药学院储凌课题组合作开发邻硝基苄基的近红外光催化脱笼
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清华新闻网6月24日电 近日，清华大学药学院储凌课题组与深圳市第二人民医院黄卫人课题组合作研究开发了一种由硅罗丹明（SiR）作为光氧化还原催化剂，在近红外光（660nm）触发下实现ONB的高效光脱笼的方法，该方法可以在体外及体内实现ONB的光脱笼，为利用近红外光实现生物系统的时空调控提供了新的工具。
研究表明，脱笼过程通过单电子转移（SET）机制引发硝基还原，随后发生电子级联触发的自消除反应。该技术成功应用于哺乳动物细胞和细菌体系。更重要的是，团队进一步开发了针对非内化性癌细胞表面标志物的抗体-药物偶联物（ADC）的NIR光控前药释放方案，并在荷瘤小鼠模型中验证了其体内应用的有效性。
图1. 近红外光介导的ONB脱笼策略
首先，经过对催化剂和反应条件的系统筛选，确定含羧酸基团的SiR-2为最优催化剂。在无氧条件下，以还原剂NADH作为电子供体，该催化体系能在水环境中高效实现多种底物的光脱笼（表1）。该催化体系成功应用于包括氨基酸、核苷酸、荧光探针、抗癌和抗菌药物及生物大分子在内的数十种底物，均展现出优异的适用性。值得注意的是，传统上对紫外光敏感的叠氮苯和二苯甲酮基团，在NIR光照下也分别实现了99%和82%的高效脱笼，有效规避了紫外光源可能引发的副反应风险。
表1.近红外光介导的ONB脱笼反应的底物范围
为验证在蛋白水平上的脱笼效果，研究将末端含有ONB基团的Halo配体与Halo蛋共价结合，获得蛋白模型复合Halo-HTL-NO₂（图2A）。高分辨质谱分析显示，经NIR光照30分钟后，复合物对应的分子离子峰质量数降低了133.5Da，强有力地证实ONB光笼基团被成功脱除，从而释放出Halo与其配体HTL的复合物（Halo-HTL）（图2B）。
图2.近红外光介导的笼状Halo-Tag蛋白的光脱笼
为阐明光催化脱笼反应的机理，研究人员开展了系统的实验验证。对照实验证实，光催化脱笼反应需同时依赖光照、催化剂SiR-2和还原剂NADH（图3A、B）。自由基捕获实验显示，加入淬灭剂TEMPO可完全抑制反应（图3B），暗示自由基中间体的参与。电子转移路径研究发现，无底物时，蓝色反应液光照10分钟后褪色，停止光照后缓慢复蓝；而无NADH时无此现象（图3C）。吸收光谱验证该颜色变化源于激发态SiR-2* 被NADH还原为无色自由基（PC·⁻）。进一步通过电子顺磁共振（EPR）和质谱分析直接检测到自由基信号，HRMS鉴定出了NADH-DMPO与SiR2-DMPO加合物的生成，证实了自由基的生成。
图3.光催化脱笼机理研究
在活细胞水平的功能验证进一步彰显了该技术的实用性。如图4所示，在缺氧培养的人骨肉瘤细胞（U2OS）中，被ONB基团淬灭的荧光探针MeRho-NO₂经SiR-2催化后荧光信号增强（图4C），流式细胞术定量显示脱笼效率达46%（图4D）。在抗菌实验中，将抗菌药甲氧苄啶（TMP）设计为前药TMP-NO₂，通过在大肠杆菌培养体系使用NIR光照，用于催化药物脱笼释放（图4E）。
图4.在活细胞中验证近红外光催化荧光探针和抗菌药物的脱笼
针对传统抗体偶联药物（ADC）依赖癌细胞抗原内吞才能释放毒素的局限，研究构建了靶向PD-L1抗体（Avelumab）的非内化型ADC（MMAE-NBC-Amab）。该设计利用ONB衍生的NBC连接子桥接抗体与抗癌毒素MMAE，使其仅在NIR光照下脱笼并恢复药物活性。在4T1乳腺癌细胞模型中，缺氧环境下使用NIR光照，结果显示ADC治疗组细胞存活率显著降低，而黑暗对照组则无显著毒性。
图5.近红外光介导的抗体药物偶联物体内和体外光脱笼
综上所述，研究开发了一种基于硅罗丹明（SiR）作为光氧化还原催化剂、通过近红外光（NIR）触发oNB基团脱笼的新型方法。该反应在低氧条件下利用外源NADH作为添加剂高效进行，具有极低的细胞毒性及广泛的底物兼容性。
相关研究成果以“近红外光介导光脱笼邻硝基苄基基团”（Silicon-Rhodamine-Catalyzed Near-Infrared Light-Induced Photodecaging of Ortho-Nitrobenzyl Groups In Vitro and In Vivo）为题，于6月5日发表于《美国化学会杂志》（Journal of the American Chemical Society，JACS）。
清华大学药学院助理教授储凌、深圳市第二人民医院研究员黄卫人为论文共同通讯作者，深圳市第二人民医院博士后闫潇洒为论文第一作者。清华大学药学院杜娟娟、化学系郭兴伟，上海交通大学化学化工学院陈刚，中国科学院化学研究所程靓为本文提供了重要的实验支持。
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