单线态氧由于其在催化、光化学和光动力治疗方面的广泛应用，在过去的几十年中得到了广泛的研究。在兴奋型光敏剂的作用下，基态氧通过能量转移产生单线态氧。大量的在不同环境下响应的兴奋型光敏剂被开发出来控制单线态氧的产生以达到特定目的。在光动力治疗（PDT）过程中，控制单线态氧的产生能通过减少非特异性光损伤来减少副作用和对健康细胞的非选择性杀伤，这对癌症治疗十分重要。但是在实际应用中存在不可控和消极的相互作用，对单线态氧产生的控制并不精确，因此开发高效的兴奋性光敏剂实现对可逆生成的单线态氧的无创控制尤为重要。

田阳、杨海波团队证明离散型金属环为能量转移提供了一个有效平台。在单个功能基团被精确控制的情况下，离散金属环可以很方便的引入多个功能基团到已经设计好的骨架中。因此，田阳、杨海波团队开发了既含有卟啉光敏剂又含有二乙烯基光致变色开关分子的新型双态金属环M。这种完美设计的金属环骨架为功能基团实现有效的分子间能量转移提供了近端位置，从而实现无创的控制可逆产生的单线态氧。

图1. 双态金属环的合成（图片 来源：J. Am. Chem. Soc.）

田阳、杨海波团队发现在双态金属环中，二芳基乙烯处于开环状态时，卟啉光敏剂可以有效的产生单线态氧；相反的，当二芳基乙烯处于闭环状态时，单线态氧的产生被严重抑制。在不同波长的选择性辐射，这个过程可以相互转换。此外，他们还研究了双态金属环被纳米粒子包裹后的开、关环情况以及在体内，体外单线态氧的产生。他们发现当金属环形成纳米粒子后，处于开环状态时会产生单线态氧，相反的处于闭环状态时，几乎不产生单线态氧。光动力治疗研究表明，这种纳米金属环被植入肿瘤后，开环纳米粒子会在肿瘤组织积累，达到光动力治疗的效应。

 图2. 离散双态金属环光控产生单线态氧治疗癌症示意图（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

    对金属环的光致变色研究表明，含卟啉的金属环处于开环状态时在419 nm有较强的紫外吸收，在514、549、590、、646 nm有较弱的吸收，这和卟啉的吸收特征是一致的。研究还发现，365 nm照射后在500~680间的吸收增强，这与闭环二芳基乙烯有关。总之，双态金属环的光转换可以通过改变紫外/可见光的照射进行重复，有良好的稳定性。

图3. 双态金属环的光致变色（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

在研究清楚了双态金属环的光致变色性质后，田阳、杨海波团队开始控制单线态氧的产生，并进行荧光监控。结果显示在产生单线态氧时开环的荧光强度是闭环的24倍，而双态金属环纳米的荧光差别更大。这表明单线态氧产生得到有效控制。

图4. 控制产生单线态氧时的荧光变化（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

为了更好的理解双态金属环纳米颗粒产生单线态氧的变化，作者还通过透射电子显微镜和动态光散射（DLS）对纳米颗粒的性质进行了研究。结果表明，开环水合粒径为61 nm，闭环水合粒径为58 nm，电镜结果也印证了这一点。

图5. 纳米颗粒的DLS和电镜（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

基于以上的研究成果，田阳、杨海波团队研究了双态金属环在光动力治疗上的效果。体内，体外结果表明，双态金属环纳米颗粒在肿瘤部位聚集，并对肿瘤细胞有杀伤作用，而且对单线态氧产生的控制减小了细胞毒性，降低了对正常细胞的伤害。这些结果证明基于能量转移对单线态氧的控制用于癌症治疗是可行的。

图6. 体外光动力治疗结果（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

图7. 体内光动力治疗结果（图片来源：J. Am. Chem. Soc.）

总结：通过在完美设计的骨架上引入光敏剂和光致变色开关，田阳、杨海波团队设计了一种双态金属环系统实现可逆的控制单线态氧的产生，并发现这种金属环形成的纳米颗粒能用于癌症的光动力治疗。在光照射下，设计的开环型纳米粒子(O-NPs)对癌细胞的杀伤率明显高于环合型纳米粒子(C-NPs)。体内实验还表明，设计的纳米粒子在光照射下可以非常有效地消除肿瘤，并具有调节体内产生单线态氧的能力。这些结果表明，具有双态的超分子配位复合物为无创的控制可逆生成单线态氧提供了一个高效的纳米平台，从而使其在肿瘤治疗等领域具有广阔的应用前景。

撰稿人：犟子柳