在现代医学领域，肿瘤治疗始终是备受关注的焦点。随着研究的不断深入，光动力疗法（PDT）作为一种具有潜力的肿瘤治疗手段，逐渐走进人们的视野。然而，传统光动力疗法存在着诸如对氧气的高度依赖性、在肿瘤缺氧微环境下细胞凋亡抗性以及免疫抑制性微环境等问题，极大地限制了其在缺氧实体肿瘤治疗中的效果。近期，南京大学郭子建、陈韵聪教授团队发表于《J. Am. Chem. Soc.》的研究成果 —— 一种不依赖氧气的光催化剂（EBSe）通过近红外光诱导铁死亡、细胞焦亡和胀亡的协同作用来增强肿瘤免疫治疗，为这一困境带来了新的突破方向，在肿瘤治疗领域具有重大意义。
一、传统光动力疗法的困境与挑战
传统光动力疗法基于光敏剂在光照条件下与氧气发生反应，产生具有细胞毒性的活性氧（ROS），从而诱导肿瘤细胞凋亡。然而，在实际应用中，这种疗法面临着多重阻碍。肿瘤组织内部通常存在缺氧区域，这使得依赖氧气的传统光动力疗法难以充分发挥作用，导致治疗效果大打折扣。肿瘤细胞在缺氧环境下会启动凋亡抵抗机制，使得传统光动力疗法诱导的细胞凋亡效率降低。肿瘤相关巨噬细胞等免疫细胞在肿瘤微环境中会构筑免疫抑制屏障，阻碍免疫系统对肿瘤细胞的识别和攻击，进一步削弱了传统光动力疗法的治疗效果。这些问题严重制约了传统光动力疗法在缺氧实体肿瘤治疗中的应用，迫切需要开发新的策略来克服这些障碍。
二、EBSe 光催化剂的设计与特性
为了突破传统光动力疗法的困境，研究团队巧妙地对 FDA 获批的亚甲基蓝（MB）进行了硒（Se）和乙基修饰，成功构建了不依赖氧气的光催化剂 EBSe。这种修饰策略具有独特的创新性。硒原子的引入增强了分子的光物理和光化学性质，而乙基修饰则改变了分子的亲脂性，使其更容易穿透细胞膜进入细胞内部。
EBSe 展现出了令人瞩目的光动力特性。在缺氧条件下，EBSe 对 4T1 细胞的光毒性提升超过 2500 倍，光毒性指数（PI）大于 32000，相比亚甲基蓝基准物，其光毒性效能实现了 4 个数量级的突破。EBSe 具有自适应光动力过程，在常氧条件下能够增强 I/II 型活性氧（ROS）的生成，在缺氧条件下则可提高碳自由基的产生。这一特性使得 EBSe 在不同的肿瘤微环境中都能发挥有效的细胞毒性作用，突破了传统光动力疗法对氧气的依赖限制。
图1.（a) EBSe的设计策略及自适应光催化过程；(b) EBSe的作用机制及免疫激活过程
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
三、研究过程
团队首先对四种光敏剂（MB、EB、MBSe 和 EBSe）的吸收/发射光谱以及光物理/光化学特性进行了测试。在甲醇中，EBSe的吸收和发射光谱（λex = 662 nm，λem = 694 nm）相较于MB（λex = 652 nm，λem = 680 nm）略有红移。此外，EB与EBSe的摩尔消光系数明显高于MB和MBSe，且具有良好的化学稳定性。
EB和EBSe的LogP值明显高于甲基取代衍生物MB和MBSe，这与EB和EBSe在PBS溶液中形成更多的H-二聚体的现象相一致。上述结果可能归因于二乙胺基相较于二甲胺基具有更强的给电子能力及更高的亲脂性。MBSe与EBSe的单线态氧量子产率分别达到85%和81%，显著高于MB（52%）和EB（57%）。这些结果主要归因于重原子Se的引入提高了系间窜越（ISC）效率。此外，密度泛函理论（DFT）计算结果进一步显示EBSe相比MB具有明显更大的自旋轨道耦合（SOC）常数及更高的系间窜越速率。
图2. (a) 硒掺杂-乙基修饰的分子工程策略设计EBSe; (b)光催化过程；(c) 吸收/发射光谱；(d-f) 1O2、O2•-与•OH的检测；（g-j）常氧或乏氧下各化合物产生ROS以及碳自由基的EPR图谱；(K) 从乏氧到常氧环境下，碳自由基转换成ROS的时间依赖图；(l) 光催化NADH比较图；(m) 各光敏剂循环伏安图。
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
