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针对上述挑战，近日，湖南大学何清课题组基于超蕃功能分子体系发展了一类人工单分子类酶催化剂（简称单分子酶，Singzyme），实现了多功能酶模拟。在这项工作中，作者设计并合成了光敏超蕃1—一(yi)(yi)种(zhong)(zhong)独(du)特的(de)(de)共(gong)价有机笼(long)(long)(long)，其特征在(zai)于(yu)(yu)六(liu)个桥接(jie)单元连接(jie)两个平行苯环(huan)形(xing)成的(de)(de)笼(long)(long)(long)状结构(gou)（图(tu)1d）。这(zhei)(zhei)种(zhong)(zhong)由六(liu)个光敏(min)吩(fen)噻嗪(qin)单元构(gou)成的(de)(de)超(chao)蕃(fan)单分子(zi)酶，与吩(fen)噻嗪(qin)基的(de)(de)对照(zhao)化(hua)合物（笼(long)(long)(long)2、大环(huan)3和单体4）相比，表现出显著增(zeng)强的(de)(de)光吸收能力、优异(yi)的(de)(de)光生电子(zi)分离能力和转移效(xiao)(xiao)率，并显著降低了光生载流子(zi)的(de)(de)复合（图(tu)2a）。作者将这(zhei)(zhei)种(zhong)(zhong)特殊的(de)(de)光敏(min)性归因于(yu)(yu)“超(chao)笼(long)(long)(long)效(xiao)(xiao)应”或“超(chao)蕃(fan)效(xiao)(xiao)应”，这(zhei)(zhei)是(shi)一(yi)(yi)种(zhong)(zhong)与已建立的(de)(de)聚合物和大环(huan)效(xiao)(xiao)应互(hu)补的(de)(de)增(zeng)强机制。功能化(hua)后的(de)(de)吩(fen)噻嗪(qin)单元密集的(de)(de)排列形(xing)成了超(chao)蕃(fan)1的3D纳米级空腔，赋予其类酶行为，使(shi)其能够高(gao)效且有选择性(xing)地光催化氧化有机底(di)物。在间(jian)歇性(xing)光照下，超蕃1模拟了NADH氧化酶(NOX)和谷胱甘(gan)肽氧化酶(GSHox)活性(xing)。这种(zhong)双重类酶(mei)活性(xing)促进了NADH（一种(zhong)关(guan)键的(de)代谢辅(fu)助因(yin)子）和(he)谷(gu)胱甘肽(tai)（癌细胞(bao)中的(de)过(guo)表达物质）的(de)靶向氧(yang)化，从而产生活性(xing)氧(yang)（ROS）并诱导氧(yang)化应激(ji)。上(shang)述类酶(mei)活性(xing)通(tong)过(guo)协(xie)同凋(diao)亡(wang)(wang)和(he)铁死(si)亡(wang)(wang)的(de)途径导致(zhi)癌细胞(bao)死(si)亡(wang)(wang)，使超(chao)蕃1成为具(ju)有重要潜力的多功(gong)能分子平(ping)台，在光催化治疗(liao)和(he)基于氧(yang)化还(hai)原的抗癌策略中具(ju)有重要意义。

图1：通过将活性位点整合到（a）聚合物;（b）MOFs;（c）COFs中来(lai)获得类酶(mei)性质(zhi)的(de)典型策略。（d）基于(yu)超(chao)蕃的(de)单(dan)分子酶(mei)的(de)示意图（在本研究中报道(dao)）和(he)球形硫加氧酶(mei)还原酶(mei)的(de)俯(fu)视图。

