樊睿梟，李剛鋒，崔漢楠，宋健，王騰蛟

（西北工業(yè)大學(xué) 柔性電子研究院，西安 710072）

0 引言

內(nèi)源性氣體信使分子是指人體內(nèi)源性產(chǎn)生的具有類氣體物化屬性的第二信使分子，包括一氧化氮（Nitric Oxide，NO）［1］、一氧化碳（Carbon Monoxide，CO）［2］和硫化氫（Hydrogen Sulfide，H2S）［3］等，這些氣體信使分子在生物體內(nèi)發(fā)揮著重要的生理和病理調(diào)節(jié)作用［4］，其潛在治療能力引起了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。CO 是一種無(wú)色、無(wú)味的氣體，通常由一些含碳化合物的不完全燃燒產(chǎn)生。過(guò)去，CO 被認(rèn)為是一種有毒氣體，過(guò)量吸入CO 會(huì)導(dǎo)致CO 與血紅蛋白結(jié)合形成碳氧血紅蛋白（COHb）［5］，使氧氣無(wú)法與血紅蛋白正常結(jié)合，從而阻礙了氧氣運(yùn)輸?shù)浇M織和器官，導(dǎo)致組織和器官缺氧，最終可能導(dǎo)致呼吸困難甚至死亡。雖然在高濃度下CO 氣體對(duì)人體有危害，但在適當(dāng)濃度下，CO 氣體信使分子也能在細(xì)胞行為調(diào)控以及疾病治療中發(fā)揮重要作用。據(jù)報(bào)道，CO 相關(guān)氣體療法已經(jīng)在心血管舒張、抗炎、抗癌和抑制細(xì)胞凋亡等［6-7］領(lǐng)域取得一定進(jìn)展，如圖1 所示。

圖1 CO 氣體信使及其生理調(diào)節(jié)作用Fig. 1 The regulatory effect of CO on organisms

由于CO 氣體分子具有生理半衰期短、傳輸距離有限以及生理濃度難以控制等缺點(diǎn)，無(wú)法達(dá)到理想的治療效果，因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)CO 更精確地調(diào)控并更高效利用其治療作用，近年來(lái)人們?cè)O(shè)計(jì)合成了一系列可釋放一氧化碳的供體分子（Carbon Monoxide Releasing Molecules，CORMs）［8］。與直接使用CO 氣體吸入給藥相比，CORMs 具有較好的穩(wěn)定性，可以避免CO 濃度過(guò)高產(chǎn)生的生物安全性危害。此外，CORMs 分子結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)化學(xué)修飾和藥物載體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)靶向遞送，從而實(shí)現(xiàn)多功能和多目的治療［9］。

目前的研究中，CORMs 釋放CO 行為動(dòng)力學(xué)通常因其具體結(jié)構(gòu)而異。傳統(tǒng)CORMs 以金屬羰基化合物為主，它包含一個(gè)中心金屬離子和一個(gè)或多個(gè)配體。其配體通常是CO，通過(guò)配位鍵與金屬離子形成配位化合物，而中心金屬離子通常是過(guò)渡金屬，如鐵（Fe）［10］、錳（Mn）［11］、釕（Ru）［12］等，配體除了CO 本身，也可以是其他有機(jī)分子，如吡啶［13］、吡咯硼（BODIPY）［14］等。其中，五羰基合鐵（Fe（CO）5）是常用的CORMs 之一，其中鐵離子與五個(gè)CO 配體形成配位化合物，其CO 釋放方式主要通過(guò)配體交換來(lái)實(shí)現(xiàn)。而其他基于配位鍵形成的CORMs 結(jié)構(gòu)可以通過(guò)調(diào)節(jié)配體的選擇和配位方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)CO 釋放行為的調(diào)控。此類CORMs 釋放CO 行為還包括熱解［15］、光解［16-18］、pH 響應(yīng)［19］和氧化敏感解離［20］等方式，通過(guò)了解CORMs 的釋放方式可以從多維度加深對(duì)它的理解，從而拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。過(guò)去已有相關(guān)的綜述對(duì)傳統(tǒng)CORM［21-22］和光響應(yīng)一氧化碳供體分子（Photo-CORMs）［23］進(jìn)行總結(jié)。作為此類綜述的補(bǔ)充，本文主要側(cè)重于近年來(lái)有機(jī)光響應(yīng)一氧化碳供體分子（Organic Photo-CORMs）的相關(guān)研究，并對(duì)其具有的相關(guān)性質(zhì)及應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，同時(shí)，對(duì)未來(lái)該領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行總結(jié)與展望。

