Programmable Singlet Oxygen Battery for Automated Photodynamic Therapy Enabled by Pyridone–Pyridine Tautomer Engineering

化学 单线态氧 互变异构体 吡啶 光动力疗法 光敏剂 光化学 组合化学 氧气 有机化学
作者
Jianwu Tian,Bowen Li,Chongzhi Wu,Zhiyao Li,Honglin Tang,Wentao Song,Guobin Qi,Yufu Tang,Ping Yuan,Bin Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (24): 16458-16468 被引量:11
标识
DOI:10.1021/jacs.4c02500
摘要

The efficacy of photodynamic therapy is hindered by the hypoxic environment in tumors and limited light penetration depth. The singlet oxygen battery (SOB) has emerged as a promising solution, enabling oxygen- and light-independent 1O2 release. However, conventional SOB systems typically exhibit an "always-ON" 1O2 release, leading to potential 1O2 leakage before and after treatment. This not only compromises therapeutic outcomes but also raises substantial biosafety concerns. In this work, we introduce a programmable singlet oxygen battery, engineered to address all the issues discussed above. The concept is illustrated through the development of a tumor-microenvironment-responsive pyridone–pyridine switch, PyAce, which exists in two tautomeric forms: PyAce-0 (pyridine) and PyAce (pyridone) with different 1O2 storage half-lives. In its native state, PyAce remains in the pyridone form, capable of storing 1O2 (t1/2 = 18.5 h). Upon reaching the tumor microenvironment, PyAce is switched to the pyridine form, facilitating rapid and thorough 1O2 release (t1/2 = 16 min), followed by quenched 1O2 release post-therapy. This mechanism ensures suppressed 1O2 production pre- and post-therapy with selective and rapid 1O2 release at the tumor site, maximizing therapeutic efficacy while minimizing side effects. The achieved "OFF–ON–OFF" 1O2 therapy showed high spatiotemporal selectivity and was independent of the oxygen supply and light illumination.
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