黄怀义副教授、籍少敏教授团队：红光激发的钌光催化剂干预肿瘤细胞物质合成代谢实现治疗多种耐药肺癌细胞

肿瘤细胞通过代谢重编程在营养物质匮乏的环境中存活、生长和增殖。还原型辅酶II（NADPH）是活细胞数百种酶催化反应的重要递氢体，参与建立肿瘤代谢重编程的化学生物学过程。中山大学黄怀义副教授和广东工业大学籍少敏教授团队报道了一种红光激发的双三齿配位钌光催化剂Ru3，通过光催化氧化NADPH，显著抑制肿瘤细胞生物合成，实现了对多种耐药性肿瘤细胞的高效光催化治疗，在干预肿瘤代谢重编程中具有巨大的应用潜力。

还原型辅酶II（NADPH）是调控细胞氧化还原平衡以及脂质、核酸等生物合成代谢的关键辅酶，研究发现癌细胞中NADPH水平高于健康细胞。开发辅酶光催化氧化机制的抗癌药物，通过使用催化剂量和光调控，可显著提高肿瘤治疗的时空选择性。新颖的催化抗癌机制还有助于克服代谢重编程导致的肿瘤耐药性。因此，针对NADPH光催化剂的系统设计、理论计算以及阐明耗竭辅酶导致细胞代谢组学变化具有重要研究意义。

近日，黄怀义副教授和籍少敏教授团队开发了一种红光激发的双三齿配位钌光催化剂Ru3。在635 nm光照射下，Ru3高效催化耗竭肿瘤细胞的NADPH，通过下调肿瘤细胞多肽、脂质和甘油磷脂代谢，对多种耐药肺癌细胞显示出高光催化治疗活性，并且在斑马鱼模型中显示出良好的生物相容性（图1）。

图1. 本研究中双三齿Ru（II）配合物结构及抗肿瘤机制示意图

首先，设计合成了一系列双三齿配位体系的钌光催化剂Ru1-Ru3。Ru3相比传统的双齿配位体系金属光催化剂具有构型专一、无对映异构体的显著优点。通过拓宽三齿配体的离域共轭效应显著提高激发态电子跃迁效率，获得末端吸收延伸至近红外光区域（图2a）的新型金属光催化剂Ru3。利用纳秒瞬态吸收光谱研究发现，Ru3的最低三重激发态是MLCT³，受LLCT³影响，其三重激发态寿命为200纳秒（图2b-c），显著长于传统的双三齿配位金属光催化剂Ru1，表明通过引入配体电荷跃迁机制能够调控金属光催化剂的激发态。相对临床光敏剂Ce6，Ru3表现出更高的光/暗稳定性（图2d），在室温下具有近红外磷光发射性能（图2e），并在乏氧环境中能够显著提高磷光发射性能（图2f）。

图2. Ru1-Ru3光物理性质研究

同时，基于密度泛函理论计算，发现Ru3与Ru1、Ru2相比具有较高的HOMO能级，因此Ru3具有更高的电子转移和NADPH光催化效率（图3a-d）。通过电子波函数和空穴电子分析计算，发现Ru1-Ru3配合物具有较低的系间窜越（ISC）能隙，Ru1-Ru3的三重激发态能级（1.86-2.25 eV）均高于产生单线态氧所需能量（1.1 eV），且Ru3中芘修饰配体提高了激发态的配体内电荷转移效率（图3e），因此Ru3表现出更高的三重态量子产率，ABDA单线态氧生成实验验证了预测（图3f）。总之，这些研究表明通过系统调控HOMO-LUMO以及配体的三重激发态，获得高效的红光激发光催化剂和光敏剂Ru3。

图3. Ru1-Ru3能级计算与实验验证

接着，进一步评估Ru3抗癌活性以及进行作用机制的研究（图4）。细胞毒性实验发现，Ru3对顺铂、5-氟尿嘧啶及紫杉醇耐药的A549肺癌细胞具有极高的光催化治疗活性(光治疗指数PI = 191-833)。通过亚细胞器荧光共定位实验发现Ru3主要分布于肿瘤细胞的细胞质。利用单线态氧和超氧阴离子探针进一步证实在红光照射下，Ru3能够在耐药肿瘤细胞内产生多种活性氧，同时显著降低细胞内NADPH和ATP水平。进一步通过细胞代谢组学研究发现，由于Ru3可光催化耗竭肿瘤细胞的NADPH和ATP，而NADPH在生物合成中为关键代谢底物，因而可观察到肿瘤细胞多肽、脂质及甘油磷脂的生物合成代谢受到显著抑制。

图4. Ru3细胞毒性机制研究

综上所述，Ru3是一种红光激发、具有多种三重激发态、激发态寿命长和室温近红外磷光发射的新型抗肿瘤金属光催化剂，可通过光诱导NADPH和ATP耗竭引起肿瘤细胞代谢紊乱，克服非小细胞肺癌细胞耐药性，并且具有优异的生物相容性。相关研究工作为开发干扰肿瘤细胞生物合成和物质代谢的新型药物，提供理论基础和重要参考。

中山大学药学院（深圳）硕士研究生魏思琪，广东工业大学轻工化工学院梁辉博士和中山大学药学院（深圳）硕士研究生刀安怡为论文共同第一作者，通讯作者为籍少敏教授和黄怀义副教授。

详见：Wei SQ, Liang H, Dao AY, Xie YZ, Cao FS, Ren QY, Yadav AK, Kushwaha R, Mandal AA, Banerjee S, Zhang PY, Ji SM*, Huang HY*. Perturbing Tumor Cell Metabolism with Ru(II) Photo-redox Catalyst to Reverse Multidrug Resistance of Lung Cancer. Sci China Chem., 2023, doi: 10.1007/s11426-022-1496-0.

扫描二维码或点击左下角“阅读原文”可查阅全文。

         扫描二维码免费阅读全文

【通讯作者简介】

黄怀义，中山大学副教授，博士生导师，广东省杰出青年基金获得者。主要研究方向为肿瘤能量和物质代谢重编程的分子机制，开发了肿瘤光催化治疗策略。以金属光催化剂为光激活的化学工具，扰乱肿瘤细胞的电子传递和物质合成基础，实现肿瘤代谢重编程的时空调控，为光活化金属抗肿瘤药物研究提供了全新的策略。相关研究成果以第一或通讯作者发表于Nat. Chem.、Angew. Chem. Int. Ed.、Sci. China Chem.、Coord. Chem. Rev.、Biomaterials等国内外权威学术期刊发表60余篇论文，获得11项金属药物中国发明专利授权。

籍少敏，广东工业大学教授，博士生导师，广东省青年珠江学者，广东省杰出青年基金获得者。2011年博士毕业于大连理工大学，先后赴澳大利亚墨尔本大学和德国雷根斯堡大学从事博士后研究，主要从事有机三重态光功能材料激发态的调控及其应用研究，迄今发表SCI论文110余篇，h-指数46。获辽宁省自然科学一等奖、辽宁省自然科学学术成果特等奖等。

【扩展阅读】