1 Photo-CORMs 的分類

Photo-CORMs 是指在特定波長(zhǎng)的激光照射下釋放CO 的一類CORMs，由于其高效、安全、可控性等優(yōu)點(diǎn)，這種光響應(yīng)性CO 釋放機(jī)制使得Photo-CORMs 在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。在設(shè)計(jì)和選擇Photo-CORMs 時(shí)，需要考慮結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系，并根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化，如圖2 為幾種典型的金屬羰基Photo-CORMs。目前為止，已經(jīng)記錄了兩種類型的Photo-CORMs，包括金屬羰基和有機(jī)小分子。例如，一種釕（II）的單羰基和二羰基絡(luò)合物［24］，其結(jié)構(gòu)為［Ru（Cl）（CO）（qmtpm）（PPh3）］BF4和［Ru（Cl）（CO）2（qmtpm）］ClO，其中Ru 中心與羰基形成的配合物與三齒配體2-喹啉-N-（2'-甲硫基苯基）亞甲基亞胺（qmtpm）以經(jīng)向方式結(jié)合，其在300～450 nm 范圍內(nèi)的低功率（3～15 mW）光照射下會(huì)迅速釋放CO，在360 nm 波長(zhǎng)光的照射下，［Ru（Cl）（CO）2（qmtpm）］ClO 的乙腈溶液也能迅速釋放CO。另外，還有一種名為MnBrCORM 的金屬羰基類Photo-CORMs 的結(jié)構(gòu)分別為Fac-［MnBr（CO）3（NIF）］和Fac-［MnBr（CO）3（NTZ）2］［25］。當(dāng)這些MnBrCORM 受到525 nm 綠光照射時(shí)，配合物分子發(fā)生光解反應(yīng)進(jìn)而導(dǎo)致CO 釋放。盡管金屬中心Photo-CORMs 具有許多優(yōu)點(diǎn)，但其最大的限制在于在生理?xiàng)l件下配體的快速交換而導(dǎo)致CO 的過(guò)早釋放，進(jìn)而無(wú)法達(dá)到理想的治療效果。同時(shí)，傳統(tǒng)金屬中心Photo-CORMs 在應(yīng)用中也存在一些缺陷，如高成本、穩(wěn)定性差、選擇性差和內(nèi)在毒性等。

圖2 幾種典型的金屬基CORMs 的結(jié)構(gòu)Fig. 2 Several typical structures of metal based CORMs

無(wú)金屬有機(jī)Photo-CORMs，如環(huán)芳α-二酮類（Cyclic Aromatic ɑ-Diketones）［26］、熒光素類（Fluorescein Analogs）［27］、黃酮醇類（Flavonols）［28］和3-羥基苯并［g］喹諾酮類（3-Hydroxybenzo-［g］quinolones）［29］（圖3）等，引起了人們的研究興趣。這些有機(jī)Photo-CORMs可以有效地避免金屬中心Photo-CORMs的上述缺點(diǎn)，可以被從紫外到近紅外的光激活來(lái)實(shí)現(xiàn)CO 的釋放。且這些有機(jī)物通常具有較好的生物相容性，能夠在生物體內(nèi)發(fā)揮作用而不引起明顯的毒副作用，這一特點(diǎn)對(duì)于將它們用于藥物遞送系統(tǒng)或其他生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用非常重要。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和修飾上，這些有機(jī)物具有很高的靈活性。使得研究人員可以根據(jù)具體需求來(lái)設(shè)計(jì)和優(yōu)化CO 釋放供體的性能，以實(shí)現(xiàn)更好的生物應(yīng)用效果。

圖3 具有代表性的有機(jī)Photo-CORMs 及其它們的典型活化波長(zhǎng)Fig. 3 Representative organic Photo-CORMs and their typical activation wavelengths

1.1 環(huán)芳α-二酮類

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于無(wú)金屬有機(jī)Photo-CORMs 的研究，主要源自于1972 年CHAPMAN O L 等提出的一篇關(guān)于利用光化學(xué)轉(zhuǎn)化合成σ-內(nèi)酯的文章［30］，通過(guò)將4，4-二正丁基-1，2-二氧基-3，5-二酮的純凈液體，在77 K 下同時(shí)配備真空罩和杜瓦瓶的紅外線空間中，使用800 W 高壓石英光學(xué)汞弧照射，導(dǎo)致起始物質(zhì)迅速光解形成二氧化碳和σ-內(nèi)酯，通過(guò)再次輻射σ-內(nèi)酯就會(huì)產(chǎn)生CO 和相應(yīng)的酮產(chǎn)物。

2013 年，王朝明等報(bào)道了一種包封在膠束中的不飽和環(huán)α-二酮（DKs）作為可見(jiàn)光波長(zhǎng)激發(fā)的Photo-CORMs［26］。實(shí)驗(yàn)研究了DKs 在DMSO、乙腈和DCM 溶液中的光化學(xué)反應(yīng)，其紫外可見(jiàn)光譜表明三種化合物均發(fā)生了預(yù)期的光反應(yīng)。DK3 在DMSO 中的吸收光譜如圖4 所示，n-π*躍遷的吸收在400～550 nm 之間，最大吸收光譜（λmax）在465 nm 處。用470 nm LED 陣列照射10 min 后，DK3 的吸收完全消失，紫外-可見(jiàn)光譜與DK3 釋放CO 后的產(chǎn)物2，6-雙（辛氧基）蒽相匹配，說(shuō)明其在有機(jī)溶劑中定量發(fā)生了光響應(yīng)釋放CO 的反應(yīng)。值得一提的是，與許多多環(huán)芳烴不同，蒽不會(huì)產(chǎn)生急性細(xì)胞毒性、致癌性及誘變性，有利于其在治療方面的應(yīng)用。

