鸟类等动物迁徙时会利用体内的“磁感罗盘”进行导航。随着动物磁感的研究，化学反应中磁场效应的分子机制也受到关注。自由基对（RP）机理是目前最广为认可的机制之一，这一机理认为，磁场通过影响RP中间体的自旋多重度，改变反应动力学及产率。然而，将化学反应的磁场效应移植到生物体系仍然具有挑战性。其中的主要障碍之一是生物体系环境复杂，包含的各类顺磁性金属离子及自由基物种都可能造成干扰，降低实验准确性与可重复性。
近日，北京大学化学与分子工程学院高松院士和张俊龙教授课题组在National Science Review杂志发表了题为“Magnetic manipulation of the reactivity of singlet oxygen: from test tubes to living cells”的研究论文，以基态氧分子-单线态氧-超氧阴离子及其相互转变这一包含丰富电子自旋变化的“氧三角”为研究对象，通过单线态氧反应活性的磁场效应，自下而上地实现了活细胞中氧化还原水平的调节。利用光敏剂经光照产生单线态氧，也能排除细胞自身活性氧物种的干扰。
该工作从光敏化产生的单线态氧与富电子底物碘离子、蒽类化合物的反应开始，发现反应速率在0-800 mT的磁场范围内呈现“降低-提高-降低”的磁场依赖性，可由RP机理中低场效应/能级交错-超精细耦合-Δg机理解释。
为了将试管中的反应与生物体系相联系，作者选择脂质这种重要生物分子作为底物。首先在溶液体系测试了单线态氧在不同外磁场强度下对胆固醇、油酸、亚油酸三种分子的氧化能力，结果表明反应转化率在低（15 mT）、中（250 mT）磁场下分别降低、提高，磁场效应高磁场下（800 mT）回落。利用C11-BODIPY581/591作为脂质过氧化荧光探针，分别在乙醇溶液、细胞膜模拟物（巨型单层囊泡）和活细胞中测试脂质过氧化的磁场效应，发现其变化依然呈现“降低-提高-降低”的趋势。进一步利用氧化脂质组学对细胞内脂质氧化水平进行定量研究，发现脂质的整体氧化水平在低（15 mT）、高（800 mT）磁场下降低，而在250 mT时提高。反应的磁场依赖性在细胞与溶液中相似，表明磁场能通过单线态氧反应性影响细胞活动。
由于单线态氧是产生细胞毒性的重要氧化物种之一，该工作研究了单线态氧诱导的细胞毒性的磁场响应性。结果表明，多种细胞系中，单线态氧诱导的细胞毒性都在0-800 mT范围内显示出“降低-提高-降低”的磁场依赖性。流式细胞实验和蛋白质免疫印迹实验结果则表明磁场通过操纵单线态氧诱导的细胞凋亡影响细胞活力。为了深入理解磁场对单线态氧反应性的调节，作者最终将磁场用于活体肿瘤的光动力治疗，通过小鼠皮下肿瘤模型，发现中等强度磁场（250 mT）能有效协同促进光动力治疗。
图. a）“氧三角”与磁场调节单线态氧反应活性的自由基对机制；b）磁场协同促进活体抑瘤光动力治疗。
综上，这一工作将具有显著磁场效应的非天然化学反应移植到生物体系中，“自下而上”地实现了生命过程的磁场调控，展示了磁场作为非侵入性新策略在生物医学中的应用潜力。杨字舒博士为该论文第一作者，高松教授和张俊龙教授为该论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委重点项目和北京分子科学国家研究中心创新研究项目的大力支持。
研究详情请见原文：
Yang et al. Magnetic manipulation of the reactivity of singlet oxygen: from test tubes to living cells
National Science Review, 2024, 11: nwae069
https://doi.org/10.1093/nsr/nwae069
