1.4 癌症化學治療與光化學
1.4.3 染色體內質性光化學傷害（Intrinsic Photodamage）
染色體是細胞中最重要的角色，也是容易發生傷害的地方。圖 1.35 呈現出常 在DNA 上出現的傷害基制，包含由化療藥劑所導致的複製障礙（Stalled replication fork）與共價鍵束縛外，染色體本身也常見到磷酸骨架上的差錯（Nick, Gap, Break）。
當中吾人感到興趣的是光化學傷害所造成的胸腺嘧啶雙體（Cyclobutane Pyrimidine Dimers, CPDs or T<>T）。53
圖1.35 常見 DNA 傷害產物。53
CPDs 的形成主要是由鄰近的胸腺嘧啶受到紫外光的激發，而藉由［2+2］環 化加成而得，如圖1.36A 所示。54所造成的傷害在細胞中存在有光解酶（Photolyase），
透過鉀基四氫葉酸（Methyltetrahydrofolate, 5, 10-MTHF）吸收光在進行能量轉移至 還原態的核黃腺嘌呤雙核苷（Flavin Adenine Dinucleotide, FADH），透過其激發還 原態提供電子催化雙體中環己烷的開環，完成修復（圖1.36B）。53,55
圖1.36 A. 胸腺嘧啶在雙股中受光激發形成雙體示意圖。54 B. 細胞中光解酶修復胸腺嘧啶雙體的傷害片段。53
CPDs 的發現相當的早期約在 1960 年代左右，因此學者也對這個重要的生物 光化學作用感到興趣，利用飛秒雷射技術及高階的理論計算逼近可能發生於胸腺
嘧啶的機制。56紫外光對於染色體造成傷害不僅CPDs，對於短波長的遠紫外光（193 nm）也可能發生前述的磷酸根骨架的差錯，這些的 DNA 光產物被利用雷射技術 定出其量子產率（圖1.37）。由於在地球大氣中的臭氧層阻隔了 193 nm 的紫外光，
因此在量子產率中可發現主產物將會是CPDs 的系列。57
圖1.37 DNA 光產物的量子產率與所形成的 CPDs，包括較少生 成的6-4 光產物。57
Zinth 教授與 Kohler 教授在 2007 年利用紅外光暫態吸收（Transient Absorption）
究胸腺嘧啶的寡核酸片段(dT)18 發表了” Thymine Dimerization in DNA Is an Ultrafast Photoreaction”。在圖 1.38A 中先透過 266 nm 的紫外光連續激發，並收集 其 IR 訊號，除了 1600－1700 cm-1的訊號為醯胺基及烯酮雙鍵的拉伸訊號外，在 圖1.38C 標示出三組新生成的訊號對照 D 圖中的雙體標準品，可發現是雙體形成 後的特徵訊號。透過這三組訊號，在即短時間的暫態吸收中（圖1.38E），由於單 磷酸胸腺嘧啶（TMP）在水溶液中不易有空間上的靠近，將不甚容易發生雙體形 成。然而在寡核酸片段中，由於胸腺嘧啶受到磷酸跟骨架的束縛，具有空間中的 鄰近效益，將預期有效的貢獻出在1300－1500 cm-1間的雙體特徵峰。而前3.3 皮 秒間分布的紅色區塊大量吸收是貢獻於胸腺嘧啶ππ∗的暫態吸收，在文獻上的ππ∗ 半生期約在540 飛秒內，此處也獲得證實。58隨時間拉長TMP 趨向於穩定態（Steady
State）的光譜（黃色虛線），而在(dT)18則是出現明顯的消長，得到三組特徵的訊 號峰。
圖1.38 A. 照射 266 nm 紫外光下(dT)18隨時間的IR 光譜變化與 B. 消長圖 C. 反應始末對照圖。 D. 胸腺嘧啶雙體 IR 光譜。 E. TMP 與(dT)18在277 nm 紫外光激發後不同時 間下 IR 暫態吸收光譜，綠色與紫色兩線分別標示起始光 譜。54