圖4 在470 nm 處照射前后DK3 在DMSO 溶液中的吸收Fig. 4 Absorption of DK3 in DMSO solution before and after irradiation at 470 nm

1.2 黃酮醇類

黃酮醇是一種存在于許多水果和蔬菜中的天然化合物。其中，槲皮素作為人類飲食中一種豐富的黃酮醇，因其強(qiáng)大的抗炎、抗氧化和抗癌特性而被廣泛研究。據(jù)報(bào)道，槲皮素的核心骨架3-羥基黃酮在紫外線照射條件下會(huì)以光化學(xué)方式釋放CO，因此黃酮醇類化合物可以看作一類優(yōu)良的Photo-CORMs。

2017 年LAZARUS L S 等［31］報(bào)道了一種化學(xué)/光子雙驅(qū)動(dòng)邏輯門Photo-CORMs（SL-PhotoCORM）。他們通過(guò)在3-OH 位置引入丙烯酰氯來(lái)官能化擴(kuò)展的黃酮醇。這種擴(kuò)展的黃酮醇類Photo-CORMs 通過(guò)AND 邏輯門操作，首先通過(guò)檢測(cè)硫醇來(lái)感測(cè)細(xì)胞環(huán)境，然后在可見(jiàn)光和O2觸發(fā)下釋放CO，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)治療效果。實(shí)驗(yàn)分別在20%和1%的O2濃度下測(cè)試了結(jié)構(gòu)1（如圖5 所示）的可見(jiàn)光誘導(dǎo)反應(yīng)性，在20%濃度的O2環(huán)境中用波長(zhǎng)419 nm 的光照射結(jié)構(gòu)1（0.1 mmol/L）的DMSO∶H2O（1∶1，V∶V）溶液，結(jié)果表明在不到600 s時(shí)間內(nèi)超過(guò)90%的結(jié)構(gòu)1 轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)2。而在1% 濃度的O2環(huán)境中，其在1 400 s 內(nèi)只有約45%完成了反應(yīng)。SL-PhotoCORM 作為一個(gè)AND 邏輯門CO 遞送分子，其中的一系列觸發(fā)步驟能最大限度地減少誤報(bào)，且基于黃酮醇的SL-photoCORM 的熒光特性通過(guò)兩個(gè)光致變色開(kāi)關(guān)（藍(lán)色到綠色和綠色到無(wú)色）產(chǎn)生一系列化學(xué)光子輸入響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)CO 釋放的可跟蹤性和時(shí)空控制。這種熒光反饋?zhàn)兓腜hoto-CORMs 可以跟蹤細(xì)胞內(nèi)CO 釋放的每個(gè)步驟，為更加精確的CO 釋放提供了一種全新的思路。

花菁素染料（Cy7）在約750 nm 的光治療窗口表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收特性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如光動(dòng)力療法、光學(xué)成像、分子探針等領(lǐng)域，該染料被廣泛應(yīng)用。2020 年?TACKOVá L 等［32］將黃酮醇與近紅外吸收的花菁素染料偶聯(lián)獲得了2 種新型Photo-CORMs，如圖6 所示。這種花菁素-黃酮醇偶聯(lián)Photo-CORMs 在甲醇中的紫外/可見(jiàn)吸收光譜顯示出典型的七甲基花菁素染料的強(qiáng)吸收帶，λmax分別為791 nm 和793 nm，且該化合物在λem=815 nm 和819 nm 處也有發(fā)光，其強(qiáng)度與吲哚菁綠（ICG）相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，母體花菁素輻照16 h后不產(chǎn)生CO（＜2%）?；诖嗽u(píng)估了兩種Photo-CORMs 在近紅外光（820 nm）下的光解情況，結(jié)果表明它們分別以（125±15）%和（131±6）%的化學(xué)產(chǎn)率生成了CO。進(jìn)一步研究結(jié)果證明這類花菁素-黃酮醇雜化合物可以從兩個(gè)黃酮醇部分釋放兩分子CO，在甲醇和PBS 中，每個(gè)黃酮醇單位釋放CO 的產(chǎn)率分別約為65% 和55%。且5b 的PBS（pH 7.4，10 mmol/L，I= 100 mmol/L）溶液在770 nm 和820 nm 波長(zhǎng)光的激發(fā)下，產(chǎn)生的CO 化學(xué)產(chǎn)率分別為（102±9）%和（110±6）%，而在黑暗中保存的樣品只釋放了微量的CO（＜2%），這一現(xiàn)象解釋了CO 釋放的光響應(yīng)性機(jī)制。

圖6 兩種花菁-黃酮醇Photo-CORMs 光響應(yīng)釋放CO 的情況Fig. 6 Photochemical release of CO from two cyanine-flavonol Photo-CORMs

