圖1. 細(xì)胞內(nèi)光催化分解NAD+的反應(yīng)示意圖

生物代謝是細(xì)胞生命活動的基礎(chǔ)，決定了細(xì)胞正常的生命活動和生物功能。當(dāng)細(xì)胞出現(xiàn)代謝紊亂時，其內(nèi)部生物功能會受到影響，甚至導(dǎo)致疾病的發(fā)生。NAD+/NADH是參與腫瘤代謝氧化還原反應(yīng)的重要輔酶，在糖酵解、三羧酸循環(huán)（TCA）等代謝過程中發(fā)揮著重要作用。已有報道證實，通過化學(xué)反應(yīng)將細(xì)胞內(nèi)的NAD+還原為NADH，能夠有效干擾癌細(xì)胞的生物功能，從而實現(xiàn)對癌細(xì)胞的殺傷。但由于細(xì)胞具有自我修復(fù)的特性，NAD+的還原容易被細(xì)胞其他代謝途徑恢復(fù)，因此難以打破腫瘤細(xì)胞內(nèi)NAD+/NADH的動態(tài)平衡。同時，傳統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)需要滿足高溫、無水等苛刻的條件，這限制了它們在細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜生理環(huán)境的應(yīng)用。相比之下，光催化反應(yīng)具有反應(yīng)條件溫和、便于遠(yuǎn)程調(diào)控等優(yōu)勢，這使得在細(xì)胞內(nèi)NAD+轉(zhuǎn)化變得可行。水溶性共軛聚合物具有優(yōu)異的光電轉(zhuǎn)化能力、高效的電子轉(zhuǎn)移效率和良好的生物相容性，可作為新型光催化劑，通過在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行光催化反應(yīng)，實現(xiàn)對癌細(xì)胞代謝的調(diào)控，從而促使腫瘤細(xì)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(yīng)，在常溫常壓下實現(xiàn)了NAD+的裂解（圖2）。在白光照射下，作者將PFP用于無氧條件下水溶液體系中NAD+裂解反應(yīng)，并對產(chǎn)物進(jìn)行了表征和分析。通過核磁共振和質(zhì)譜技術(shù)確定了NAD+的裂解產(chǎn)物為煙酰胺和ADP-核糖，并通過核磁共振氫譜定量分析計算出光照1小時后煙酰胺產(chǎn)物濃度達(dá)到113 μM。該反應(yīng)在溫和無氧的水溶液體系中可以實現(xiàn)NAD+的裂解，而不是還原生成NADH。這意味著該反應(yīng)可以實現(xiàn)NAD+的不可逆轉(zhuǎn)化，并有可能調(diào)節(jié)乏氧腫瘤細(xì)胞內(nèi)NAD+/NADH的動態(tài)平衡，抑制腫瘤細(xì)胞的生長。

圖2. PFP光催化NAD+分解。

隨后，作者將該光催化反應(yīng)體系引入乏氧處理的小鼠乳腺癌細(xì)胞4T1中。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)8 μM的 PFP共孵育的4T1細(xì)胞在光照20分鐘后，細(xì)胞內(nèi)NAD+比例從73%下降到65%，并出現(xiàn)明顯的細(xì)胞損傷。細(xì)胞線粒體膜電位降低和ATP含量顯著下降都表明其線粒體電子傳遞鏈?zhǔn)軗p（圖3）。這些數(shù)據(jù)表明該光催化反應(yīng)可以在細(xì)胞內(nèi)實現(xiàn)，并通過影響線粒體電子傳遞鏈調(diào)控腫瘤細(xì)胞的凋亡。

圖3. PFP在光照下促進(jìn)癌細(xì)胞凋亡。

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

圖4. PFP光催化裂解NAD+的機(jī)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(yīng)，在光照條件下將NAD+不可逆地裂解為煙酰胺和ADP-核糖。細(xì)胞實驗證實，該反應(yīng)可實現(xiàn)乏氧腫瘤細(xì)胞中NAD+的消耗，從而促進(jìn)腫瘤細(xì)胞4T1凋亡。這項工作利用化學(xué)手段實現(xiàn)了腫瘤細(xì)胞的代謝干預(yù)，為可控腫瘤細(xì)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)會旗艦期刊CCS Chemistry上。

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