自(zi)然界(jie)中，许多酶(mei)通(tong)过蛋白质单(dan)(dan)(dan)体或亚(ya)基协同组装形成(cheng)的准封(feng)闭(bi)或全封(feng)闭(bi)空腔结构，实现精确(que)的分(fen)子构型与催化功能(neng)。受这类(lei)结构的启发(fa)，作者通(tong)过将功能(neng)化的吩噻嗪单(dan)(dan)(dan)元引入超分(fen)子框架中来精确(que)设(she)计(ji)纳米级单(dan)(dan)(dan)分(fen)子类(lei)酶(mei)结构，并(bing)命名为“Singzyme”。 超蕃(fan)1中每个桥都使用功能化(hua)后(hou)的吩噻(sai)嗪(qin)，并添加C8碳链以增强化(hua)合(he)物(wu)溶解度（图2a）。为(wei)了(le)进(jin)行比较，作者合(he)成了(le)一(yi)系列对照化(hua)合(he)物(wu)：含(han)有三个吩噻(sai)嗪(qin)单元(yuan)的笼2，含(han)有两个吩噻(sai)嗪(qin)单元(yuan)的大(da)环3，和(he)含(han)有单个吩噻(sai)嗪(qin)单元(yuan)的单体4。此外，X射(she)(she)线单晶衍射(she)(she)表明超蕃1呈灯笼状结(jie)构，两个(ge)(ge)苯环由六(liu)个(ge)(ge)含吩噻嗪(qin)的桥(qiao)连接（图2c）。值(zhi)得注意的是，该结(jie)构类似(si)于球形(xing)酶，其核心尺(chi)寸高约2.0 nm，直径约1.6 nm。

图2：（a）超蕃1和(he)对照化合物笼2、大环3、单体4的结构；（b）超蕃(fan)1、笼(long)2和大环(huan)3的合成路线；（c）超蕃1的单晶结构(gou)。

考(kao)虑到光敏吩噻嗪(qin)单元在超蕃1的腔周围密集排列，作(zuo)者(zhe)接下来(lai)研(yan)究(jiu)了(le)其光(guang)化学(xue)和电化学(xue)性质。如图3a所示，超(chao)蕃1的(de)UV-Vis漫反射光(guang)谱显示出300 - 500 nm之(zhi)间的(de)吸收(shou)带。随(sui)着吩噻嗪单元的(de)数目减少，吸收(shou)边(bian)带的(de)逐(zhu)渐蓝移。这种(zhong)趋势表明超蕃1具有最高的光捕获能力。此(ci)外，固态颜色从超蕃1中的(de)棕黄色转变(bian)为(wei)单体4中的(de)浅黄色。

超蕃(fan)1的光(guang)(guang)学(xue)带隙(xi)（Eg）约为2.45 eV，显著窄于(yu)其(qi)他三种对(dui)照化合(he)物（图3b），表明其(qi)具有增强(qiang)的电(dian)子离(li)域性。光(guang)(guang)致发(fa)光(guang)(guang)光(guang)(guang)谱（图3c）显示，随着吩噻嗪单体(ti)的增加，荧光(guang)(guang)强(qiang)度(du)下降(jiang)，PL发(fa)射从(cong)480 nm逐渐红移(yi)到515 nm，同时谱带变宽(kuan)。超蕃1的显著红移和增宽(kuan)可能是由于共轭程度增加和电子相(xiang)互(hu)作用增强。上(shang)述(shu)结果表(biao)明(ming)超(chao)蕃1可通(tong)过系间交叉（ISC）进行(xing)光诱导(dao)电子转移(yi)，这一过程有利于生(sheng)成生(sheng)物(wu)应用所需的活性氧物(wu)种。采用电化学阻(zu)抗谱（EIS）和光电流响应测(ce)试对(dui)超蕃1的电(dian)化学性能进(jin)行了研究。如图3d，e所(suo)示，EIS谱表明，与对照化合物相(xiang)比，超蕃1最低的(de)(de)电阻值和(he)最高的(de)(de)光电流响应(ying)表明其在电荷转移过程中具(ju)有最高效的(de)(de)载流子分(fen)离和(he)迁移能力(li)。同时超蕃1在(zai)六个照(zhao)射周期内保(bao)持稳定的光(guang)电流(liu)响应，表(biao)明其在(zai)光(guang)照(zhao)下(xia)能连(lian)续且稳定的电子(zi)-空穴产生(sheng)。

