近年来，光响应分子在化学、生物学和医学领域展现出巨大潜力，通过外部光源实现精准的时空控制。尽管科研人员已对铂(IV)配合物的光化学性质进行了广泛研究，但其生物医学应用仍主要局限于化疗功能。此外，如何在单一材料中集成多种功能，仍是当前材料科学和生物医学工程面临的重要挑战。
近日，香港城市大学朱光宇教授课题组研究揭示了基于临床药物的铂(IV)前药在光照下的独特光化学行为。研究发现，与常见的铂(II)药物相比，铂(IV)配合物在365纳米紫外光照射下发生快速光解，产生多种活性物种，如活性氧和铂自由基。研究人员进一步探索了其作为光引发剂和光交联剂的应用，成功制备出具有抗菌和导电特性的多功能水凝胶，并实现了对蛋白质的高效光标记，拓展了铂(IV)配合物在抗癌以外的生物医学应用。相关论文以“Harnessing platinum(IV) prodrugs as versatile photoinitiators and photocrosslinkers for multifunctional hydrogels and protein labeling”为题，发表在Nature Communications上，论文第一作者为Xu Jiaqian。
研究团队首先设计并合成了六种基于临床铂(II)药物的铂(IV)配合物，发现其在紫外光照射下迅速分解，而相应的铂(II)药物则表现出较高的光稳定性。通过高效液相色谱和质谱分析，研究人员确认了光解产物中包含铂(II)药物及其水解产物。
图1 | 铂(IV)前药在紫外光照射下快速光解。 a) 所研究的铂(II)和铂(IV)配合物的化学结构。 b) 奥沙利铂和奥沙利铂(IV)在水溶液中经或不经过紫外光照射后的反相高效液相色谱图。 c) 铂(II)和铂(IV)配合物在光照后的剩余百分比。 d) 通过高效液相色谱分离并经质谱鉴定，确认奥沙利铂为奥沙利铂(IV)的光解产物。
为了阐明光解机制，研究人员使用多种自由基捕获剂和电子顺磁共振技术，证实了铂(IV)配合物在光照下生成乙酸根自由基、氯自由基和铂(I)自由基等活性中间体。此外，在氧气存在下，体系进一步产生活性氧，增强了反应的复杂性与功能性。
图2 | 铂(IV)前药光解过程的机理研究。 a) 亚甲基蓝在铂(II)及其铂(IV)类似物存在下，经光照后的吸光度变化。 b) 含或不含DMPO的铂(IV)-1在光照后的液相色谱图，显示乙酸根自由基加合物。 c) 含DMPO的铂(IV)-1在光照后的电子顺磁共振谱。 d) 不同浓度DMPO存在下，铂(IV)-1光解生成顺铂的产率。 e) 含或不含自由基捕获剂时铂(IV)-1的光解速率。 f) 铂(IV)-1光照后活性氧生成的荧光检测。 g) 提出的铂(IV)-1主要光解机制示意图。
基于上述发现，研究人员将铂(IV)配合物用作光引发剂，成功诱导丙烯酰胺聚合形成水凝胶。该铂-聚丙烯酰胺水凝胶不仅具备良好的机械性能和均匀结构，还展现出优异的抗菌性能，能有效抑制大肠杆菌生长，并通过破坏细胞壁结构增强杀菌效果。
图3 | 铂(IV)前药作为光引发剂用于水凝胶制备。 a) 以铂(IV)配合物为光引发剂诱导单体聚合的示意图。 b) 含铂(IV)-1的丙烯酰胺溶液在光照后形成水凝胶。 c) 原位流变学监测水凝胶光聚合过程。 d) 铂-聚丙烯酰胺水凝胶的扫描电镜图像。 e) 不同浓度铂(IV)-1制备的水凝胶的拉伸应力-应变曲线。 f) 使用该水凝胶进行蛋白质电泳的结果。 g) 铂-聚丙烯酰胺水凝胶对大肠杆菌的抗菌效果。 h) 水凝胶处理下细菌生长曲线。
进一步研究发现，该水凝胶还具有优异的导电性能和应变敏感性，可用于构建可穿戴传感器，实时监测人体关节运动。其高灵敏度和可靠信号输出，使其在柔性电子和健康监测领域具有广阔应用前景。
图4 | 铂-聚丙烯酰胺水凝胶的电学与传感性能。 a) 水凝胶作为导电路元件的示意图。 b) 水凝胶导通LED灯的实物图。 c) 水凝胶在不同应变下的电阻变化及应变因子。 d) 瞬态氢键增强应变敏感性的机制示意图。 e-g) 水凝胶在拉伸、按压和扭曲下的电阻响应。 h) 水凝胶在不同材料表面的粘附性能。 i) 水凝胶的粘附强度测试。 j-l) 水凝胶传感器监测手指、肘部和腕部运动的实时信号。
此外，铂(IV)配合物还可作为光交联剂，直接诱导明胶形成水凝胶，无需预先进行化学修饰。研究人员还设计了一种含炔基的铂(IV)光交联探针，实现了对蛋白质的高效光标记，其标记效率优于传统的有机光交联剂。
图5 | 铂(IV)前药作为明胶水凝胶的光交联剂和蛋白质标记剂。 a) 铂(IV)诱导明胶水凝胶形成的示意图。 b) 含铂(IV)-1的明胶溶液光照后形成水凝胶。 c) 铂-明胶水凝胶的流变学性能。 d) 不同浓度铂(IV)-1制备的明胶水凝胶的热重分析曲线。 e) 铂-明胶水凝胶的拉曼光谱。 f) 含炔基的铂(IV)光交联探针设计。 g) 该探针对牛血清白蛋白的光标记效果。 h) 荧光标记强度的定量分析。 i) 通过控制光照实现蛋白质标记的时间分辨控制。
综上所述，该研究系统揭示了铂(IV)配合物在光照下的独特光化学行为，并成功将其应用于多功能水凝胶构建、蛋白质标记和生物传感等多个领域。这一发现不仅拓展了铂类药物在抗癌以外的应用范围，也为开发新型光响应生物材料提供了新思路，有望推动化学生物学、材料科学与生物医学工程的交叉发展。