2022 年孫英姬等［33］研制了首個(gè)以B 環(huán)-萘取代黃酮醇類半胱氨酸（Cys）比例熒光探針2-（萘-2-基）-4-氧代-4H-香豆素-3-基丙烯酸酯（2-（naphthalen-2-yl）-4-oxo-4H-chromen-3-yl acrylate，NCA）。該探針作為Photo-CORMs 前體，可經(jīng)由Cys 傳感反應(yīng)驅(qū)動(dòng)并定量生成3-羥基-2-（萘-2-基）-4H-香豆素-4-酮（3-hydroxy-2-（naphthalen-2-yl）-4H-chromen-4-one，HNC）熒光分子作為Photo-CORMs。通過(guò)控制光照強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間或Photo-CORMs 的用量，HNC 可以在富氧環(huán)境下提供精確和定量控制的CO 線性釋放，同時(shí)利用HNC 自身的熒光特性還可以實(shí)時(shí)定位CO 釋放位點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中，NCA、HNC 及其CO 釋放產(chǎn)物均具有良好的生物相容性，且NCA 可以在活HeLa 細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)外源和內(nèi)源Cys 的快速檢測(cè)和成像。

1.3 BODIPY 類

BODIPY 分子支架因其良好的熒光性能、較高的化學(xué)穩(wěn)定性、較好的生物相容性且允許通過(guò)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)修飾對(duì)BODIPY 發(fā)色團(tuán)（COR-BDPs）的物理化學(xué)性質(zhì)（如光學(xué)性質(zhì)或水溶性）進(jìn)行微調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)更長(zhǎng)波長(zhǎng)響應(yīng)機(jī)制，使其有望通過(guò)修飾成為一類新型的有機(jī)Photo-CORMs。

Eduardo Palao 等［34］研究了基于COR-BDPs 的新一代有機(jī)Photo-CORMs 的直接合成方法，這些Photo-CORMs 可在可見(jiàn)光至近紅外光（高達(dá)730 nm）范圍內(nèi)激活。近紅外波長(zhǎng)能更好地穿透生物組織，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)深層次、完全可控地CO 釋放，并在體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中展示它們的優(yōu)異性能，如圖7 所示。2023 年SINGH P K［35］等設(shè)計(jì)并合成了兩個(gè)間位取代BODIPY 的Photo-CORMs，這些BODIPY 衍生物通過(guò)苯氧基甲基吡啶片段和低聚乙二醇相連，以維持親疏水平衡并改善細(xì)胞通透性。由于CO 在細(xì)胞中最容易被識(shí)別的靶標(biāo)細(xì)胞器是線粒體，因此這些Photo-CORMs 可以通過(guò)近紅外光照射選擇性地將CO 遞送到線粒體，并在細(xì)胞線粒體中積累。體外成像清楚地表明，低聚乙二醇親水改性的BODIPY 基Photo-CORMs 更容易內(nèi)化，表明親水-親脂平衡在有機(jī)納米顆粒的細(xì)胞內(nèi)化中起著至關(guān)重要的作用。細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)表明，低聚乙二醇改性BODIPY 基Photo-CORMs 可以通過(guò)凋亡途徑有效地殺死癌細(xì)胞，基于此，它也被認(rèn)為是傳統(tǒng)化療實(shí)踐中治療癌癥的一個(gè)新的有希望的選擇。

圖7 COR-BDPs 的結(jié)構(gòu)，CO 釋放的光依賴性曲線及體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)Fig. 7 The structure of COR-BDPs， the light dependence curve of CO release， and in vitro and in vivo experiments

1.4 其他有機(jī)Photo-CORMs

除了上述介紹的幾類有機(jī)Photo-CORMs，近年來(lái)基于熒光素類似物、喹諾酮等修飾的Photo-CORMs也取得了一定的研究進(jìn)展。2013 年SLANINA T 等［27］研究發(fā)現(xiàn)6-羥基-3-氧-3H-雜蒽-9-羧酸（6-hydroxy-3-oxo-3H-xanthene-9-carboxylic acid）可以通過(guò)激光輻照來(lái)實(shí)現(xiàn)CO 的釋放，且它是一個(gè)可見(jiàn)光激活的水溶性有機(jī)Photo-CORMs。這種水溶性熒光素類似物在500 nm 波長(zhǎng)的光照射時(shí)可以釋放CO。當(dāng)在有血紅蛋白（Hb）存在的生理?xiàng)l件下選擇性照射時(shí)，釋放的CO 被定量捕獲形成COHb。反應(yīng)進(jìn)程可以通過(guò)反應(yīng)物和產(chǎn)物的特征吸收和發(fā)射特性來(lái)精確監(jiān)控。2018 年P(guān)OPOVA M 等［36］基于3-羥基苯并［g］喹諾酮框架設(shè)計(jì)了Photo-CORMs，用可見(jiàn)光（419 nm 或465 nm）照射Photo-CORMs 的乙腈溶液，釋放了0.90 當(dāng)量的CO。實(shí)驗(yàn)中這種喹諾酮框架的無(wú)毒化合物可以在CO 釋放之前使用熒光顯微鏡進(jìn)行跟蹤，并在完成CO 釋放后產(chǎn)生同樣無(wú)毒的副產(chǎn)物。在CO 釋放的定位方面，前藥在硫醇的存在下被還原為Photo-CORMs，而在癌細(xì)胞的還原環(huán)境中，細(xì)胞內(nèi)硫醇的濃度更高，因此也為前藥在癌細(xì)胞中的激活提供了一種方法。