通过Mott-Schottky曲线分析(xi)确定四种化(hua)合(he)物均为n-型(xing)半导体（图3f）。这些化(hua)合(he)物的导带(dai)电位(wei)与它(ta)们的平(ping)带(dai)电位(wei)非常接近。经标准氢电极(ji)校准后，超蕃(fan)1的导带电位为-0.47 V，笼2为-0.52 V，大环3为-0.53 V，单体(ti)4为-0.55 V。计(ji)算超蕃1的价(jia)带电位约(yue)为(wei)1.98 V，笼2为(wei)2.06 V，大环3为(wei)2.09 V，单体4为(wei)2.14 V。结(jie)果表(biao)明，这(zhei)四种化合物都能够还原O₂形成超氧自由基（O₂^•‑）。为了进一步(bu)评估(gu)这(zhei)些光敏剂的(de)ROS生成能力(li)，作者(zhe)使用DMPO和TEMP分(fen)别作为O₂^•‑和¹O₂的(de)捕获剂进行ESR测试（图(tu)3g，h）。激光照射含有同样吩(fen)噻嗪(qin)当(dang)量的(de)四种(zhong)化合物的(de)溶液(ye)时，由于(yu)“超笼效应(ying)”，超蕃(fan)1表现出最高的O₂^•‑和¹O₂产生速率。接着，作(zuo)者采用(yong)循环伏安法(fa)，研究了这4种(zhong)光敏剂的氧(yang)化(hua)还原性能。如图3i所示，每种(zhong)光敏剂显示相似的可逆氧(yang)化(hua)峰，起始氧(yang)化(hua)电位从单体4到超蕃1逐渐降(jiang)低，这表明超蕃1的氧化变(bian)得更加(jia)容易。

图(tu)3：超(chao)蕃(fan)1、笼2、大环3和(he)单(dan)体4的光(guang)学和(he)电(dian)化学性质。（a）UV-Vis漫反(fan)射光(guang)谱；（b）用于光(guang)学带隙估计的Tauc图；（c）光(guang)致发(fa)光(guang)光(guang)谱（E_x: 380 nm，狭缝宽度：5 nm/5 nm）；（d）电(dian)化学阻抗谱（EIS）Nyquist图(tu)；（e）在(zai)可(ke)见光(guang)照射下的光(guang)电(dian)流测量;（f）经(jing)NHE校准后四种化合(he)物的价带导带位置和光(guang)学带隙；（g）以DMPO作为捕获(huo)剂(ji)的ESR谱；（h）以TEMP作为捕获(huo)剂(ji)的ESR谱；（i）循(xun)环(huan)伏安图(tu)。

基于上(shang)述光化学性质，作者接下(xia)来探(tan)索了超蕃1在(zai)(zai)可见光驱动(dong)的氧化(hua)中(zhong)的催化(hua)效(xiao)率，即苄胺氧化(hua)偶联和硫醚氧化(hua)（图4a，b）。为(wei)了系统地评(ping)价“超笼效(xiao)应”在(zai)(zai)催化(hua)效(xiao)率中(zhong)的作用(yong)，作者(zhe)使(shi)用(yong)苄胺作为(wei)模(mo)型底物，对四种(zhong)化(hua)合物进行了比(bi)较研(yan)究。在(zai)(zai)室温下(xia)照射12小时后(hou)，只有超蕃1表现出>99%的苄胺转化率(lv)（图(tu)4c）。超蕃1的周转数（TON）显著提高，分别是笼2、大环3和单体4的3.57倍、10.52倍和33.33倍，表明“超笼效应”在(zai)优化(hua)光催化(hua)效率方面的显著影响。为了(le)(le)阐明这种增强的催化(hua)作(zuo)用的机理，作(zuo)者使用各(ge)种清(qing)除剂(ji)和牺牲剂(ji)进行了(le)(le)一系列抑制实(shi)验(yan)。结果表明，O₂^•‑为驱动反应的(de)主要ROS，而¹O₂起次要作(zuo)用。这些结(jie)果进一步(bu)证实了光(guang)催化(hua)(hua)剂，光(guang)源和氧是不可缺少的(de)组成(cheng)部分。此外，作(zuo)者还拓展了在优化(hua)(hua)条件下超蕃1对(dui)于氧(yang)化偶联的底物范围（图4a）。有机硫(liu)化物的光氧(yang)化是评(ping)估(gu)O₂活化和¹O₂生(sheng)成效(xiao)率的典(dian)型(xing)模(mo)型(xing)反应。如图4b所示，在1 atm O₂气氛下，用450 nm LED光源照射3 h，超(chao)蕃1有效地催化(hua)了硫醚(mi)氧化(hua)为亚砜，证(zheng)明了其(qi)对污染物降解的潜(qian)力。相比之下，三种对照化(hua)合物的催化(hua)效率与苄胺(an)氧化(hua)偶(ou)联中(zhong)观察到的趋势一(yi)致，催化(hua)效率均显著低于(yu)超蕃1（图4c）。