本研究还评估了四种光敏剂在PBS（pH = 7.4）溶液中的I型ROS生成能力，结果表明，EBSe在O2•- 和•OH的生成能力上均表现出最优异的性能。随后，采用电子自旋共振（EPR）测量了各化合物光诱导的ROS生成能力。相较于MB、EB和MBSe，EBSe显示出最高的活性氧EPR信号。同时，在常氧条件下，EBSe在PBS溶液中表现出最强的•OH信号，并伴随有明显的碳中心自由基信号，在缺氧条件下（氧浓度<1%，真空手套箱中），水溶液中碳自由基的EPR信号占据主导地位。
值得注意的是，在缺氧条件下EBSe产生的碳自由基信号相对稳定，当溶液重新暴露于空气中时，这些碳自由基能够逐渐转化为O2•-和•OH。此外，在近红外（NIR）照射下，四种光敏剂均能够光氧化NADH和四氢蝶呤（BH4），其中EBSe表现出最高的氧化效率。
四、EBSe 的作用机制：多途径协同杀伤肿瘤细胞
细胞摄取与转位
EBSe 具有较高的细胞摄取率，能够通过网格蛋白介导的内吞途径高效进入细胞。有趣的是，在近红外光照射下，EBSe 会经历从溶酶体到细胞核的转位过程。研究人员通过共聚焦显微成像等技术清晰地观察到，未光照时 EBSe 主要聚集于溶酶体，而光照后其与溶酶体标记物的共定位系数锐减，同时与核染料 Hoechst 33342 的共定位系数显著升高，这表明光激活的 EBSe 能够引发溶酶体膜结构崩解，并定向迁移至细胞核。这种独特的细胞内行为为其后续激活多种细胞死亡途径奠定了基础。
激活铁死亡、细胞焦亡和胀亡
EBSe 在细胞内的转位引发了一系列关键的细胞变化，进而激活了铁死亡、细胞焦亡和胀亡三种非凋亡途径。在铁死亡方面，EBSe 导致铁死亡核心调控蛋白 GPX4 表达量呈浓度依赖性衰减，同时抗氧化物质 GSH 水平下降，促使脂质过氧化产物增多，最终引发铁死亡。细胞焦亡方面，EBSe 触发 caspase - 1 依赖的焦亡程序，使细胞裂解液中 GSDMD - N 端活性片段增加，培养基中 IL - 1β、IL - 18 等促炎因子浓度显著提升，同时伴随着 ATP/LDH 的大量释放。胀亡方面，EBSe 光激活后，细胞出现线粒体嵴结构消失、基质空泡化，内质网腔显著扩张，染色质凝聚呈新月状分布等特征，胞质 Ca²⁺浓度瞬时升高，线粒体膜电位 ΔΨm 下降，ATP 合成率降低，胀亡执行蛋白 Porimin 在细胞膜表面表达量上调。
协同作用增强抗肿瘤免疫反应
这三种非凋亡途径并非孤立发挥作用，而是相互协同，产生了强大的抗肿瘤效应。它们共同释放损伤相关分子模式（DAMPs），这些分子能够激活机体的免疫系统，吸引免疫细胞如 CD4⁺/CD8⁺ T 细胞、成熟树突细胞（DCs）等向肿瘤部位浸润，增强抗肿瘤免疫反应。通过这种多途径协同的方式，EBSe 有效地克服了肿瘤细胞的凋亡抗性，打破了免疫抑制微环境，为肿瘤免疫治疗开辟了新的路径。
图3. (a) EBSe在近红外光诱导下从溶酶体向细胞核的迁移示意图；(b) 细胞摄取效率；(c) 细胞内O2•-及ROS检测共聚焦图；(d) 活死细胞染色共聚焦图；(e) 光诱导EBSe在细胞内迁移共聚焦图；(f-g) 细胞器共定位图及共定位系数；(h) 添加不同浓度的DNA片段后EBSe的吸收光谱; (i) 细胞中DNA损伤特征蛋白γ-H2AX水平的WB印迹分析；(j) 凝胶电泳检测EBSe在光照射后对DNA的光氧化损伤。
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
五、实验验证与效果评估
体外实验验证
研究团队通过一系列体外实验对 EBSe 的性能和作用机制进行了深入验证。在光谱特性及光物理化学行为研究中，发现 EBSe 相较 MB 展现出显著的红移现象，摩尔消光系数提升约 40%，单线态氧量子产率达 81%，系间窜越速率常数提高两个数量级，这些特性为其高效的光动力作用提供了理论基础。在细胞实验中，对比了 EBSe 与其他光敏剂（MB、EB、MBSe）对 4T1 肿瘤细胞的光毒性，结果显示 EBSe 在常氧和缺氧条件下光毒性稳定，且在缺氧状态下对 4T1 细胞的光敏杀伤效率较 MB 提升了 2500 倍以上，充分证明了其优异的光动力性能。