2 Photo-CORMs 的光物理性質(zhì)

截至目前已報(bào)道的Photo-CORMs 吸收峰通常位于300～500 nm 范圍內(nèi)［37-40］，無(wú)論是金屬羰基類還是有機(jī)Photo-CORMs 均在紫外和可見(jiàn)光區(qū)域有吸收。這是由于紫外光和可見(jiàn)光具有較高能量，可以更容易地激發(fā)Photo-CORMs 分子中的電子躍遷，從而引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)。如圖8 所示，在光激發(fā)過(guò)程中，3d 表現(xiàn)出強(qiáng)熒光并從最低激發(fā)的單重態(tài)經(jīng)歷相對(duì)低效的系間竄越到三重態(tài)，與此同時(shí)發(fā)生了從羧酸鹽到BODIPY 發(fā)色團(tuán)的光致電子轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致形成氧烯丙基型三重態(tài)雙自由基5。隨后5 再次發(fā)生系間竄越從三重態(tài)變?yōu)榛鶓B(tài)，且在單重態(tài)基態(tài)勢(shì)能面上形成ɑ-內(nèi)酯6，最后化合物6 經(jīng)歷非光化學(xué)裂解釋放出CO。

圖8 BODIPY 基Photo-CORMs 光響應(yīng)釋放CO 的機(jī)理圖Fig. 8 Mechanism diagram of BODIPY chromophore light conversion and release of CO

在光源的選擇上，商用紫外燈和可見(jiàn)光LED 等常見(jiàn)光源均可實(shí)現(xiàn)在Photo-CORMs 激發(fā)波長(zhǎng)范圍內(nèi)提供光源來(lái)引發(fā)CO 的釋放。然而，近年來(lái)也有一些研究進(jìn)一步探索了Photo-CORMs 在近紅外光區(qū)域的響應(yīng)釋放行為［18，34，35，41，42］。由于近紅外光具有較長(zhǎng)的波長(zhǎng)和較低的能量，可以穿透較厚的材料和生物組織，且輻射危害相對(duì)較低的優(yōu)勢(shì)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有更大的潛在應(yīng)用價(jià)值。此外，近紅外光還可以與紅外光譜分析技術(shù)相結(jié)合，用于光學(xué)傳感和成像等技術(shù)，準(zhǔn)確將藥物遞送至需要治療的部位。

Photo-CORMs 的光穩(wěn)定性決定了它們?cè)诠庹障碌姆€(wěn)定性和持久性，因此在設(shè)計(jì)Photo-CORMs 時(shí)，必需考慮其光穩(wěn)定性是否良好，以確保它們可以在光照條件下穩(wěn)定存儲(chǔ)CO 并實(shí)現(xiàn)可控釋放。由于不同類型Photo-CORMs 結(jié)構(gòu)差異，其光穩(wěn)定性也受到人們的關(guān)注。近年來(lái)，從光解離動(dòng)力學(xué)角度，人們研究了不同光激發(fā)下Photo-CORMs 釋放CO 時(shí)的一些參數(shù)，表1 是部分Photo-CORMs 的光譜性質(zhì)、量子產(chǎn)率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

表1 Photo-CORMs 的光譜性質(zhì)和量子產(chǎn)率Table 1 Spectral properties and quantum yields of some Photo-CORMs

鑒于氣體信使?jié)舛扰c時(shí)空間效應(yīng)在分子生物學(xué)研究中處于重要地位，研究者們?cè)陂_(kāi)發(fā)Photo-CORMs的同時(shí)關(guān)注Photo-CORMs 作為熒光分子在細(xì)胞成像中的應(yīng)用研究［26，44，55］。研究發(fā)現(xiàn)，成像功能Photo-CORMs 分子通常具有共軛結(jié)構(gòu)，使得它們能夠吸收光子并在激發(fā)態(tài)上產(chǎn)生電子激發(fā)，當(dāng)這些電子返回基態(tài)時(shí)，會(huì)發(fā)出熒光信號(hào)，發(fā)光的波長(zhǎng)通常在可見(jiàn)光區(qū)域。此外，一些Photo-CORM 甚至還具有磷光發(fā)光性質(zhì)。與熒光不同，磷光發(fā)光是通過(guò)三重態(tài)激發(fā)態(tài)的電子返回基態(tài)而產(chǎn)生的。這種長(zhǎng)壽命的磷光信號(hào)可以與周圍環(huán)境的短壽命信號(hào)區(qū)分開(kāi)來(lái)，在生物成像和傳感器應(yīng)用中具有重要意義。