图4：四种化(hua)合物(wu)催化(hua)有机氧化(hua)反应的(de)性能。（a）超(chao)蕃1对苄胺的光催化(hua)氧化(hua)偶联反应(ying)；（b）超蕃(fan)1对硫醚的光催化选择性(xing)氧化;（c）四种(zhong)化合物在(zai)苄胺氧化偶联(lian)和硫醚氧化有机(ji)催化反应中(zhong)的性(xing)能比(bi)较。

基于(yu)超蕃1在450 nm照射下产生O₂^•‑和¹O₂的卓(zhuo)越能力，并形成强氧化性自(zi)由基物质（superphane*），作者探索了其超(chao)越传统催(cui)化剂的更广泛的催(cui)化潜力。细胞内关(guan)键辅酶NADH和其氧化产物NAD⁺的(de)平衡具(ju)有(you)重要意义。作者探究(jiu)了超(chao)蕃1作为(wei)模拟NADH氧化酶（NOX）活性的潜力。结果(guo)表明(ming)，超蕃1的¹O₂的(de)产率达到70%，对NADH的(de)氧化能力均显著超(chao)越(yue)笼2、大环3和单体(ti)4，具有优异的(de)NOX活性。

在类NOX研究过程中，作(zuo)者观察到NADH氧化(hua)(hua)仅在光照下(xia)进(jin)行(xing)，而(er)在没有光照的(de)情况下(xia)几乎无活性（图5a）。因此，作(zuo)者分析了天然(ran)NOX氧化(hua)(hua)NADH的(de)常见产物，如H₂O₂和NAD⁺。在(zai)氧化体系(xi)中加入(ru)乙醇(chun)脱氢酶(mei)和乙醇(chun)后，在(zai)340 nm处的紫外吸(xi)收(shou)在(zai)10 min内恢复到90%，证实了反应的主要产物是NAD⁺而非（NAD）₂（图5b）。动(dong)力学实验证实了超蕃1显著(zhu)氧(yang)化特性，其中(zhong)Michaelis−Menten曲线显示K_m为(wei)70.5 μM，表明与天(tian)然(ran)NOX（192.9 μM）相比，其(qi)对(dui)NADH的亲和(he)力较强(qiang)，V_max为17.1 μM min⁻¹（图(tu)5c、d）。超蕃1和天然(ran)NOX的催化常数（K_cat）分别为1.71 min⁻¹和221.4 min⁻¹。催(cui)化效率（K_cat/K_m）分(fen)别(bie)为2.43 × 10⁴和114.77 × 10⁴ L mol⁻¹ min⁻¹。这些结果表(biao)明，超(chao)蕃1有可能取代天然酶(mei)，实(shi)现高效的酶(mei)催化反应。

在线粒体呼吸链中，NOX不仅将(jiang)电子从NADH转(zhuan)移到O₂，还将电(dian)子转移到(dao)Cyt c，表现出(chu)类Cyt-c还原酶的活性。如图5e所(suo)示，当照射NADH和超蕃1体系时，随(sui)着NADH氧化，Cyt-c被(bei)还原，在550 nm处Cyt - c吸收峰增加，并且从(cong)409 nm红移(yi)到(dao)412 nm，表明Cyt - c中的铁(tie)转化为亚(ya)铁(tie)形(xing)式。相比(bi)之(zhi)下，超蕃1仅引起(qi)轻(qing)微(wei)的光谱变化，而单(dan)独的NADH不诱导任何光谱变化，证(zheng)实了超蕃1介导(dao)从NADH到Cyt-c的电子转移（图5 f）。根(gen)据(ju)酶动力学，从Michaelis−Menten曲(qu)线(xian)（图5g，h）推导(dao)出K_m为40.1 μM，V_max为3.5 μM min⁻¹。

GSH在调节(jie)细胞(bao)氧化应激(ji)中是必(bi)不可(ke)少的。作者评估了超蕃1的类GSH氧化酶活性。使用DTNB作为(wei)显色剂，在照射(she)30分钟内，观察到超蕃1和(he)GSH溶液的(de)颜色发生(sheng)了(le)显著的(de)变(bian)化，从亮黄色变(bian)为无(wu)色（图5i）。通过Michaelis−Menten曲线，测(ce)定其类GSH氧(yang)化酶的(de)K_m和V_max值分别(bie)为(wei)15.6 μM和4.3 μM min⁻¹，表明其具有较强的类GSH_OX活(huo)性（图5 j）。

