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(dòng)的基礎(chǔ)，決定了細(xì)胞正常的生命活動(dòng)和生物功能。當(dāng)細(xì)胞出現(xiàn)代謝紊亂時(shí)，其內(nèi)部生物功能會(huì)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(bào)道證實(shí)，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(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)態(tài)平衡。同時(shí)，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?cè)诩?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(shì)，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(shí)現(xiàn)對(duì)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(bào)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(shí)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(duì)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(jì)算出光照1小時(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)態(tài)平衡，抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)。

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(shí)驗(yàn)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(shí)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(duì)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(hào)，結(jié)合已知產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，推測(cè)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(shí)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(bào)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(shí)驗(yàn)證實(shí)，該反應(yīng)可實(shí)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(xiàng)工作利用化學(xué)手段實(shí)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(guó)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(guó)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(guó)化學(xué)會(huì)旗艦期刊CCS Chemistry上。

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