开罗五边形镶嵌共价有机框架，具有Mcm拓扑结构，适用于近红外光疗

基本信息

英文标题：Cairo pentagon tessellated covalent organic frameworks with mcm topology for near-infrared phototherapy

中文标题：开罗五边形镶嵌共价有机框架用于近红外光疗

发表期刊：《Nature Communications》

影响因子：14.7

作者单位：江南大学化学与材料工程学院、淮阴师范学院洪泽湖生态农业生物技术重点实验室、南京大学生命科学学院

作者信息：

Yong Liu, Liangchao Yuan, Wenwen Chi, Wang-Kang Han, Jinfang Zhang, Huan Pang, Zhongchang Wang, Zhi-Guo Gu

研究背景

共价有机框架(COFs)的现状与挑战

目前报道的二维COFs主要基于六边形、四边形和三角形孔结构，拓扑类型有限。

五边形孔结构因其独特的镶嵌特性(如开罗五边形)在COFs中尚未实现，亟需突破。

光疗技术的需求

近红外(NIR)光疗因其深层组织穿透能力成为癌症治疗的研究热点，但高效光敏剂的设计仍具挑战。

研究创新点

首次设计并合成了具有开罗五边形镶嵌的COFs，实现了新型mcm拓扑结构。

通过精确调控连接体的几何参数(角度和长度)，构建了低对称性、窄带隙的COFs，兼具高效光热转换和单线态氧生成能力。

研究方法

COFs设计与合成

选择卟啉四胺(90°角，四边等长)和四联苯四醛(120°角)作为连接体，通过亚胺键自组装形成五边形孔结构(图1)。

合成了四种COFs(mcm-1至mcm-4)，并通过PXRD、SAXS和TEM验证其结晶性与拓扑结构(图2-4)。

光疗性能表征

光热转换： 在660 nm激光照射下，mcm-1的光热转换效率(PCE)达43.3%(图5e)。

光动力治疗： 通过DCFH-DA荧光探针和EPR检测，证实COFs可高效生成单线态氧(量子产率0.54)(图5g-i)。

体外与体内实验

体外： COFs被4T1细胞内化后，通过线粒体膜电位下降、GSH耗竭和GPX4表达抑制，诱导铁死亡和凋亡(图6)。

体内： 在4T1荷瘤小鼠模型中，mcm-1联合激光照射显著抑制肿瘤生长，并通过H&E染色和免疫组化验证其生物相容性与治疗 efficacy(图7)。

实验结果

图1：由开罗五边形构建的mcm拓扑结构示意图

图(a) 理想开罗拼贴的几何形态。

图(b) 根据RCSR数据库的mcm拓扑结构。

图(c) 伪mcm拓扑结构的解构分析。

图(d) 最适合构建mcm拓扑结构的单体结构。

图2：mcm-COFs的合成与结构表征

(f) mcm-1、(g) mcm-2、(h) mcm-3和(i) mcm-4的合成路线与分子结构示意图。实验数据、计算数据及源数据详见源数据文件。(b) mcm-1、(c) mcm-2、(d) mcm-3和(e) mcm-4的精修PXRD衍射图谱(插图为对应样品的SAXS图像)。

图3：mcm-1结构解析

图(a) mcm-1的单一开罗五边形结构及其最小重复单元。mcm-1在(b)a轴和(c)b轴方向的扩展示意图。

图(d) 由开罗五边形在ab平面镶嵌形成的mcm-1结构，具有mcm拓扑构型。

图4： mcm-COFs材料的孔道结构

图(a) mcm-1的高分辨透射电镜图像(左)，d间距值对应(001)晶面，以及黄色选定区域的傅里叶滤波图像(右)。

图(b) mcm-1的高分辨透射电镜图像(左)，黄色选定区域孔隙结构突出的傅里叶滤波图像(右)。(c) mcm-1、(d) mcm-2、(e) mcm-3和(f) mcm-4的氮气吸附等温线(插图为孔径分布图)。源数据详见源数据文件。