在广泛的(de)TMB/TMBox反应模型(xing)研究中，作者观(guan)察到652 nm处(chu)的(de)吸收强(qiang)度随着TMB浓度的(de)升高而增(zeng)加（图5 k）。酶动力学实验(yan)得出(chu)K_m和V_max值分别为452.4 μM和16 μM min^-1（图5l）。考虑到肿(zhong)瘤微环境的微酸(suan)性，作者进一步研究了(le)pH值对超蕃1类(lei)(lei)酶(mei)活性(xing)的影响。结果显示(shi)，其类(lei)(lei)酶(mei)功能，特别是NADH氧(yang)化(hua)类(lei)(lei)酶(mei)、GSH氧(yang)化(hua)类(lei)(lei)酶(mei)和氧(yang)化(hua)活性(xing)，在酸性(xing)条(tiao)件下增(zeng)强。

图5：超蕃1的体(ti)外类酶活性。（a）超蕃1的(de)光可控NADH氧化活性(xing)；（b）分(fen)别由超蕃1和ADH催化的NADH消耗和回收；超(chao)蕃1的NADH氧化类酶活(huo)性的（c）稳态动力(li)学分(fen)析和（d）Lineweaver−Burk图；（e）超(chao)蕃1的Cyt-c还原类酶活性(xing)；（f）反应30分钟后不同溶液的UV−Vis吸收光谱(pu)；超(chao)蕃1的Cyt-c还(hai)原类酶活性(xing)的（g）稳态动力学(xue)分析和（h）Lineweaver-Burk；（i）超(chao)蕃1对(dui)GSH的氧(yang)化活性；（j）超蕃1的(de)GSH氧化(hua)类酶活性的(de)稳态动力学分(fen)析；（k）超蕃1的(de)氧(yang)化类(lei)酶活(huo)性；（l）超蕃1的氧化(hua)类(lei)酶活(huo)性的稳态动力(li)学分析。

基(ji)于超蕃1的类酶(mei)活性(xing)(xing)，作(zuo)者(zhe)进(jin)一步研究了(le)其(qi)体外催化(hua)潜(qian)力，重点是(shi)其(qi)在调节细(xi)胞(bao)氧化(hua)应(ying)激中的作(zuo)用。为了(le)评估生(sheng)物相容性(xing)(xing)，作(zuo)者(zhe)测试了(le)这(zhei)四种基于吩噻(sai)嗪(qin)的光敏剂(ji)在四种细(xi)胞(bao)系（即Hela细(xi)胞(bao)、MCF−7细(xi)胞(bao)、Hepa 1−6细(xi)胞(bao)和3T3细(xi)胞(bao)）中的细(xi)胞(bao)毒(du)性(xing)(xing)。在0-64 μg/ mL浓度范围内孵育12 h后，细(xi)胞(bao)存(cun)活率(lv)保持(chi)在90%以上(shang)，证实了(le)这(zhei)些(xie)光敏剂(ji)具有(you)良好生(sheng)物相容性(xing)(xing)。