2012 年，AGUSTIN E 等設(shè)計(jì)并合成了一種水溶性錸（I）絡(luò)合物fac-［Re（bpy）（CO）3（thp）］+（1）［CF3SO3-鹽；bpy=2，2'-聯(lián)吡啶，thp=三（羥甲基）膦］（如圖9 所示），在405 nm 光的照射下釋放CO［44］。該分子在室溫水溶液中也具有強(qiáng)發(fā)光性，發(fā)射帶中心位于515 nm 處，該譜帶歸屬于來(lái)自三重MLCT 激發(fā)態(tài)的磷光，更值得注意的是光產(chǎn)物2 在水溶液中也具有強(qiáng)烈的發(fā)光性，發(fā)射最大值λmax紅移至585 nm。同時(shí)為了測(cè)試其熒光成像性能，將PPC-1 細(xì)胞與50 μmol/L 的1 在37 ℃下在黑暗中孵育60 min，結(jié)果顯示藍(lán)色熒光的1積累在細(xì)胞質(zhì)中，但沒(méi)有穿透PPC-1 細(xì)胞的核膜，在405 nm 光的照射下，15 min 后收集到2 的綠色熒光圖像，證明了1 到2 的轉(zhuǎn)化。

圖9 CO 釋放過(guò)程，激發(fā)和發(fā)射光譜及細(xì)胞內(nèi)熒光成像Fig. 9 CO release process， excitation and emission spectra， and intracellular fluorescence imaging

綜上所述，研究Photo-CORMs 的光物理性質(zhì)對(duì)于理解和優(yōu)化這些分子的光響應(yīng)CO 釋放行為和應(yīng)用具有重要的意義。加強(qiáng)對(duì)Photo-CORMs 發(fā)光性質(zhì)的研究為其在分子探針、成像和生物傳感器等應(yīng)用中提供了重要的思路，在未來(lái)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CO 釋放行為的更加精確地控制和監(jiān)測(cè)。

3 Photo-CORMs 的給藥方式及治療作用

Photo-CORMs 可以通過(guò)直接原位注射方式給藥，也可以制備成納米材料或大分子藥物經(jīng)過(guò)注射或口服的方式給藥，再通過(guò)激光處理實(shí)現(xiàn)CO 的光控釋放。納米材料及大分子給藥手段可以有效延長(zhǎng)Photo-CORMs 在體循環(huán)時(shí)間以及釋放時(shí)效，進(jìn)而降低其潛在毒副作用。根據(jù)Photo-CORMs 供體分子結(jié)構(gòu)特征，其給藥方式及治療效果也是不同的。

金屬中心的Photo-CORMs 通常需要通過(guò)靜脈注射等方式進(jìn)行給藥，以確保化合物能夠有效地進(jìn)入生物體內(nèi)并分布到目標(biāo)組織。這種給藥方式可以提供較高的藥物濃度，從而實(shí)現(xiàn)更快速和有效的治療效果。金屬中心的Photo-CORMs 在治療腫瘤、炎癥和心血管疾病等方面表現(xiàn)出良好的療效，特別是在光動(dòng)力療法中的應(yīng)用效果顯著。相比之下，無(wú)金屬有機(jī)Photo-CORMs 由于其較好的生物相容性和穩(wěn)定性，可以通過(guò)口服或皮下注射等更為便捷的給藥方式進(jìn)行治療。這種給藥方式更適合長(zhǎng)期治療或自我管理的情況，同時(shí)也減少了患者的不適感。無(wú)金屬有機(jī)Photo-CORMs 在治療炎癥、神經(jīng)退行性疾病和缺氧癥等方面也顯示出潛在的治療效果，尤其是在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療中具有一定的優(yōu)勢(shì)。

2021 年，蔡開(kāi)勇教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種近紅外光（NIR）-可活化脫氧核糖核酸酶（DNase）-一氧化碳（CO）@介孔聚多巴胺復(fù)合納米材料（DNase-CO@MPDA NPs）［18］用于消除耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）生物膜。在近紅外照射下，DNase-CO@MPDA NPs 顯示出良好的光熱能力，并進(jìn)一步觸發(fā)按需傳遞殺菌CO 氣體，從而充分滲透受損的生物膜。研究結(jié)果表明通過(guò)注射這樣一個(gè)納米顆粒來(lái)實(shí)現(xiàn)給藥，在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了MRSA 生物膜的有效消除，根據(jù)體外抗炎實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)NIR 輻照的CO@MPDA 和DNase-CO@MPDA NPs 具有高水平的抗炎因子和低水平的促炎因子，表明CO 釋放納米顆粒具有潛在的抗炎效果。由于這些有利的特性，NIR 照射后的DNase-CO@MPDA NP 也可以用于促進(jìn)組織再生及傷口愈合。