相同地，將暫態吸收光譜相減，將可推得胸腺嘧啶雙體的特徵峰消長如圖 1.39A。將不同時間的(dT)18減去TMP 的訊號所得到三組特徵峰符合雙體分子的特 徵，可以發現到在15 皮秒時即出現了明顯的雙體訊號，因此推斷雙體的形成是相 當快速。進而檢視圖1.39B 的色塊分析圖，在上方的特徵圖定義下，分別在 1465、
1402 及 1320 cm-1的差異吸收在激發光之後的最小時間單位1 皮秒內就產生強烈的 訊號，同時也代表雙體的形成非常的快速，可能透過無能障的過渡態。54若參考 Woodward-Hoffmann 的選擇率，雙體的形成可能透過有效的［2s+2a］的單重態路 徑。51
圖1.39 A. (dT)18減去TMP 的差異吸收。 B. 色塊分析圖。54
透過理論計算的模型檢視在胸腺嘧啶的激發態可能發生的能接轉換，圖 1.40 中胸腺嘧啶受激發到第二單重態（S2, 1ππ*），在這狀態下具有多個可能發生的跨 越點。可以透過介系統轉換到第二三重態（Tn, 3nπ*）以及第一三重態（Tπ, 3ππ*)，
同時也具有兩個可進行單重態［2s+2a］路徑的錐形焦點（CI），分別可以內轉換 到第一單重態（S1, 1nπ*）以及基態。由於透過CI 內轉換在自旋上是允許的，並且 能量相當接近的過程，可提供快速的雙體形成時釋放能量及無能障的路徑。59
圖1.40 理論計算所得胸腺嘧啶的激發態能階圖。59
同時，透過雷射物化的方式也度量出可能的胸腺嘧啶與(dT)20模型（圖 1.41A 與B）。在此模型中將個能態半生期標示上去，並且歸納出光物理數據。在兩個模 型中由Sπ到Sn是相當快的內轉換，並且符合在上述實驗中所得雙體形成速率小於 1 皮秒的歸納。此外，在圖 1.41C 表中提供的螢光量子產率僅在 10-4的數量級，也 可以由可能發生的 CI 與 ISC 所競爭。在實驗的模型當中存在 M 能態，文章稱做
＂Doorway State”，此能態在單體及寡核酸中具有不同的作用，主要由於鄰近效應 只發生於寡核酸中，因此單體的M 能態將導向於自退解（Self-quench）。60
圖1.41 A. 胸腺嘧啶單體與 B. 寡核酸(dT)20的實驗能階。
C. 實驗所得光物理數據。60
為了微觀討論胸腺嘧啶雙體的形成，必須再次借重於理論計算的模擬來推測。
圖1.42A 為所得單重態的路徑，透過 CI 上僅僅 15.9 Kcal/mol 的能差，激發態 S1 可以快速進行無能障的同步反應。相對地，如果這個反應透過熱的方式將需要攀 升87.6 Kcal/mol 的能量，因此在 Woodward-Hoffmann 選擇律中定義此類單重態的
［2+2］環化加成反應熱力學上禁止但激發態則是允許的，並且經由［2s+2a］的 路徑將是透過同步反應來達成，如圖1.43 中在過渡態式形成歪斜的雙鍵夾角，如 同圖1.33C 中所走的同步生成兩鍵機制。然而在具有低能量且長半生期的三重態也 可以參與反應，但所形成的雙體將藉由類雙自由基（Diradicaloid）的機制，一鍵 一鍵生成（圖1.44）。在計算所得結果（圖 1.42B）可能透過 1-3-5-7-8 或 1-2-4-6-8
兩種路徑達到產物，在能量上由5-7 或 4-6 兩步驟都需要額外的 50Kcal/mol 以克服 在較低能量的三重態所需適應的旋轉應變（Torsional Strain），以達成第二個鍵結。
但若考慮由ISC 路徑進入三重態所調適的類單重態分子位向如 TTs2
，則可能避免 掉旋轉應變所帶來的能障而進行三重態的機制。61
圖1.42 A. 單重態反應途徑。 B. 三重態反應途徑。61
圖1.43 單重態胸腺嘧啶雙體的形成，屬同步反應。61
圖1.44 三重態胸腺嘧啶雙體的形成機制，透過 1-3-5-7-8 或 1-2-4-6-8 兩種路徑。61
第二章 TMPC 與 MTMPC 設計動機與合成