接下来，作者专注于(yu)Hepa 1−6细胞系(xi)，以(yi)评估超(chao)蕃1诱导细(xi)胞凋亡的潜力。用不同浓度的超(chao)蕃1处理Hepa 1−6细胞。与未辐(fu)照组相比，辐(fu)照组中细胞发生(sheng)显著诱导凋亡。超蕃1的IC₅₀值4.49 ± 0.53 μg/mL，显著低于(yu)其(qi)他对照组，突出了其(qi)PDT功效。如(ru)图6b所示，与超蕃1共(gong)孵育后，Hepa 1−6细胞(bao)内(nei)的NADH水平(ping)降(jiang)(jiang)(jiang)低(di)(di)了66%。NADH的降(jiang)(jiang)(jiang)低(di)(di)抑制了细胞(bao)的氧(yang)化磷酸化（OXPHOS），导致线(xian)粒体膜(mo)电位(wei)活(huo)性(xing)降(jiang)(jiang)(jiang)低(di)(di)，ATP水平(ping)下降(jiang)(jiang)(jiang)50%。此外，超蕃1产(chan)生(sheng)的(de)ROS结合NADH氧化过程中产(chan)生(sheng)的(de)H₂O₂，促(cu)进过表达的(de)GSH氧(yang)化(hua)为GSSG，使GSH水(shui)平(ping)降(jiang)低(di)77%。作为对(dui)照组，作者测量(liang)了3T3细(xi)(xi)胞(bao)(bao)中三种指(zhi)示(shi)剂(ji)水(shui)平(ping)的(de)变化(hua)。经NADH水(shui)平(ping)降(jiang)低(di)和激(ji)光(guang)照射后，三种指(zhi)示(shi)剂(ji)的(de)水(shui)平(ping)均略有(you)下降(jiang)，证实了NADH水(shui)平(ping)降(jiang)低(di)有(you)效(xiao)地破坏了癌细(xi)(xi)胞(bao)(bao)的(de)氧(yang)化(hua)还原稳态，最终诱导细(xi)(xi)胞(bao)(bao)凋(diao)亡(wang)和铁凋(diao)亡(wang)，同时对(dui)正常细(xi)(xi)胞(bao)(bao)表现出可忽略的(de)副(fu)作用(yong)。

接着，作者(zhe)进一步研究了超蕃1对氧化应激(ji)途径的影响。光谱分(fen)析证实，超蕃1通过NADH氧化产(chan)生大量的ROS（¹O₂，O₂^•‑），包括H₂O₂。这种(zhong)ROS激增破坏(huai)了细(xi)胞的氧化还原稳态(tai)，引(yin)发(fa)了“氧爆发(fa)”，推(tui)动细(xi)胞凋亡。使用(yong)DCFH-DA（和DHE）染色(se)，作者检测到在450 nm照射下用(yong)超(chao)蕃1处(chu)理的细胞(bao)中显著升高的细胞(bao)内ROS（图6c）。

此(ci)外，超蕃1表现出类似于NADH氧化(hua)酶（NOX）的(de)活性，氧化(hua)NADH，从而(er)破坏线(xian)粒(li)(li)体呼吸链内的(de)电子传(chuan)递。这降低(di)了(le)线(xian)粒(li)(li)体的(de)OXPHOS并减少ATP产生(sheng)，导致线(xian)粒(li)(li)体功能障碍并促进(jin)细胞凋(diao)亡。为(wei)了(le)评估线(xian)粒(li)(li)体膜电位(wei)（ΔΨ_m），作者使用JC-1作为荧(ying)光探针。如图6d所(suo)示，对照细胞显示红色荧(ying)光，表明线粒体膜电位完(wan)好，而超蕃1处理过的细(xi)胞，出现了强烈(lie)的绿色荧(ying)光，表明ΔΨ_m减(jian)少。随着超蕃(fan)1浓度(du)的(de)增加(jia)，绿色与红色荧(ying)光比率进一步增加(jia)，表明线粒体去极化的(de)浓度(du)依赖(lai)性。这些发现表明，超蕃1介导(dao)的NADH消耗诱导(dao)了(le)“多米(mi)诺效应(ying)”，导(dao)致线粒体损伤和细胞凋亡。最(zui)后，作者使用AM/PI染色评(ping)估了(le)超蕃1的(de)体外光(guang)动力治疗效果（图6 e）。对(dui)照(zhao)组几乎所有区域(yu)都显(xian)示出绿(lv)色荧光(guang)，表明细胞保持存活(huo)。然而在激光(guang)照(zhao)射下，随着超蕃1浓(nong)度增(zeng)加，红色荧光区域及空白区域逐渐扩(kuo)大，标志着细胞死亡(wang)率上升。值得(de)注意的是(shi)，当超蕃1浓度达到15μg/mL时，几(ji)乎所有细胞均失(shi)去活(huo)性，这(zhei)证实了该化合物在(zai)光(guang)照条件下(xia)具有显著的光(guang)动力治疗效(xiao)力。

