Design, Synthesis, and Application of Emerging Photosensitizers for Imaging and Cancer Therapy

Abstract

In chapter I, the traditional methods of cancer treatment, the principles of imaging (fluorescence and photoacoustic imaging), and phototherapy (photodynamic and photothermal therapy) were briefly presented. In chapter II, three donor-acceptor (D-A) type TADF compounds constructing through directly connecting electron-donating moieties (phenoxazine or phenothiazine) with an electron-withdrawing moiety (1,8-naphthalimide) were reported as promising candidates for time-resolved fluorescence imaging. Both theoretical calculations and experimental results demonstrated that these TADF compounds showed extremely small singlet-triplet energy gaps (ΔEST) contributing to reverse intersystem crossing. These compounds displayed aggregation-induced red-fluorescence as well as long-delayed luminescence lifetimes being unaffected by O2. In addition, these long-lived TADF compounds, especially the phenoxazine-substituted luminophores, exhibited good biocompatibility and high-contrast time-resolved luminescence imaging in HeLa cells. This work offered a universal approach for designing pure organic long-lived TADF compounds and expanded their biological application in luminescence lifetime imaging. In chapter III, we designed novel thio-naphthalimide derivatives (RNI-S) as photosensitizers (PSs) that could effectively produce reactive oxygen species (ROS) under normoxia and hypoxia to enhance cancer treatment efficiency. The photophysical properties occurred dramatically change after the replacement of two carbonyl groups of traditional naphthalimide (RNI-O) with two thiocarbonyl groups. RNI-S showed remarkable fluorescence quenching (ΦF ~ 0), while the intersystem crossing (ISC) abilities of RNI-S were enhanced. Outstandingly, the 1O2 quantum yields (Φ∆) of RNI-S increased (Φ∆: NI-S < MONI-S < MANI-S ~ 1.00, in air-saturated acetonitrile) when the electron-donating ability of the 4-R substituents raised. Additionally, the theoretical calculation results suggested that the efficient formation of the excited triplet state RNI-S could be attributed to the small ΔEST and large spin-orbit coupling (SOC). The ROS production ability of MANI-S was inhibited under an aqueous solution owing to the forming of self-assembly nanoparticles; however, it suffered from the recovery under the cancer cellular environment. It was worth noting that MANI-S could efficiently produce ROS and ablate cancer cells under normoxic and hypoxic conditions via the type-II and type-I pathways. In chapter IV, we reported novel heavy-atom-free BODIPY photosensitizers (R-BODs) as theranostic agents with strong 1O2 generation ability and good emissive performance for fluorescence imaging and photodynamic therapy (PDT). To finely tune the photophysical and photosensitizing properties of the traditional BODIPY core, the thiophene moieties and different electron-structure substituents were integrated into the π-conjugate plane and meso-site of the BODIPY core, respectively. Surprisingly, MeO-BOD (R = p-methoxyphenyl) exhibited the most excellent 1O2 generation capability in air-saturated acetonitrile (Ф∆ ≈ 0.85) and good fluorescence behavior (ФF ≈ 17.11%). Moreover, MeO-BOD possessed low cytotoxicity and satisfactory fluorescence imaging in HeLa cells. What’s more, the mitochondria-targeted MeO-BOD notedly enhanced the PDT efficacy with a very low half-maximal inhibitory concentration (IC50) of about 95 nM. All the results revealed that the