【MOF光动力治疗】：通过降低构筑单元的对称性诱导金属-有机框架中的介孔和丰富的开放金属位点用于癌症治疗

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摘要:
中科院福建物构所曹荣和福州大学宋继彬报道的这篇文章(CCS Chemistry 2022, 4, 996)中通过设计一种对称性降低的有机构筑单元H3BDBA,成功构筑了一种新颖的(3,4,6)连接的idp拓扑结构的Zr基金属有机框架PFC-16。该框架具有介孔和丰富的开放金属位点,可以通过后合成和后修饰策略引入各种功能基团。通过负载光敏剂酞菁锌(ZnPc)和修饰靶向分子叶酸(FA),制备的复合材料FA-ZnPc@nano-PFC-16在体内外光动力治疗癌症方面表现出优异的治疗效果。本工作证明了通过调控构筑单元的对称性可以获得新颖MOF结构并赋予其广泛的应用前景。

研究背景:
1）Zr基MOFs因其优异的化学稳定性和可设计性而备受关注,但目前报道的结构仍然有限,亟需开发兼具高稳定性、大孔和丰富开放金属位点的新型Zr-MOFs。
2）传统的增大配体尺寸的方法往往导致结构互穿,难以获得具有大孔的框架;此外这种策略容易获得已知拓扑结构,不利于拓展MOF结构库。一些研究表明非对称配体有利于获得高孔隙率、新拓扑结构、多种金属簇的MOFs。
3）本文在前人工作基础上,提出通过降低三羧酸配体的对称性来构筑新型Zr-MOFs。设计了一种特殊的H3BDBA配体,两个羧基被乙炔基苯甲酸取代,另一个被较短的甲基苯甲酸取代,且引入甲基使相连的羧基垂直于另外两个乙炔基苯甲酸所在平面。这种扭曲构型有望诱导产生新颖结构。

实验部分:
1）合成了配体H3BDBA,通过溶剂热法与ZrCl4反应,120°C反应3天,得到淡黄色PFC-16晶体,产率71.9%。通过降低反应温度至90°C,获得了纳米尺寸的nano-PFC-16,产率83.9%。
2）在nano-PFC-16合成体系中加入ZnPc,一步合成了ZnPc@nano-PFC-16复合材料,产率80.7%。
3）将ZnPc@nano-PFC-16分散于水中,加入FA的DMSO溶液,90°C反应2天,制得FA-ZnPc@nano-PFC-16。
这些实验首次获得了(3,4,6)连接的idp拓扑结构,且材料具有纳米尺寸、高产率,可进一步负载功能分子用于生物医学。

表征分析:
1）单晶衍射分析表明PFC-16结晶于Im3¯空间群,化学式为Zr6O4(OH)4(BDBA)2(OH)6。结构中存在两种配位数不同的Zr6簇(6配位和4配位),这在Zr-MOFs中尚属首次。计算表明其比表面积高达3510.47 m2/g。
2）PXRD图谱和N2吸附证实了PFC-16的相纯度和永久微孔/介孔性质。实验BET比表面积为3231 m2/g,与理论值接近。PFC-16在pH 3-12的水溶液中浸泡后结构和比表面积保持不变,表明其优异的化学稳定性。
3）固体荧光光谱和紫外可见光谱证实ZnPc和FA成功负载/修饰到PFC-16上。ICP测得ZnPc负载量为7.03% (mol/mol)。红外光谱在1690和1100 cm-1处出现FA的特征峰,进一步证实了FA的成功修饰。
4）光催化产生单线态氧实验表明,FA-ZnPc@nano-PFC-16在660 nm激光照射下可有效降解DPA和亚甲基蓝,证明其优异的光动力性能。细胞实验表明该材料细胞毒性低,但在激光照射下可诱导癌细胞凋亡。
5）这些表征和分析揭示了PFC-16独特的结构特征和性质,FA-ZnPc@nano-PFC-16在光动力治疗方面的应用潜力。

总结:
1）本文设计合成了一种对称性降低的三羧酸配体H3BDBA,成功构筑了首例(3,4,6)连接的idp拓扑Zr-MOF PFC-16。PFC-16具有两种配位数不同的Zr6簇、高比表面积(3231 m2/g)、介孔以及丰富的开放金属位点,且在酸碱性水溶液中稳定性优异。
2）利用其开放金属位点和介孔,PFC-16可负载ZnPc光敏剂和修饰FA靶向分子,制得FA-ZnPc@nano-PFC-16复合材料。
3）FA-ZnPc@nano-PFC-16在660 nm激光照射下可有效杀伤癌细胞,体内外实验均表现出优异的光动力治疗效果和生物相容性。
本工作为设计合成新型MOFs提供了降低构筑单元对称性的新思路,所得材料在生物医学等领域具有广阔的应用前景。

展望:
1）ZnPc和FA分子在孔道中的分布状态和相互作用机制有待深入研究,如采用谱学和理论计算等手段阐明。
2）除了光动力治疗,PFC-16还可以考察负载其他药物分子用于化疗、基因治疗等,有望实现多模式联合治疗。
3）PFC-16的合成方法仍需进一步优化,提高产率和重现性,降低成本,推动其临床转化应用。
4）本工作为设计合成新型MOFs提供了降低构筑单元对称性的新思路,所得材料在生物医学等领域具有广阔的应用前景。

Building Block Symmetry Relegation Induces Mesopore and Abundant Open-Metal Sites in Metal–Organic Frameworks for Cancer Therapy
文章作者：Jing Sun, Xuan Zhang, Dong Zhang, Ying-Pin Chen, Fei Wang, Lan Li, Tian-Fu Liu, Huanghao Yang, Jibin Song and Rong Cao
DOI：10.31635/ccschem.021.202000634
文章链接：https://www.chinesechemsoc.org/doi/full/10.31635/ccschem.021.202000634