鉴于光动(dong)力疗(liao)法(fa)展现的良好疗(liao)效，作(zuo)者引入超蕃1作为NADH氧化酶（NOX）模拟(ni)物，其(qi)设(she)计(ji)初衷是与(yu)内(nei)源性(xing)(xing)NOX酶竞争(zheng)NADH氧化过(guo)程。这种竞争(zheng)引发了一系(xi)列氧化还原失(shi)衡效(xiao)应：有效(xiao)降(jiang)低细(xi)胞(bao)内(nei)NADH水平，损(sun)害(hai)电子(zi)传递(di)链功(gong)能(neng)，从而抑(yi)制(zhi)ATP合成(cheng)与(yu)线粒体呼吸作用。由此(ci)导(dao)致的线粒体功(gong)能(neng)障碍进(jin)一步抑(yi)制(zhi)了OXPHOS，最终诱发肿瘤细(xi)胞(bao)的能(neng)量耗竭(jie)。除NOX模拟(ni)活性(xing)(xing)外，超(chao)蕃1还(hai)展现(xian)出类(lei)GSH氧化(hua)酶(mei)(mei)活性(xing)(xing)，能(neng)加速细(xi)胞内(nei)GSH的(de)氧化(hua)过程，进(jin)一(yi)步(bu)加剧氧化(hua)应(ying)激(ji)反应(ying)。作为(wei)关键细(xi)胞抗氧化(hua)剂(ji)之(zhi)一(yi)的(de)GSH被耗竭后，细(xi)胞中和(he)活性(xing)(xing)氧ROS的(de)能(neng)力(li)显著削弱(ruo)，导致细(xi)胞内(nei)爆(bao)发性(xing)(xing)氧化(hua)应(ying)激(ji)。急剧升高的(de)ROS水平不仅引发标志铁死亡的(de)广泛(fan)脂质过氧化(hua)反应(ying)，同时激(ji)活了(le)半胱天(tian)冬酶(mei)(mei)介导的(de)凋亡通(tong)路。铁死亡与凋亡这两(liang)种截(jie)然不同的(de)细(xi)胞死亡机(ji)制协同作用(yong)，显著增强了(le)超(chao)蕃1在(zai)肿瘤微环境中的细胞毒性效应。

这些结果证实超蕃1是一(yi)种能精确调控氧化(hua)(hua)还原稳态、破坏代谢通(tong)路的(de)(de)多酶模拟物(wu)。通(tong)过发挥其作(zuo)为类(lei)NOX和类(lei)GSH氧化(hua)(hua)酶模拟物(wu)的(de)(de)双(shuang)重功能，该(gai)化(hua)(hua)合物(wu)形成了(le)一(yi)种协同治疗策略——通(tong)过放大氧化(hua)(hua)应激、耗(hao)竭ATP及激活(huo)程序性细胞(bao)死亡等机(ji)制选择性靶向(xiang)肿瘤(liu)细胞(bao)。这种机(ji)制上的(de)(de)多功能性，彰(zhang)显了(le)其作(zuo)为新一(yi)代超分(fen)子(zi)抗癌治疗剂的(de)(de)巨大潜力(li)。

图6：超蕃1的体(ti)外治疗作用。（a）超(chao)蕃(fan)1处理(li)后，有和(he)无(wu)激(ji)光照射(she)的(de)Hepa 1−6细(xi)胞(bao)的(de)细(xi)胞(bao)活力；（b）用15 μg mL⁻¹的超(chao)蕃1处理的Hepa 1−6细(xi)胞中NADH、ATP和(he)GSH的细(xi)胞内水平；（c）超蕃(fan)1处理(li)后Hepa 1−6细胞内ROS的荧光图像（15 μg/mL）；（d）超蕃1处理后Hepa 1−6细胞(bao)线(xian)粒体膜电位（Ψ_m）的(de)变化；（e）不(bu)同处理条件(jian)下AM/PI染(ran)色的(de)Hepa 1−6细(xi)胞(bao)的(de)CLSM；（f）超蕃1诱导的细胞死亡机制示意图和超蕃1催化的NADH消耗所触发的“多米诺(nuo)效应”的示意(yi)图。