图4. (a) EBSe的PDT过程诱导多种细胞死亡途径示意图；(b-d) EBSe光诱导细胞发生铁死亡相关验证；(e-h) EBSe光诱导细胞发生焦亡相关验证；(i-o) EBSe光诱导细胞发生胀亡相关验证。
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
体内实验评估
为了进一步评估 EBSe 在实际肿瘤治疗中的效果，研究团队构建了多模态 4T1 荷瘤小鼠模型。在单侧瘤体干预实验中，EBSe - PDT 组瘤体体积较对照组缩减 72.4%，较 MB - PDT 组提升超 2 倍；在双侧肿瘤模型中，原发灶与远端转移灶的肿瘤抑制率分别达到 68.2% 和 75.6%。免疫表型分析表明，EBSe 能够重塑肿瘤免疫微环境，使引流淋巴结中成熟树突细胞比例提升至 40.19%，效应性 CD8⁺ T 细胞浸润比例达 10.44%，辅助性 CD4⁺ T 细胞比例从 7.89% 跃升至 23.14%，同时调节血清细胞因子谱，促进 TNF - α、IFN - γ 及 IL - 6 等促炎因子分泌，降低免疫抑制性 IL - 10 水平。这些体内实验结果充分展示了 EBSe 在增强肿瘤免疫治疗方面的显著效果。
图5. (a-b) 体内抗肿瘤PDT和免疫反应评估示意图；(c) 治疗和手术切除后原发性和远端肿瘤的照片；(d-e) PDT治疗期间和治疗后原发性和远端肿瘤的体积和重量；(f-g) PDT治疗后不同组小鼠肿瘤和淋巴结中免疫指标流式细胞术检测
（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）
六、研究意义与展望
（一）理论意义
南京大学郭子建、陈韵聪教授团队关于不依赖氧气的光催化剂 EBSe 的研究成果，对于肿瘤治疗领域具有多方面的重要意义。
从治疗策略角度来看，EBSe 的开发为肿瘤免疫治疗提供了一种全新的思路和方法，打破了传统光动力疗法对氧气的依赖，有效克服了缺氧肿瘤的凋亡抵抗和免疫抑制微环境问题，为缺氧实体肿瘤的治疗带来了新的希望。从药物研发角度，为开发高性能、具有临床转化潜力的缺氧肿瘤光催化剂提供了可靠的策略，为后续新型光敏剂的设计和开发提供了重要的参考依据。从基础研究角度，深入揭示了光催化剂诱导铁死亡、细胞焦亡和胀亡协同作用的机制，丰富了肿瘤治疗的理论基础。
（二）未来研究方向展望
尽管该研究取得了重要突破，但仍有许多方面值得进一步探索。在光催化剂的优化方面，未来研究可以致力于进一步提高 EBSe 的光催化效率和选择性，通过结构修饰等手段增强其在肿瘤细胞中的靶向性，减少对正常细胞的损伤。在联合治疗策略方面，探索 EBSe 与其他肿瘤治疗方法（如化疗、放疗、免疫检查点抑制剂等）的联合应用，有望发挥协同效应，进一步提高肿瘤治疗效果。在临床转化研究方面，需要开展更多的动物实验和临床试验，评估 EBSe 的安全性和有效性，为其最终应用于临床肿瘤治疗奠定坚实的基础。
七、文献信息
文献标题：Photoinduced Synergism of Ferroptosis/Pyroptosis/Oncosis by an O2-Independent Photocatalyst for Enhanced Tumor Immunotherapy
作者：Shankun Yao, Fengwu Xu, Ying Wang, Jizhen Shang, Shumeng Li, Xinyu Xu, Zhipeng Liu, Weijiang He, Zijian Guo, Yuncong Chen
发表期刊：Journal of the American Chemical Society
DOI：10.1021/jacs.4c17268
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.4c17268
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