图5：mcm-COFs光疗性能表征

图(a) 紫外-可见光谱(插图：Tauc曲线)，(b) 能带结构，(c) mcm-1、mcm-2、mcm-3和mcm-4在可见光照射下的瞬态光电流响应。

图(d) mcm-COFs光热转换与ROS生成示意图。

图(e) 对照组与mcm-1照射后的体外热成像图。f mcm-1的光热稳定性。

图(g) mcm-COFs的ROS生成量，数据以均值±标准误表示(n=3个独立样本)。h 含mcm-1的DMA溶液在照射过程中的紫外-可见光谱变化。

图(i) mcm-COFs的电子顺磁共振谱。

图(j) mcm-COFs模型的HOMO(内侧)与LUMO(外侧)分布。源数据详见Source Data文件。

图6：mcm-1介导的光疗体外治疗效果研究

4T1细胞对mcm-1的胞内摄取情况，通过共聚焦显微镜(a)和流式细胞术(b,c)检测。

图(d) 四种mcm-COFs材料在660 nm激光照射下不同浓度的细胞毒性，数据以均值±标准误表示(n=3个独立样本)。

图(e) 流式细胞术分析不同条件下对照组与mcm-1处理的4T1细胞凋亡情况。

图(f)流式细胞术与图(g)共聚焦显微镜分析不同处理条件下线粒体膜电位变化(流式实验独立重复三次结果一致)。

图(h)铁离子浓度与i GSH/GSSG比值的定量评估(不同处理条件下)，数据以均值±标准误表示(n=3个独立样本)。

图(j)不同处理条件下4T1细胞铁死亡标志蛋白的Western blot结果(G1:对照组，G2:mcm-1，G3:mcm-2，G4:mcm-3，G5:mcm-4，G6:对照+激光，G7:mcm-1+激光，G8:mcm-2+激光，G9:mcm-3+激光，G10:mcm-4+激光，G11:mcm-1+激光+Ferrostatin-1)，Western blot实验独立重复三次结果一致。

图(k) 铁死亡相关生物标志物(GPX4和TFR1)的免疫荧光染色。

图(l) 共聚焦显微镜观察对照组与mcm-1处理的4T1细胞内活性氧水平。

图(m) 4T1细胞脂质过氧化共聚焦荧光图像(绿色荧光通过BODIPY 581/591-C11染色获得)。

图(n) 正常细胞与mcm-1处理细胞的线粒体生物透射电镜图像(细胞形态学图像来自三个独立样本，各组结果一致)。统计学显著性采用双因素方差分析配合Tukey多重比较检验。源数据详见Source Data文件。

图7：mcm-1介导的光疗体内治疗效果研究

图(a) mcm-1介导光疗的治疗方案时序图。

图(b) 4T1-Luc肿瘤模型BALB/c裸鼠静脉注射mcm-1后不同时间点(1-24小时)的光热成像、(c)荧光成像及生物发光成像，数据以均值±标准误表示(n=5个独立样本)。不同处理条件下4T1荷瘤小鼠的肿瘤照片(d)、瘤重(e)、瘤体积(f)及体重(g)变化，数据以均值±标准误表示(n=5个独立样本)。h 通过H&E染色、TUNEL染色、Ki67染色对肿瘤切片进行组织学分析，并对肿瘤组织中GPX4和TFR1表达进行免疫荧光分析，切片染色照片代表三个独立样本的典型结果(结果相似)。所有面板比例尺均为50微米。源数据详见源数据文件。

研究结论

创新策略：

通过几何精准设计，实现了COFs中开罗五边形镶嵌和mcm拓扑的突破。

低对称性结构增强了载流子分离效率，提升了光疗性能。

转化意义：

为癌症多模式治疗(PTT/PDT/铁死亡)提供了新型纳米平台。

拓展了COFs拓扑多样性，推动其在生物医学中的应用。