总之，本(ben)研究(jiu)基于“超笼(long)效应(ying)”策略设计了超蕃1光敏剂，增强(qiang)了其光敏性、光催化氧化并赋予癌(ai)症治疗等多(duo)方面的酶(mei)模拟(ni)特(te)性。在(zai)分(fen)子(zi)水平(ping)优化后，超蕃(fan)1表现出显著改善的(de)光(guang)吸(xi)收、优异的(de)光(guang)生电子(zi)(zi)分(fen)离和转移以及在(zai)低能(neng)光(guang)下减少的(de)载流(liu)子(zi)(zi)复合(he)，产(chan)(chan)生了高ROS产(chan)(chan)率(lv)和光(guang)催化(hua)氧化(hua)。其独特的(de)单(dan)分(fen)子(zi)(zi)结构作为单(dan)分(fen)子(zi)(zi)酶，展(zhan)现出类似NADH氧化(hua)酶和GSH氧化(hua)酶的(de)活性(xing)(xing)。这使得NADH和GSH能(neng)够被选(xuan)择性(xing)(xing)地耗(hao)尽，破坏细(xi)胞(bao)的(de)氧化(hua)还(hai)(hai)原平衡(heng)，引发线粒(li)体功能(neng)障碍。这种(zhong)“多米诺效应”不仅启(qi)动了细(xi)胞(bao)凋亡(wang)和铁死亡(wang)途径(jing)，还(hai)(hai)伴随着活性(xing)(xing)氧积(ji)累(lei)、氧爆(bao)发和GSH耗(hao)竭(jie)，进一(yi)步下调GPX4的(de)表达，加速肿瘤细(xi)胞(bao)的(de)死亡(wang)。值得注(zhu)意(yi)的(de)是，单(dan)分(fen)子(zi)(zi)酶1在(zai)酸性和(he)(he)中(zhong)性环(huan)境中(zhong)展现出pH−依赖性的(de)(de)(de)稳定(ding)催化(hua)(hua)活性，这(zhei)(zhei)正是肿瘤微(wei)环(huan)境的(de)(de)(de)特征，突显了(le)(le)其在(zai)对(dui)(dui)健康(kang)细胞影响最小的(de)(de)(de)情况下(xia)，实现精准且高效抗癌治(zhi)疗(liao)的(de)(de)(de)潜力(li)。这(zhei)(zhei)些发现标志着超(chao)分(fen)(fen)子光动力(li)疗(liao)法和(he)(he)酶−模拟催化(hua)(hua)领(ling)域的(de)(de)(de)重大(da)突破(po)，确立了(le)(le)超(chao)蕃作为多功能“单(dan)(dan)分(fen)(fen)子酶”的(de)(de)(de)地(di)位(wei)。这(zhei)(zhei)些“单(dan)(dan)分(fen)(fen)子酶”在(zai)生(sheng)(sheng)物启(qi)发的(de)(de)(de)催化(hua)(hua)、癌症治(zhi)疗(liao)等方面(mian)展现出卓越的(de)(de)(de)能力(li)。此外(wai)，单(dan)(dan)分(fen)(fen)子酶在(zai)氧(yang)化(hua)(hua)还原调节和(he)(he)生(sheng)(sheng)化(hua)(hua)研究中(zhong)展现出广泛的(de)(de)(de)应(ying)用潜力(li)，突显了(le)(le)它们对(dui)(dui)推动基础科(ke)学进步和(he)(he)促进治(zhi)疗(liao)创新的(de)(de)(de)变革性影响。

何清(qing)，湖南大学教授、博士生导师、国家海外高层次青年人才。2010年7月于湖南师范大学制药工程系获学士学位；2015年7月于中国科学院化学研究所获得理学博士学位；2015年7月–2019年3月在（美国）德克萨斯大学奥斯汀分校化学系从事博士后研究（合作导师为Jonathan L. Sessler教授）；2019年入选国家海外高层次人才青年项目回国工作，任湖南大学化学系教授。主持/承担国家自然科学基金面上项目、青年项目及国家重点研发计划子课题等多项课题。主要研究方向为超分子化学和新型功能材料，包括分子笼化学（超蕃化学与塔笼化学）、新型非共价相互作用力、先进超分子材料（非多孔非晶态超吸附材料、超分子离子传导膜）和超分子分离技术。在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Chem.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Sci.、Adv. Energy Mater.、Chem. Rev.、Chem. Soc.Rev.、Acc. Chem. Res.、Coordin. Chem. Rev.、CCS Chem.等国际著名期刊上发表学术论文60余篇，申请/授权专利8项。荣获2025年度“Thieme Chemistry Journals Award”学术奖。目前担任《四面体》（Tetrahedron）和《四面体快报》（Tetrahedron Letters）青年编委、《Tetrahedron Chem》客座编辑。