2023 年，董曉臣教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)在黃酮醇的3-羥基位置上引入生物硫醇響應(yīng)丙烯基，并利用聚磷脂酰絲氨酸聚乙二醇（PS-mPEG）大分子對(duì)其進(jìn)行包覆，提高了Photo-CORMs 的在體循環(huán)穩(wěn)定性，構(gòu)建了生物礦化光敏生態(tài)釋放納米材料（Ca-Flav NPs），通過(guò)靜電相互作用將其生物礦化［56］。研究中通過(guò)注射實(shí)現(xiàn)了靶向給藥，在氙燈照射下，Ca-Flav NPs 能有效釋放CO 氣體分子，CO 可以靶向輸送到線粒體呼吸鏈上的細(xì)胞色素C，增加電子漏，最終誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激，并通過(guò)Ca3（PO4）2酸解產(chǎn)生Ca2+破壞細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)，聯(lián)合觸發(fā)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，在體外實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)良的抗腫瘤作用。紅細(xì)胞融血實(shí)驗(yàn)表明Ca-Flav NPs 具有良好的血液相容性?；贑a-Flav NPs 優(yōu)異的體外抗腫瘤性能及其高生物相容性，選擇小鼠乳腺癌細(xì)胞（4T1 細(xì)胞）構(gòu)建腫瘤小鼠模型，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明FlavAc NPs+氙燈和Ca Flav NPs+氙氣燈處理對(duì)腫瘤表現(xiàn)出顯著的抑制作用，表明黃酮類化合物具有內(nèi)在的抗腫瘤特性。同時(shí)，在不同的組中沒(méi)有觀察到明顯的體重波動(dòng)，主要器官的病理組織學(xué)圖像顯示出清晰的細(xì)胞間邊界和細(xì)胞核，表明治療的副作用可以忽略不計(jì)。

上述物理包覆法制備的納米CO 釋放材料在體內(nèi)循環(huán)的穩(wěn)定性仍有待進(jìn)行深入研究。2021 年，胡進(jìn)明教授團(tuán)隊(duì)利用可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移（RAFT）聚合以及將3-羥基黃酮衍生物和四苯基卟啉（TPP）片段共軛偶聯(lián)的方式制備了TPP-HF、TPP-CHF 聚合物膠束用于大分子Photo-CORMs，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)更加穩(wěn)定精確的光控CO 釋放手段。該研究通過(guò)3-羥基黃酮衍生物的光氧化機(jī)制開(kāi)發(fā)了非金屬CO 釋放膠束，使CO 在紅光（650 nm）照射下釋放［57］。與非特異性內(nèi)化到革蘭氏陽(yáng)性和革蘭氏陰性細(xì)菌中的金屬羰基不同，非金屬膠束對(duì)金黃色葡萄球菌而不是大腸桿菌細(xì)胞，發(fā)揮選擇性殺菌作用，證明了CO 的抗菌效果。研究中還發(fā)現(xiàn)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌細(xì)胞在飽和CO 溶液中（約1 mmol/L） （遠(yuǎn)高于釋放CO 含量），無(wú)論是否用650 nm光照射30 min，都不會(huì)誘導(dǎo)細(xì)菌死亡。相互矛盾的結(jié)果表明，與直接給藥相比，局部給藥CO 產(chǎn)生了不同的抗菌效果。此外，體外抗菌實(shí)驗(yàn)表明，TPP-HF 膠束（0.1 gL-1）在照射30min 后，可清除約97%的MRSA細(xì)胞。CO 釋放膠束可以有效地根除耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）細(xì)菌。此外，體外劃痕實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明在全層皮膚傷口模型中， 在光激發(fā)后，注射TPP-HF 膠束加速了MRSA 感染傷口愈合（如圖10所示）。

圖10 研究中使用的結(jié)構(gòu)及其光響應(yīng)CO 釋放能力曲線，細(xì)胞和傷口實(shí)驗(yàn)Fig. 10 The structures used in the study and their photoresponse CO release ability curves， as well as cell and wound experiments

除此之外由于CO 還具有抗炎、抗氧化等功能，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，未來(lái)Photo-CORMs 能更好更精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)炎癥的調(diào)控及對(duì)氧化應(yīng)激進(jìn)行有效治療。

4 總結(jié)與展望

目前，有機(jī)Photo-CORMs 的研究主要集中在分子的設(shè)計(jì)與合成、光物理性質(zhì)研究以及給藥及治療作用的研究等領(lǐng)域。在有機(jī)Photo-CORMs 的合成方面，研究人員通過(guò)有機(jī)合成的化學(xué)手段設(shè)計(jì)和合成了多種具有光致CO 釋放能力的分子，這不僅有助于研究構(gòu)效關(guān)系，還可以優(yōu)化CO 氣體療法在不同臨床疾病中的應(yīng)用。光物理性質(zhì)研究方面，作為Photo-CORMs 應(yīng)具有良好的光穩(wěn)定性和光響應(yīng)性能。通過(guò)調(diào)節(jié)其結(jié)構(gòu)和光激發(fā)條件，可以實(shí)現(xiàn)在不同波段的光響應(yīng)性能的調(diào)控。同時(shí)已有許多研究人員對(duì)光激發(fā)CO 釋放的機(jī)制進(jìn)行了深入研究，通過(guò)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，揭示了光激發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵步驟，包括電子轉(zhuǎn)移、能量傳遞和化學(xué)反應(yīng)等。例如，研究人員通過(guò)深入研究光激發(fā)過(guò)程中的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制，可以揭示光是如何激發(fā)有機(jī)Photo-CORMs 中的分子結(jié)構(gòu)，從而促使釋放CO 的過(guò)程。同時(shí)，對(duì)能量傳遞和化學(xué)反應(yīng)的研究可以幫助研究人員優(yōu)化有機(jī)Photo-CORMs 的結(jié)構(gòu)和性能，提高其釋放CO 的效率和速度。這些研究為進(jìn)一步優(yōu)化和設(shè)計(jì)有機(jī)Photo-CORMs 提供了一定的理論基礎(chǔ)。在給藥方式及其治療作用的研究方面，有機(jī)Photo-CORMs 相較與金屬羰基類Photo-CORMs 更具安全性和有效性，使得其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用潛力。且研究人員已經(jīng)通過(guò)原位注射、口服給藥以及納米藥物與大分子偶聯(lián)等方式證明了Photo-CORMs 在腫瘤治療、炎癥調(diào)控、抗感染及氧化應(yīng)激治療等方面的應(yīng)用價(jià)值，這些研究也將為開(kāi)發(fā)新型的光治療方法提供了新的思路。

