光笼，作为一个可激活的释放平台，为光动力治疗与化疗提供了协同作用的高效方式。在光激活前，前体光敏剂和前体药物均保持惰性，确保了安全性；在近红外光照射下，它们可在深层组织中实现光激活与可控释放。然而，传统单重态光笼的低光解效率限制了其应用，亟需探索激发态动力学如何影响光解过程的新机制。本研究首次提出"暗态光笼"的新概念，通过引入吩噁嗪或吩噻嗪基团构建了近红外光响应型光笼平台。研究表明，暗态能促进三重态形成并加速系间窜越，从而显著提升光解效率。这些光笼在低功率近红外光（15 mW·cm^-2）照射下可实现高达90%的功能分子释放效率。该突破性进展使肿瘤成像信号实现从"关"到"开"的快速切换，并显著增强近红外光照射下对三阴性乳腺癌的治疗效果，成功实现了光动力治疗与化疗的联合治疗。

光动力治疗因其微创性和高时空精准度等特点，已在临床上得到广泛应用。目前，研究人员已开发出多种小分子光敏染料。然而，部分非选择性或"持续激活"型光敏染料不仅难以实现精准成像，还会对正常组织造成光毒性等副作用。光笼技术通过光触发去除保护基团并释放功能分子，凭借其优异的时空可控性，在药物递送、光学控制蛋白降解、RNA调控等领域备受关注。因此，开发能在光照下同时释放药物和光敏剂的笼型光敏染料，将荧光成像、光动力治疗与化学治疗有机结合，对实现癌症诊疗一体化具有重要价值。早期常见的光笼（如邻硝基苄基、苯甲酰基、苯偶姻基和邻羟基萘基等）虽具有较好的光释放效率，但其仅能被紫外光（UV）激活，而紫外光易被生物分子（如DNA碱基）吸收并引发严重光毒性。近年来发展的染料基光笼（如硼二吡咯亚甲基、卟啉和花菁类荧光团）将激发波长拓展至近红外治疗窗口（650-900 nm）。理论上，这些染料在单重态和三重态均可发生光解，但由于传统染料的系间窜越（ISC）过程存在自旋禁阻，导致三重态效率低下。尽管近红外光激活光笼已取得一定进展，但单重态光解（寿命较短）往往效率欠佳，限制了其体内应用。因此，增强光笼分子系间窜越效率、促进三重态形成，成为实现其高效可控释放的关键。

【研究出发点】

（1）提出暗态吸收机制，通过低能电子转移态（ET态）促进三重态形成，实现光笼的高效光解。

（2）光笼可在660 nm近红外光激活下实现90%的释放效率（光功率低至15 mW·cm^-2），且在乏氧条件下的光解释放效率是常氧条件下的三倍。

（3）光笼纳米粒子在光照下可同步释放STAT3抑制剂和光敏剂，实现光动力和化疗的联合治疗，显著抑制三阴乳腺癌的增殖及肿瘤肺转移。

【图文解析】

在光疗窗口（650–900 nm）内的光笼光解机制已有报道，涉及光化学 SN1 反应、光氧化过程以及电子转移等（图 1A）。图中这些光笼能被近红外光激活，取决于笼分子的近红外吸收特性。然而，本工作中开发的暗态光笼克服了这一限制（图 1B），利用暗态吸收近红外光并促使三重态形成，进而引发光解反应。通过吩噻嗪或吩恶嗪衍生物与含氨基的功能分子反应来合成光笼，形成可被光裂解的脲键。MO-Lv在650 nm处的吸光度随时间逐渐增加，并在30分钟内达到饱和（图1C）。值得注意的是，MB-Lv在660 nm近红外光（15 mW·cm^-2）照射下仅需10分钟即可实现完全释放（图1D）。

激发光对光笼光解的过程中起着关键作用。如图2A所示，MB-Lv在660 nm处的吸光度仅在660 nm光照下持续上升，而在其他波长（450 nm、550 nm、730 nm和808 nm）照射下基本保持不变。值得注意的是，在808 nm光照的前20分钟内，MB-Lv在660 nm处的吸光度变化极小；而切换至660 nm光照后，该波长处的吸光度则逐渐增加（图2B）。在低氧条件（2% O₂）下，MB-Lv的光解速率比常氧条件下（21% O₂）快约3倍（图2C）。光解过程中释放的亚甲基蓝（MB）促进了单线态氧（¹O₂）的生成（图2D）。高效液相色谱（HPLC）和高分辨质谱（HRMS）验证了MB和Lv的定量释放（图2E和图2F）。

