利用铂(IV)前药作为多功能光引发剂和光交联剂开发抗菌导电水凝胶及蛋白质标记新策略

　　本研究针对铂(IV)配合物光化学性质应用局限的问题，开发了基于临床药物的Pt(IV)前药体系。研究发现Pt(IV)配合物在365 nm光照下发生快速光解，产生ROS和铂自由基等活性物种，成功将其拓展为新型光引发剂和光交联剂，实现了抗菌导电水凝胶的一步法构建和高效蛋白质光标记，为金属配合物的生物医学应用开辟了新途径。

　　

在生物医学和材料科学领域，实现精确的时空控制一直是个重大挑战。光响应分子通过外部光刺激为此提供了解决方案，在化学、生物学和医学领域引发了革命性变革。虽然研究人员对铂(IV)配合物的光化学性质进行了广泛研究，但它们的生物医学应用仍然局限于化疗功能。传统的铂(II)类药物如顺铂(cisplatin)、卡铂(carboplatin)和奥沙利铂(oxaliplatin)在临床癌症治疗中取得了巨大成功，但其非特异性结合引起的严重副作用和获得性耐药性限制了临床应用。

为了应对这些挑战，铂(IV)配合物作为前药被广泛探索。通过双电子氧化，方形平面的Pt(II)物种被氧化为八面体Pt(IV)配合物。具有低自旋d⁶电子构型的Pt(IV)配合物在配体取代方面更具动力学惰性，这显著减少了与生物分子在DNA结合之前的不良副反应。然而，当前研究主要集中于释放细胞毒性Pt(II)物种用于治疗目的，Pt(IV)配合物光化学行为的更广泛应用潜力仍未得到充分开发。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，研究人员对基于临床药物的含惰性轴向配体的Pt(IV)配合物的光化学性质进行了深入研究，意外地发现Pt(IV)配合物而非其Pt(II)对应物在365 nm光照下发生快速光解，产生各种活性物种包括活性氧物种(ROS)和铂自由基。利用这些独特的光解产物，研究人员证明了Pt(IV)前药作为光引发剂的替代用途，能够轻松制备多功能大分子材料，如用于运动传感的抗菌和导电水凝胶。有效的蛋白质交联进一步表明，Pt(IV)配合物可用作明胶水凝胶化的光交联剂和蛋白质光反应标记的试剂。

研究采用了多种关键技术方法：通过高效液相色谱(HPLC)和液相色谱-高分辨质谱(LC-HRMS)分析铂配合物的光解行为；利用电子顺磁共振(EPR)和自由基自旋捕获技术鉴定反应过程中产生的自由基物种；通过流变学测量和扫描电子显微镜(SEM)表征水凝胶的形成和结构；使用电感耦合等离子体光谱(ICP-OES)和X射线光电子能谱(XPS)分析铂物种的分布和价态；借助点击化学和荧光标记技术评估蛋白质交联效率。

研究人员首先设计合成了六种Pt(IV)配合物，这些配合物以临床使用的三种最具代表性的Pt(II)抗癌药物（顺铂、卡铂和奥沙利铂）以及反式铂(transplatin)作为基本赤道核心，选择乙酸、琥珀酸和琥珀酸酯等简单分子骨架作为惰性轴向配体。通过HPLC分析发现，所有Pt(IV)配合物在365 nm紫外照射10分钟后，色谱图中的峰高显著降低，各种新物种出现，表明Pt(IV)配合物的快速光解。例如，仅有1.2%的cisPt(IV)-1、0.6%的cisPt(IV)-2和1.9%的cisPt(IV)-3保持完整。相比之下，相应的Pt(II)药物对光解相对抵抗，例如75%的顺铂和99%的奥沙利铂在此条件下保持稳定。

机理研究表明，Pt(IV)配合物的光解涉及自由基形成机制。通过亚甲基蓝降解实验证实，Pt(IV)配合物在光照下产生反应性自由基物种，而Pt(II)对应物则不产生。使用5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物(DMPO)和(2,2,6,6-四甲基哌啶-1-基)氧基(TEMPO)等自由基自旋陷阱捕获了光解过程中产生的自由基中间体。通过ESI-HRMS鉴定了铂含自旋加合物，表明铂(I)自由基的形成。EPR测量显示，在cisPt(IV)-1处理组中出现七线EPR谱图，对应DMPOX（DMPO被氯自由基氧化的衍生物），表明光解过程中存在氯自由基。

