Simultaneous Protonation and Metalation of a Porphyrin Covalent Organic Framework Enhance Photodynamic Therapy

化学 卟啉 质子化 光化学 金属化 光动力疗法 共价键 组合化学 有机化学 离子
作者
Wenyao Zhen,Dong Won Kang,Yingjie Fan,Zitong Wang,Tomas Germanas,Geoffrey T. Nash,Qijie Shen,Rachel Leech,Jinhong Li,Gregory S. Engel,Ralph R. Weichselbaum,Wenbin Lin
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (24): 16609-16618 被引量:30
标识
DOI:10.1021/jacs.4c03519
摘要

Covalent organic frameworks (COFs) have been explored for photodynamic therapy (PDT) of cancer, but their antitumor efficacy is limited by excited state quenching and low reactive oxygen species generation efficiency. Herein, we report a simultaneous protonation and metalation strategy to significantly enhance the PDT efficacy of a nanoscale two-dimensional imine-linked porphyrin-COF. The neutral and unmetalated porphyrin-COF (Ptp) and the protonated and metalated porphyrin-COF (Ptp-Fe) were synthesized via imine condensation between 5,10,15,20-tetrakis(4-aminophenyl)porphyrin and terephthalaldehyde in the absence and presence of ferric chloride, respectively. The presence of ferric chloride generated both doubly protonated and Fe3+-coordinated porphyrin units, which red-shifted and increased the Q-band absorption and disrupted exciton migration to prevent excited state quenching, respectively. Under light irradiation, rapid energy transfer from protonated porphyrins to Fe3+-coordinated porphyrins in Ptp-Fe enabled 1O2 and hydroxyl radical generation via type II and type I PDT processes. Ptp-Fe also catalyzed the conversion of hydrogen peroxide to hydroxy radical through a photoenhanced Fenton-like reaction under slightly acidic conditions and light illumination. As a result, Ptp-Fe-mediated PDT exhibited much higher cytotoxicity than Ptp-mediated PDT on CT26 and 4T1 cancer cells. Ptp-Fe-mediated PDT afforded potent antitumor efficacy in subcutaneous CT26 murine colon cancer and orthotopic 4T1 murine triple-negative breast tumors and prevented metastasis of 4T1 breast cancer to the lungs. This work underscores the role of fine-tuning the molecular structures of COFs in significantly enhancing their PDT efficacy.
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