隨著有機(jī)Photo-CORMs研究的不斷深入，相信未來(lái)有機(jī)Photo-CORMs 有望在以下幾個(gè)方面得到拓展。

首先，目前對(duì)有機(jī)Photo-CORMs 激發(fā)光波長(zhǎng)選擇停留在可見(jiàn)光和近紅外光范圍內(nèi)，這主要是因?yàn)榻t外光具有較好的穿透性，可以穿透皮膚和組織，適用于醫(yī)療診斷和治療等。然而，將有機(jī)光響應(yīng)一氧化碳釋放分子的響應(yīng)波段拓展到X 光范圍也具有一定的潛在優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。X 光響應(yīng)的Photo-CORMs 具有空間分辨率高、深度穿透性強(qiáng)、可控性好等潛在優(yōu)勢(shì)，為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的治療和疾病診斷帶來(lái)了新的可能性。例如：通過(guò)X 光響應(yīng)，Photo-CORMs 能夠?qū)崿F(xiàn)在深層組織中釋放一氧化碳。且通過(guò)X 光成像引導(dǎo)，X 光響應(yīng)CORMs 能夠提供更精準(zhǔn)的治療定位，有助于減少藥物對(duì)健康組織的損傷，提高治療的精確性。此外在神經(jīng)科學(xué)研究中，X 光響應(yīng)的Photo-CORMs 能被設(shè)計(jì)成通過(guò)X 光刺激釋放CO 用于神經(jīng)元的刺激和調(diào)控。通過(guò)調(diào)節(jié)X 光照射的時(shí)間和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)的精準(zhǔn)控制，有助于研究神經(jīng)系統(tǒng)的功能和疾病機(jī)制。這些優(yōu)勢(shì)將為未來(lái)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)更多創(chuàng)新和進(jìn)步。

其次，柔性電子技術(shù)已經(jīng)成為一種備受關(guān)注的新興領(lǐng)域，它可以制造出柔軟、彎曲和可拉伸的電子設(shè)備，有望在醫(yī)療、可穿戴電子產(chǎn)品、智能傳感器等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。截至目前，研究人員已報(bào)道了基于光響應(yīng)NO 釋放材料的柔性電子治療器件［58］。在該系統(tǒng)中，通過(guò)將自驅(qū)動(dòng)、可穿戴、可伸縮的單電極模式摩擦納米發(fā)電機(jī)（wsTENG）附著在人體（手指、手臂、腿等）上，以收集來(lái)自身體運(yùn)動(dòng)的能量用于電能供應(yīng)。再將一種可植入的NO 釋放裝置（NO-LED）經(jīng)顱植入腦中靠近腫瘤組織的位置。在NO-LED 器件中，藍(lán)色LED 嵌入在具有并入的光響應(yīng)NO 釋放材料的中心。當(dāng)wsTENG 通過(guò)無(wú)線控制點(diǎn)亮LED 時(shí)，設(shè)備可以持續(xù)釋放NO 進(jìn)行氣體治療?；趙sTENG 的供電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)靈活可變形、重量輕、佩戴舒適、穩(wěn)定性好、可長(zhǎng)期供電、與其他能源相比無(wú)需反復(fù)更換等優(yōu)點(diǎn)。治療過(guò)程可以由患者通過(guò)智能手機(jī)無(wú)線操縱，具有預(yù)先定制的治療方案，用于控制NO 釋放的時(shí)機(jī)、持續(xù)時(shí)間和劑量?；诖祟愊壤粲袡C(jī)Photo-CORMs 在未來(lái)被設(shè)計(jì)集成到柔性電子器件中，通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)和材料的優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)在柔性基板上制備出柔性有機(jī)Photo-CORMs 器件，如柔性有機(jī)Photo-CORMs 微針陣列等，可以在受光照的情況下釋放CO，從而促進(jìn)傷口愈合或者抑制炎癥和細(xì)菌生長(zhǎng)。此外柔性有機(jī)Photo-CORMs 的出現(xiàn)將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)CO 釋放的精確控制，從而在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療治療等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

總的來(lái)說(shuō)，有機(jī)Photo-CORMs 作為一種極具潛力的化合物，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。相信隨著研究的不斷深入，未來(lái)也將設(shè)計(jì)出響應(yīng)波長(zhǎng)更長(zhǎng)，釋放機(jī)制更加精準(zhǔn)的Photo-CORMs，為將來(lái)的醫(yī)學(xué)診斷、治療和柔性電子研究領(lǐng)域帶來(lái)新的突破和機(jī)遇。