研究人员提出可能的主要光解机制：光照下，cisPt(IV)-1被激发到单重激发态，经过快速内转换过程弛豫到S₁态。每个乙酸配体将一个电子转移到Pt(IV)中心（配体到金属电荷转移，LMCT），导致Pt-O键均裂和后续还原消除，产生顺铂和乙酸根自由基。生成的乙酸根自由基在水环境中被快速淬灭或分解为CO₂，形成甲基自由基。这些反应性自由基物种攻击顺铂产生氯自由基和各种活性铂物种，包括Pt(I)自由基。在氧气和水存在下，可进一步产生ROS。

研究人员探索了Pt(IV)前药作为水凝胶化光引发剂的应用。将Pt(IV)配合物与丙烯酰胺混合后照射，液体溶液转变为固体状凝胶，而顺铂处理样品则无此现象。流变学实验显示，暴露于紫外光导致储能模量(G′)和损耗模量(G″)显著增加，G′明显超过G″，表明成功形成水凝胶。扫描电镜显示多孔网络和均匀微观结构。Pt-聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶表现出与常规光引发剂I2959制备的水凝胶相当的机械性能。

Pt-PAM水凝胶展现出显著的抗菌性能。能量色散光谱(EDS)元素 mapping显示铂物种均匀分布在Pt-PAM水凝胶基质中，X射线光电子能谱(XPS)测量显示包含85.4% Pt(II)和14.6% Pt(II)物种。对大肠杆菌(DH5α)的抗菌性能评估显示，用Pt-PAM水凝胶处理的琼脂平板上无可见菌落形成单位(CFUs)，而PBS和I2959-PAM水凝胶处理组则可见大量细菌菌落。

Pt-PAM水凝胶还表现出优异的电学和传感性能。简单电路实验表明，Pt-PAM水凝胶具有出色的导电性，电流随铂浓度增加而增加。水凝胶在拉伸时电阻显著增加，表现出高应变敏感性。应变系数从5.2增加到22.6，表明与其他报道的水凝胶基传感器相比具有优异的传感灵敏度。这种增强的应变敏感性源于移动离子与聚合物链之间的瞬态氢键作用。

研究人员进一步证明了Pt(IV)前药作为蛋白质光交联剂的应用。通过ICP-OES分析发现，光照下Pt(IV)处理样品中超过80%的铂配合物与牛血清 albumin(BSA)结合，表明光解铂产物能有效交联蛋白质。MALDI-TOF观察到的m/z值增加证明了蛋白质-铂加合物的共价连接性质。

Pt(IV)配合物还能作为光交联剂用于明胶水凝胶的直接制备，无需预先功能化。光照下，cisPt(IV)-1处理样品中明显观察到明胶水凝胶的形成，而顺铂处理组则无。流变学测量显示储能模量(G′)持续超过损耗模量(G″)，且显著高于明胶溶液。热重分析(TGA)显示Pt-明胶水凝胶的分解温度高于明胶，表明铂赋予了更高的交联密度。拉曼光谱在500 cm^-1附近区域观察到额外信号，可归因于铂-氧键的伸缩，指向铂与明胶肽链中天冬氨酸(Asp)和谷氨酸(Glu)羧酸盐侧链的相互作用。

基于这些发现，研究人员设计合成了含有炔烃生物正交手柄的金属基光交联剂alkyne-Pt(IV)。光照下，反应性铂物种可立即与蛋白质交联，允许通过点击化学后续引入报告基因如荧光基团。评估显示，alkyne-Pt(IV)的荧光强度比有机探针PC-1和PC-2高1.7倍，表明其具有极高的蛋白质标记效率。通过开关光源进行的脉冲追踪标记实验显示了蛋白质标记的光依赖性，表明交联过程的即时性和使用外部光提供的时间特异性。

该研究全面揭示了含惰性轴向配体的Pt(IV)配合物的光化学性质，证明了它们在更广泛生物医学应用中的潜力。与它们在黑暗中的相对动力学惰性相反，Pt(IV)配合物在紫外光照射下快速光解，产生各种自由基物种。研究成功将Pt(IV)前药拓展为新型光引发剂和光交联剂，实现了多功能水凝胶的简易制备和高效蛋白质光标记。这些发现不仅为Pt(IV)前药的光化学提供了更广阔的见解，而且扩展了当前使用金属配合物的光触发生物医学应用工具箱，为开发具有多样化生物医学和材料应用的先进光响应系统铺平了道路。