可控光催化反應用于裂解NAD+并促進(jìn)乏氧腫瘤細胞凋亡

圖1. 細胞內光催化分解NAD+的反應示意圖

生物代謝是細胞生命活動(dòng)的基礎，決定了細胞正常的生命活動(dòng)和生物功能。當細胞出現代謝紊亂時(shí)，其內部生物功能會(huì )受到影響，甚至導致疾病的發(fā)生。NAD+/NADH是參與腫瘤代謝氧化還原反應的重要輔酶，在糖酵解、三羧酸循環(huán)（TCA）等代謝過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)重要作用。已有報道證實(shí)，通過(guò)化學(xué)反應將細胞內的NAD+還原為NADH，能夠有效干擾癌細胞的生物功能，從而實(shí)現對癌細胞的殺傷。但由于細胞具有自我修復的特性，NAD+的還原容易被細胞其他代謝途徑恢復，因此難以打破腫瘤細胞內NAD+/NADH的動(dòng)態(tài)平衡。同時(shí)，傳統化學(xué)反應需要滿(mǎn)足高溫、無(wú)水等苛刻的條件，這限制了它們在細胞內復雜生理環(huán)境的應用。相比之下，光催化反應具有反應條件溫和、便于遠程調控等優(yōu)勢，這使得在細胞內NAD+轉化變得可行。水溶性共軛聚合物具有優(yōu)異的光電轉化能力、高效的電子轉移效率和良好的生物相容性，可作為新型光催化劑，通過(guò)在細胞內進(jìn)行光催化反應，實(shí)現對癌細胞代謝的調控，從而促使腫瘤細胞凋亡。

該工作報道了一種以水溶性共軛聚合物PFP作為催化劑的新型光催化反應，在常溫常壓下實(shí)現了NAD+的裂解（圖2）。在白光照射下，作者將PFP用于無(wú)氧條件下水溶液體系中NAD+裂解反應，并對產(chǎn)物進(jìn)行了表征和分析。通過(guò)核磁共振和質(zhì)譜技術(shù)確定了NAD+的裂解產(chǎn)物為煙酰胺和ADP-核糖，并通過(guò)核磁共振氫譜定量分析計算出光照1小時(shí)后煙酰胺產(chǎn)物濃度達到113 μM。該反應在溫和無(wú)氧的水溶液體系中可以實(shí)現NAD+的裂解，而不是還原生成NADH。這意味著(zhù)該反應可以實(shí)現NAD+的不可逆轉化，并有可能調節乏氧腫瘤細胞內NAD+/NADH的動(dòng)態(tài)平衡，抑制腫瘤細胞的生長(cháng)。

圖2. PFP光催化NAD+分解。

隨后，作者將該光催化反應體系引入乏氧處理的小鼠乳腺癌細胞4T1中。實(shí)驗結果發(fā)現8 μM的 PFP共孵育的4T1細胞在光照20分鐘后，細胞內NAD+比例從73%下降到65%，并出現明顯的細胞損傷。細胞線(xiàn)粒體膜電位降低和ATP含量顯著(zhù)下降都表明其線(xiàn)粒體電子傳遞鏈受損（圖3）。這些數據表明該光催化反應可以在細胞內實(shí)現，并通過(guò)影響線(xiàn)粒體電子傳遞鏈調控腫瘤細胞的凋亡。

圖3. PFP在光照下促進(jìn)癌細胞凋亡。

作者利用電子順磁共振（EPR）進(jìn)一步對光催化反應的機理進(jìn)行了研究。光照條件下，PFP和NAD+的混合物呈現碳自由基被捕獲的信號，結合已知產(chǎn)物結構，推測PFP*與NAD+之間的電子轉移產(chǎn)生了ADP-ribosyl自由基，最終生成穩定的產(chǎn)物ADP-核糖，實(shí)現NAD+的不可逆裂解反應。

圖4. PFP光催化裂解NAD+的機理研究。

該工作報道了一種以水溶性共軛聚合物作為催化劑的新型光催化反應，在光照條件下將NAD+不可逆地裂解為煙酰胺和ADP-核糖。細胞實(shí)驗證實(shí)，該反應可實(shí)現乏氧腫瘤細胞中NAD+的消耗，從而促進(jìn)腫瘤細胞4T1凋亡。這項工作利用化學(xué)手段實(shí)現了腫瘤細胞的代謝干預，為可控腫瘤細胞凋亡提供了一種新策略。

論文第一作者為中國科學(xué)院化學(xué)研究所博士研究生夏晟鵬，通訊作者為王樹(shù)研究員、白昊天研究員和黃一鳴副研究員。該研究得到了國家自然科學(xué)基金的大力支持。該工作以研究論文（Research Article）形式發(fā)表在中國化學(xué)會(huì )旗艦期刊CCS Chemistry上。

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