阳离子酞菁结构对其在脂质膜中的吸附性能和光动力效应的影响

《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Influence of the structure of cationic phthalocyanines on their adsorption and photodynamic efficacy in lipid membranes

阳离子酞菁的取代基数量和金属中心类型影响其在脂质膜中的吸附与光动力疗效。研究显示八价取代物吸附较弱，而Zn2+/Mg2+中心增强与膜磷脂的相互作用，使分子更深入膜内，从而提升疗效。

　　

A.N. 康斯坦丁诺娃 | D.D. 齐科娃 | D.A. 布宁 | M.P. 斯捷潘诺娃 | E.K. 乌罗德科娃 | A.G. 马尔蒂诺夫 | Y.G. 戈尔布诺娃 | V.S. 索科洛夫 | O.V. 巴蒂谢夫

俄罗斯科学院弗鲁姆金物理化学与电化学研究所，列宁大街31-4号，119071莫斯科，俄罗斯

摘要

阳离子酞菁因其在多种应用中的高效性而闻名，可以作为开发最有效的光动力疗法（PDT）和抗菌光动力疗法（aPDT）光敏剂的基础。在本研究中，我们研究了带有4-((二乙基甲基铵)甲基)苯氧基取代基的四阳离子和八阳离子酞菁及其与Mg(II)和Zn(II)形成的复合物，特别关注它们的聚集行为、与脂质膜的结合以及在脂质环境中的光动力效果。实验表明，具有八个阳离子取代基的分子比只有四个取代基的分子吸附效果较差。与磷脂中的磷酸基团的相互作用解释了含有金属阳离子Zn2?或Mg2?的酞菁比无金属酞菁具有更高的结合常数。尽管带有电荷，但酞菁分子在吸附到脂质膜后主要位于脂质头部区域。关于酞菁在脂质膜中的光动力活性的实验清楚地表明，在这种情况下，其光动力效果主要由其与膜的结合亲和力决定，而非其他因素。

引言

光敏剂（PSs）是一类在光照下能够生成活性氧（ROS），包括单线态氧（SO）的分子。光敏剂被广泛用于癌症治疗[1]、[2]、[3]，以及对抗细菌[1]、[4]、[5]、[6]、[7]、病毒[8]、[9]和真菌[11]、[12]、[13]。光敏剂的适用性取决于多个因素，如光吸收光谱、单线态氧的产额以及针对病原细胞的靶向性。一个紧迫的任务是确定影响光敏剂与细胞膜结合、定位和取向的结构要素。最近的研究表明，无论作为抗肿瘤还是抗菌化合物使用，光敏剂都必须与细胞膜结合[14]、[15]、[16]。现代生物物理方法，如EPR光谱[17]、[18]、脂质体中单线态氧荧光淬灭的分析[19]、[20]以及分子动力学[21]、[22]，都令人信服地证明了光敏剂的结构决定了其在膜内的定位，从而直接影响膜组分的氧化效果。根据这些数据，最活跃的光敏剂是那些能够深入渗透脂质双层的分子。光敏剂在膜内的渗透深度和取向取决于附着在中心大环上的带电和非极性侧基团的数量和空间分布，这一点通过阳离子卟啉的分子动力学模拟得到了证实[21]、[22]。定位的差异会影响光敏剂诱导的脂质氧化效果，尤其是当双键位于疏水核心深处时[17]。这些发现与荧光淬灭数据一致，表明光敏剂的效果随着其在膜中的渗透深度增加而提高[19]、[20]，因为单线态氧的寿命较短，这限制了其对光敏剂附近区域的损伤[23]。 酞菁（Pcs）由于在光治疗窗口（650–800 nm）内具有强烈的光吸收（ε > 10^5 M^-1 cm^-1 [24]）以及在杀死肿瘤[25]、[26]、[28]细胞和细菌细胞[7]、[22]、[24]、[25]方面的有效性而受到广泛关注。酞菁在水溶液中通常会聚集，这会降低其光动力效果；然而，最近的研究表明，这些聚集体在与生物分子和细胞组分相互作用时可以解离[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。另一种减少酞菁聚集的方法是增加分子上的带电侧基团数量。然而，这也可能影响光敏剂与膜的结合，我们在卟啉的例子上也证明了这一点，即用于aPDT的最有效分子必须深入渗透到细菌脂质膜的疏水核心[22]，因此光敏剂的电荷需要适当平衡。 模型脂质系统，如双层脂质膜和脂质体，便于研究光敏剂的结合及其光动力效果。如果分子带有电荷或偶极矩，可以通过测量膜/水界面的电边界电位来研究其吸附情况[33]、[34]。利用这种方法，我们证明了大环中心阳离子的性质显著影响基于卟啉的光敏剂与膜的结合[15]、[16]。同时，带电取代基的数量影响它们在膜内的位置和取向[14]、[15]、[35]、[36]。此外，通过测量膜电位可以评估光敏剂在膜上的光动力效果，即通过估算嵌入膜中的单线态氧目标的氧化速率[14]、[35]、[36]。 在这项研究中，我们使用双层脂质膜和脂质体研究了阳离子酞菁与膜的结合亲和力及其在膜内的定位。研究了带有4-((二乙基甲基铵)甲基)苯氧基取代基的四阳离子和八阳离子酞菁及其与Mg(II)和Zn(II)形成的复合物[37]（图1）。还评估了这些光敏剂在膜上的聚集行为。这些结果揭示了阳离子酞菁的结构特征对其在脂质膜中的吸附和光动力效果的影响。

材料

四阳离子和八阳离子酞菁及其与Mg(II)和Zn(II)形成的复合物按照先前的方法合成[28]、[37]、[38]。为了确定DMSO储备溶液中酞菁的浓度，使用Jasco V-770分光光度计在室温下记录了它们在250–900 nm范围内的紫外和可见光区域的吸收光谱，使用的是Hellma QS型矩形石英比色皿，光程为10 mm。

酞菁在脂质体上的荧光

在我们的研究中，我们最初调查了四阳离子和八阳离子酞菁在脂质体存在下的荧光行为。然而，由于四阳离子酞菁在水缓冲液中的荧光未被完全淬灭，因此无法对其在膜中的分配进行定量分析。因此，我们将定量荧光分析集中在八阳离子酞菁上，因为它们在水相中表现出强烈的荧光抑制。

讨论

本研究全面分析了所研究的酞菁的结构修饰对其与脂质膜亲和力和光动力效果的影响。结果不仅证实了先前建立的规律，还揭示了这些光敏剂与生物膜之间相互作用的新机制——这些发现对于合理设计改进的光动力疗法剂至关重要。 一个关键的观察结果是，八阳离子酞菁...

CRediT作者贡献声明

A.N. 康斯坦丁诺娃：撰写初稿、进行研究、数据管理。 D.D. 齐科娃：进行研究、数据管理。 D.A. 布宁：资源获取、进行研究。 M.P. 斯捷潘诺娃：进行研究。 E.K. 乌罗德科娃：进行研究。 A.G. 马尔蒂诺夫：撰写、审稿与编辑、进行形式分析、数据管理。 Y.G. 戈尔布诺娃：撰写、审稿与编辑、争取资金、数据管理。 V.S. 索科洛夫：撰写初稿、验证、监督、软件使用、进行形式分析、概念化。 O.V. 巴蒂谢夫：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了俄罗斯科学基金会在阳离子酞菁合成部分（项目编号#24–13-00479）和俄罗斯联邦科学与高等教育部在生物电化学测量部分（项目编号#125012000470–0）的支持。