低氧条件下光笼光解速率的提升促使我们推测，光笼在光照时会形成三重态中间体（图 3A）。纳秒瞬态吸收光谱（3B-E）表明MO-Lv 和MB-Lv存在三重态的吸收峰，三重态寿命分别为14.1 µs和22.7 µs。我们进行了量子化学计算，以阐明MO-Lv和MB-Lv光解反应的光物理机制（图3F-I）。计算表明，研究结果表明，暗态是染料前体和它们的中间取代基之间的电子转移的结果。暗态在这些染料表现出的弱长波吸收带中起着关键作用。此外，这种低洼的暗态促进了有效的三重态形成，进而促进了光解反应，使光笼分子中间位置的酰胺键裂解，最终形成MO/MB和Lv。

利用 MDA-MB-231 细胞（三阴性乳腺癌细胞）进行了光笼的体外光释放实验（图4A-B）。光照下的成像实验表明，光笼在细胞内生成了光敏染料，实现荧光“OFF-ON”的转换。细胞活性氧成像表明在低氧条件下 MB-Lv仍能产生ROS（图 4C-4D）。为了证明 MB-Lv 优异的细胞杀伤效果，我们还测试了 MB-N（一种连接非功能基团 2-(2 - 氨基乙基) 氯苯的光笼）作为对照（图 4E）。光笼的释放同时影响了MDA-MB-231 细胞中 STAT3 的表达，光照后细胞内 STAT3 蛋白表达明显降低（图 4F）。图4G-H表明光笼分子在常氧和乏氧条件下均具有良好的肿瘤细胞杀伤效果。通过 Annexin V-FITC/PI 检测试剂盒进行流式细胞分析可知， MB-Lv 经光照后可诱导细胞凋亡（图4I）。

为了阐明光笼在光照前于小鼠体内的分布情况并提升肿瘤靶向滞留能力，利用胆固醇、卵磷脂、DSPE-PEG2000-cRGD 和 DSPE-PEG2000-FITC 制备了负载光笼的纳米颗粒（图 5A）。透射电子显微镜（TEM）和动态光散射（DLS）分析（图5B）均表明，MB-Lv 纳米颗粒（NPs）呈球形，平均直径约为 101.7 nm，包封率为 78.5%（图5C）。图5D-J表明，光笼纳米粒子对小鼠肿瘤具有良好的靶向能力，在21天治疗周期内抑瘤率达到92.7%。H&E染色和标志性蛋白的免疫荧光染色表明MB-Lv NPs对三阴乳腺癌具有优异的组织破坏能力，并下调相关STAT3蛋白的表达。

鉴于三阴性乳腺癌具有侵袭性的临床特征和高远处转移风险，进一步探究了 MB-Lv NPs的肿瘤抗转移性能（图 6A）。图 6B-F表明MB-Lv NPs 在光照下可抑制肿瘤肺转移。转移相关蛋白的免疫荧光染色（图6G）表明光照下 MB-Lv NPs 产生的活性氧（ROS）及STAT3抑制剂可抑制相关转移相关蛋白的表达。

综上所述，该研究提出了暗态光笼的概念，并阐明了其在近红外光照射下的光解机制。通过将吩恶嗪或吩噻嗪与功能性小分子通过酰胺键结合，开发了一系列可被近红外光（650 nm/660 nm，15 mW·cm^-2）激活的光笼，其通过荧光开启机制实现了光解过程的实时可视化。值得注意的是，暗态有效促进了三重态的形成，提高了光解效率。此外，体外实验表明，光笼在光照下释放荧光团，可用于 MDA-MB-231 细胞的成像。蛋白质免疫印迹分析证实，MB-Lv 可有效抑制 STAT3蛋白的表达，从而发挥抗肿瘤活性。由于其高效的光诱导抗肿瘤效应，MB-Lv 成功整合了光动力治疗与化学治疗，显著抑制了三阴性乳腺癌及肺转移。该工作提出的暗态光笼将为染料激发态动力学研究提供有价值的见解，并为新型光疗策略提供极具潜力的平台。

Unveiling the Power of Dark State Photocages: An Efficient Pathway to Triplet State Under Near-Infrared Light Irradiation

Qiao Hu, Prof. Jianjun Du, Syed Ali Abbas Abedi, Prof. Xiaogang Liu, Saran Long, Prof. Wen Sun, Prof. Jiangli Fan, Prof. Xiaojun Peng

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202504670