溶酶体靶向吲哚氟硼二吡咯光敏剂的合成、 双光子荧光成像及光动力治疗

doi:10.7503/cjcu20220326

摘要/Abstract

摘要：

通过Knoevenagel缩合反应制备了一个具有溶酶体靶向的近红外光敏剂IMBDP-Lys, 用于双光子荧光成像和光动力治疗. IMBDP-Lys由2个吲哚吗啉功能团连接到氟硼二吡咯(BODIPY)母核的3?位和8?位构筑而成, 是一种重原子诱导的光敏剂. 采用高斯09W理论计算光敏剂S₁态和T₂态能量值相差0.12 eV, 可以有效地发生系间窜越. 在二氯甲烷溶液中, 光敏剂IMBDP-Lys的最大吸收波长为631 nm, 最大发射波长为684 nm. 在 660 nm的光照下, 以亚甲基蓝为参比, 单线态氧量子产率经计算为48.3%. 此外, 含有2个吗啉基团的光敏剂IMBDP-Lys具有良好的生物相容性和精准的靶向能力, 可以快速地进入斑马鱼体内进行双光子荧光成像, 并且与溶酶体绿色染料Lyso-Tracker Green共定位系数为0.95. 溴化噻唑蓝四氮唑(MTT)实验结果表明, 光敏剂具有低的暗毒性(≥85%)和高的光毒性(IC₅₀=0.52 μmol/L). 在660 nm的光照下, 利用活性氧荧光探针2’，7’-二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）证明光敏剂可以产生活性氧, 同时吖啶橙/溴化乙锭(AO/EB)染色实验和细胞迁移实验表明产生的活性氧不仅能诱导A549细胞凋亡, 还能有效地抑制肿瘤细胞迁移. 因此, 近红外光敏剂IMBDP-Lys在双光子荧光成像和溶酶体靶向的光动力治疗中具有重要的应用价值.

关键词: 吲哚-氟硼二吡咯, 近红外光敏剂, 光动力治疗, 双光子荧光成像, 溶酶体靶向

Abstract:

A lysosome-targeted near-infrared photosensitizer（IMBDP-Lys） was synthesized through the Knoevenagel condensation reaction for two-photon fluorescence imaging and photodynamic therapy. IMBDP-Lys was a heavy atom-induced photosensitizer， which was constructed by two morpholine-indole functional groups attached to the 3-position and 8-position of the boron-dipyrromethene（BODIPY） core. Gaussian 09W software was used to calculate that the energy gap（of S₁ and T₂ states of the photosensitizer IMBDP-Lys was 0.12 eV， which can effectively promote the intersystem crossing（ISC）. In CH₂Cl₂ solution， the maximum absorption wavelength of photosensitizer IMBDP-Lys was 631 nm and the emission wavelength was 684 nm. With methylene blue as reference， the photosensitizer IMBDP-Lys had a larger singlet oxygen quantum yield of 48.3% under near infrared light. In addition， the photosensitizer IMBDP-Lys containing two morpholine groups has good biocompatibility and accurate targeting ability. It could quickly enter zebrafish for two-photon fluorescence imaging， and the co-localization coefficient with Lyso-Tracker Green dye was as high as 0.95. Thiazolyl blue tetrazolium bromide（MTT） assay showed that the photosensitizer had low dark toxicity（≥85%） and high photo-toxicity（IC₅₀ was 0.52 μmol/L）. Under the illumination of 660 nm， the reactive oxygen species（ROS） fluorescence probe 2'，7'-dichlorodihydrofluorescein diacetate（DCFH-DA） proved that the photosensitizer could produce ROS， meanwhile， AO/EB staining test and cell migration experiment showed that the generated ROS could not only induce A549 cell apoptosis， but also effectively inhibit tumor cell migration. Therefore， the near infrared photosensitizer IMBDP-Lys has great application potential in two-photon fluorescence imaging and lysosome-targeted photodynamic therapy.

Key words: Indole-boron-dipyrromethene, Near-Infrared photosensitizer, Photodynamic therapy, Two-photon fluorescence imaging, Lysosomal targeting

中图分类号:

O657

TrendMD:

刘苗, 刘瑞波, 刘巴蒂, 钱鹰. 溶酶体靶向吲哚氟硼二吡咯光敏剂的合成、双光子荧光成像及光动力治疗. 高等学校化学学报, 2022, 43(10): 20220326.

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图/表 9

Fig.1 Energy and frontier molecular orbital diagrams of photosensitizer IMBDP?Lys obtained with TD?DFT/CAM?B3LYP/TD?DFT//B3LYP/6?31g(d)/LANL2DZ level based on the optimized ground state geometries at DFT/CAM?B3LYP/6?31G(d)/LANL2DZ level basis set

Fig.2 Absorbance spectrum and fluorescence spectrum of photosensitizer IMBDP?Lys(1×10-5 mol/L) in CH2Cl2(A) and absorbance decrease at 414 nm of DPBF with photosensitizer IMBDP?Lys under 660 nm irradiation(B)

Table 1 UV absorption,emission wavelength, molar absorption coefficient, ΦF and ΦΔ of PS IMBDP-Lys

Dye	λ $a b s m a x$ /nm^a	λ $e x m a x$ /nm^b	10^-4ε^max/（L·mol^-1·cm^-1）^c	Ф_F （%）^d	Φ_Δ（%）^e
IMBDP	533	555	6.1	0.7	71.0
IMBDP?Lys	631	684	6.8	9.7	48.3

Table 1 UV absorption,emission wavelength, molar absorption coefficient, ΦF and ΦΔ of PS IMBDP-Lys

Dye	λ $a b s m a x$ /nm^a	λ $e x m a x$ /nm^b	10^-4ε^max/（L·mol^-1·cm^-1）^c	Ф_F （%）^d	Φ_Δ（%）^e
IMBDP	533	555	6.1	0.7	71.0
IMBDP?Lys	631	684	6.8	9.7	48.3

Fig.3 Two?photon imaging of the photosensitizer IMBDP?Lys(2 μmol/L) in zebrafish(λex=900 nm)

Fig.4 Single?photon imaging of the photosensitizer IMBDP?Lys(2 μmol/L) in A549 cells

Fig.5 Lysosome co?localization image of photosensitizers IMBDP?Lys(1 μmol/L) and Lyso?Tracker Green(1 μmol/L)(A) Green channel; (B) red channel; (C) bright channel; (D) merge channel; (E) intensity scatter plot; (F) fitting diagram of fluorescence intensity.

Fig.6 Cell viability of different concentrations of photosensitizer IMBDP?Lys under 660 nm illumination for 0, 10 and 30 min

Fig.7 Imaging of ROS with photosensitizer IMBDP?Lys（A1—A4） A549 cells+DCFH?DA+without illumination；（B1—B4） A549 cells+DCFH?DA+illumination for 5 min；（C1—C4） zebrafish+DCFH?DA+without illumination；（D1—D4） zebrafish+DCFH?DA+illumination for 5 min.

Fig.8 Photodynamic therapy with photosensitizers IMBDP?Lys in A549 cell（A1—A4） Apoptosis imaging of cell AO/EB dye+without illumination；（B1—B4） AO/EB dye+660 nm light for 5 min； the results of wound?healing assay of A549 cells treated without light（C1—C3） and 660 nm irradiation for 5 min（D1—D3）.

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