introduction of electron donors into the meso-site of thiophene-fused BODIPY system could be a promising method to construct effective photosensitizers for cancer diagnosis and photodynamic therapy. In the last chapter, we designed and synthesized two near-infrared (NIR) thiophene-fused BODIPY as phototheranostic agents (PY-BDP and CAT-BDP) for imaging-guided cancer phototherapy. Through comprehensive evaluation, CAT-BDP displayed more excellent and versatile functions, including moderate fluorescence and singlet oxygen quantum yield (ΦF ≈ 0.22, Φ∆ ≈ 0.22), especially, high photothermal conversion efficiency (η ≈ 44.52%), which may be regulated by the photoinduced electron transfer (PET) process. Notably, CAT-BDP could be more efficiently internalized by cancer cells and mainly located in mitochondria due to the introduction of pyridinium moiety, which made it successfully using for fluorescence imaging and exhibiting strong phototoxicity (IC50 ~ nM) through destroying mitochondria to trigger strong cancer cell apoptosis. Moreover, CAT-BDP displayed good biocompatibility and low dark toxicity in different cell lines. This work provided one potential approach to design all-around phototheranostic agents enhancing phototherapy effects. ;1장에서는 전통적인 암치료방법, 이미징의 원리(형광 및 광 음향 이미징; photoacoustic imaging), 광요법(광역학 및 광열치료)에 대해 간단히 소개하였다. 2장에서는 time-resolved 형광 이미징의 유망 후보로서, 전자주개 부분(phenoxazine 또는 phenothiazine)과 전자받개 부분(1,8-나프탈리미드)이 연결되어 구성된, 전자주개-받개 수용체(D-A) 형태인 TADF 화합물 3가지를 보고하였다. 이론적 계산과 실험 결과는 TADF 화합물이 역 계간 교차(reverse intersystem crossing)에 기여하는 매우 작은 단일항-삼중항 에너지 갭 (ΔEST)을 나타냈음을 증명한다. 이 화합물들의 응집 유발 적색 형광과 오래 지속되는 발광 시간은 O2에 영향을 받지 않는다는 것을 보여주었다. 또한 이러한 오래 지속되는 TADF 화합물 중, 특히 phenoxazine 치환 발광체는 HeLa 세포에서 우수한 생체 적합성과 high-contrast 형광 수명 이미징을 나타냈다. 이 연구는 오래 지속되는 TADF 유기 화합물 설계를 위한 보편적인 접근방식을 제공하였으며, 발광 수명 이미징에서 생물학적 응용까지 확대하였다. 3 장에서는 암 치료 효율을 높이기 위해, 정상 산소 상태(normoxia)와 저산소 상태(hypoxia)에서 활성 산소종(ROS)을 효과적으로 생성할 수 있는 감광제(PS)로써, 새로운 티오-나프탈리미드 유도체(RNI-S)를 설계하였다. 기존의 나프탈리미드(RNI-O)의 카보닐기 2개를 티오카보닐기 2개로 대체하자, 광물리학적 성질이 극적으로 변화하였다. RNI-S는 현저한 형광 소광(ΦF ~ 0)상태를 보였으며, RNI-S의 계간 교차(ISC)능력은 향상되었다. 놀라운 사실은 4-R 치환기의 전자주개 능력이 상승할 때, RNI-S의 단일항 산소의 양자 수율(Φ∆)이 증가한다는 점이다(Φ∆: NI-S < MONI-S < MANI-S ~ 1.00, 공기로 포화된 acetonitrile). 또한, 이론적 계산 결과는 RNI-S의 들뜬 삼중항 상태의 효율적인 형성이 작은 ΔEST와 큰 스핀-궤도결합(SOC)에 기인할 수 있음을 시사하였다. MANI-S의 ROS 생성 능력은 자기 조립 분자의 형성에 의해 수용액 하에서는 억제되었으나, 암세포 환경 아래서는 회복에 어려움을 겪었다. MANI-S는 ROS를 효율적으로 생성하여 타입 II와 타입 I 경로를 통해 정상산소와 저산소 조건에서 암세포를 타겟 할 수 있다는 사실에 주목할 필요가 있다. 4장에서는 형광 이미징과 광역학 요법(PDT)을 위한 강력한 단일항 생성 능력과 뛰어난 발광 성능을 가진 테라노스틱 물질로서, 중 원자 원자를 포함하지 않는 새로운 BODIPY 광감응제(R-BODs)를 보고했다. 기존의 BODIPY 코어의 빛 물리적 특성과 감광성 특성을 조정하기 위해서, 티오펜(thiophene) 부분과 다른 전자 구조 치환기를 각각 π 컨주게이션(conjugate) 면과 BODIPY 코어의 메소(meso) 위치에 연결했다. 놀랍게도, MeO-BOD (R = p-methoxyphenyl)는 공기로 포화된 아세토니트릴(Ф∆ ≈ 0.85)에서 가장 뛰어난 단일항 산소 생성 능력과 우수한 형광(ФF ≈ 17.11%)을 보여주었다. MeO-BOD는 낮은 세포 독성과 더불어, 만족스러운 형광 이미징 능력을 갖고 있으며, 미토콘드리아를 표적으로 한 MeO-BOD는 약 95 nM의 최대 억제 농도의 절반(IC50)에서 PDT 효과가 크게 향상되었다. 모든 결과는 티오펜 융합 BODIPY 시스템의 중간 부위에 전자 주개를 도입하는 것이 암 진단과 광역학 치료에 효과적인 광 감응제를 구축하는 유망한 방법이라는 사실을 보여주었다. 마지막 장에서는 이미징 유도 암 치료를 위한 광역학 치료제(PY-BDP와 CAT-BDP)로써, 근적외선(NIR) 티오펜 융합 BODIPY를 설계하고, 합성하였다. CAT-BDP는 우수한 형광과 단일항 산소 양자 수율(ΦF ≈ 0.22, Φ∆ ≈ 0.22) 뿐만 아니라, 광유발전자전이(PET)과정에 의해 조절되는 높은 광열 변환 효율(η ≈ 44.52%)을 보여주었다. 특히, CAT-BDP는 암세포에 의해 보다 효율적으로 내부화 되며, 피리듐 부분의 도입에 의해 주로 미토콘드리아에 위치할 수 있다. 이 성질들은 미토콘드리아를 파괴함으로써, 강력한 암세포 아포토시스를 유발하였고, CAT-BDP를 형광 이미징과 강한 광독성(IC50 ~ nM)을 나타내는 데 성공하였다. 또 CAT-BDP는 다른 세포주에서 양호한 생체 적합성과 낮은 세포독성을 나타냈다. 이 연구는 광역학 효과를 높이고, 만능 광테라노스틱 치료제를 설계하기 위한 잠재적 접근법이라는 의의가 있다.