PACE 近红外连续激发机制实现高能光催化与体内抗肿瘤免疫
Packing-accelerated consecutive NIR excitation (PACE) enables high energy photocatalysis and antitumor immunity in vivo.
研究人员提出 PACE(致密堆积加速连续激发)机制,利用自组装钌配合物 Ru-3 在 808 nm/1310 nm 双波段近红外光照射下实现高能单电子转移催化。该体系通过氧化线粒体 NADH 为 NAD+,诱导 cGAS-STING 依赖的细胞焦亡,并将肿瘤相关巨噬细胞重编程为 M1 表型。在多种小鼠肿瘤模型中,PACE 光催化引发显著抗肿瘤免疫,导致肿瘤消退且全身毒性较低。
光催化以时空精度见长,在光动力治疗、前药激活与邻近标记等生物场景中已有诸多示范 [5,6],但高能光化学与深组织穿透之间始终存在根本矛盾:紫外-可见光足以驱动单电子转移(SET)与能量转移,却穿透浅、光毒性大;近红外光穿透好,单光子能量却仅约35 kcal/mol。为跨越能量鸿沟,双光子激发结合纳米技术被广泛用于近红外光动力治疗 [1,7],但如本文作者所指出的,它依赖高强度脉冲激光、且多以能量转移机制为主,反应范围受限;三重态-三重态湮灭上转换虽实现了红外光驱动的光氧化还原 [4],高效体系则依赖对敏化剂与湮灭剂能级的精细调控匹配 [3];conPET又受制于氧敏感中间体。在治疗端,Ir(III)光催化剂曾通过氧化NADH在缺氧癌细胞中实现不依赖氧的杀伤 [2]。按作者的梳理,超过900 nm、同时具备深组织兼容、耐氧与SET级驱动力的策略此前并不存在,这正是本文的出发点。
论文提出“堆积加速的连续激发”(PACE):在前期D-A-D分子H7基础上构筑的自组装钌配合物Ru-3形成纳米颗粒后,致密J-堆积稳定了约1315 nm处的三重态激发态吸收,飞秒瞬态吸收测得其寿命可达约14 ns;先以808 nm激发、再以1310 nm连续激发可抵达更高能三重态,ESR显示双波长下电荷分离增强。水相中双波长使NADH光氧化的转化数提高约1.84倍,激发态还原电位+1.21 V(vs NHE)足以氧化NADH(+0.93 V);缺氧条件下细胞色素c可充当替代电子受体。钌体系在近红外下催化化学反应并非无例可循,MOF-Ru1就曾在740 nm下驱动多种有机反应[8],而PACE把激发波长推进到NIR-IIa并落到活体SET催化。细胞实验中,双波长使NAD+/NADH比值升高3.88倍,诱发mtDNA释放、cGAS-STING激活与GSDMD介导的焦亡,4T1细胞焦亡指数达41.76%,约为单用808 nm的3.1倍,并将M2巨噬细胞重极化为M1样表型。体内NADH光氧化可穿透6 mm类组织模型;在乳腺癌与头颈鳞癌模型中,40%荷瘤鼠肿瘤近乎完全消退,CD8+记忆T细胞由16.29%升至49.88%,调节性T细胞由20.76%降至6.90%。
相对已有认识,PACE绕开了近红外催化的三重瓶颈——光子能量不足、电荷复合快、依赖氧或精确能级匹配——既不需要脉冲激光,也无需脱氧条件。焦亡与cGAS-STING通路的同步光激活作为靶向光免疫治疗策略此前已有报道[9];本文的差别在于以上游线粒体氧化还原崩塌为触发,把NIR-IIa光化学与抗肿瘤免疫串成一条完整的因果链。
未尽之处同样清晰:穿透6 mm类组织时反应程度已随厚度递减,更深的实体病灶仍是挑战;更高能三重态的能级结构与跃迁细节有待更精细的光谱和理论刻画;第50天肾脏仍可检出约0.109%注射剂量的钌,长期蓄积风险以及1310 nm光源的临床剂量学,都留待后续工作回答。
- 1.Two-photon excitation nanoparticles for photodynamic therapy · Chem Soc Rev 2016
- 2.Targeted photoredox catalysis in cancer cells · Nat Chem 2019
- 3.Highly Effective Near-Infrared Activating Triplet-Triplet Annihilation Upconversion for Photoredox Catalysis · J Am Chem Soc 2020
- 4.Photoredox catalysis using infrared light via triplet fusion upconversion · Nature 2019
- 5.Targeted activation in localized protein environments via deep red photoredox catalysis · Nat Chem 2023
- 6.Near Infrared Light-Triggered Photocatalytic Decaging for Remote-Controlled Spatiotemporal Activation in Living Mice · Angew Chem Int Ed Engl 2023
- 7.Derivatized Benzothiazoles as Two-Photon-Absorbing Organic Photosensitizers Active under Near Infrared Light Irradiation · J Am Chem Soc 2023
- 8.Near-infrared light photocatalysis enabled by a ruthenium ... · pmc.ncbi.nlm.nih.gov 2026
- 9.Simultaneous Activation of Pyroptosis and cGAS-STING ... · pubmed.ncbi.nlm.nih.gov 2026
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