS-4 过渡态能量曲线

图 3 (a) 氧气介导产生活性自由基的完整反应路径；(b) 自由基级联环化生成 Me-SpiroCY 完整反应机理

图 4 (a) 母体 ADCy3 晶体晶胞、分子堆积与分子间距离，呈现 H 聚集堆叠；(b) Me-SpiroCY 晶体晶胞、分子滑移堆积模式与分子间距，倾向 J 聚集；(c) Me-SpiroCY 单体（甲醇）与 J 聚集体（磷酸盐缓冲液）归一化吸收、荧光光谱

图 5 (a) DCFH 探针检测总活性氧随光照强度变化曲线；(b) NIR-HR 探针检测羟基自由基信号变化；(c) DHR123 探针检测超氧阴离子信号变化；(d) 三种染料各类活性氧生成量对比柱状图；(e,f) DMPO 自旋捕获电子顺磁共振谱，分别验证羟基、超氧自由基生成；(g) ADCy3 与 Me-SpiroCY 的HOMO-LUMO 能级与振子强度；(h) 两种染料贾布隆斯基能级图，展示单重态 - 三重态能隙、自旋轨道耦合与系间窜越速率差异；(i) 螺环修饰调控激发态、促进活性氧生成机理示意图

图 6 (a) 线粒体靶向超亮近红外成像与 I 型光动力治疗工作原理图；(b) 100 nM ADCy3、Me-SpiroCY 孵育细胞荧光寿命成像图；(c) Me-SpiroCY 不同孵育时间细胞成像；(d) 10–100 nM 梯度浓度染料细胞成像；(e) ICG、ADCy3、Me-SpiroCY 近红外二区（1100–1700 nm）细胞荧光成像；(f) Me-SpiroCY 与线粒体绿色追踪探针共定位成像；(g) 有无 808 nm 光照下不同染料处理 HeLa 细胞存活率；(h) 抗坏血酸、低温条件下 Me-SpiroCY 光照细胞存活率；(i) DCFH-DA 细胞内活性氧荧光成像；(j) 活 / 死细胞染色共聚焦成像；(k) JC-1 探针检测线粒体膜电位共聚焦成像

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