农药作为保障农业丰产增收的基石，常被设计、开发并广泛用于防治害虫、杂草和真菌病害。尽管现代农药已经过充分优化以降低副作用，但一旦施用，非靶标的误伤就难以收回。施用后出现的次生问题，如抗药性产生、非靶标毒性、食品与环境残留污染等始终困扰着整个行业。更棘手的是，科学家往往很难精确阐明农药究竟在何时、何地与靶标蛋白或生物体发生了相互作用。因此，精准操控农药分子性能的技术成为领域内的迫切需求。
光，本质上是一种横波电磁波，携带能量。光的能量范围从约150 kJ/mol（紫外光）到约600 kJ/mol（红外光），而化学键的键能约为100–1000 kJ/mol。因此，化学反应完全可以被光触发。在自然界中，光参与了许多至关重要的生物过程，最著名的莫过于光合作用（将水和二氧化碳转化为碳水化合物）。在眼睛中，光启动视网膜的光异构化反应，使我们得以看见五彩斑斓的世界。作为一种外部刺激，光具有无污染、生物相容性高、非侵入性调控、时空选择性好以及强度可控等独特优势。与电、磁、机械等刺激相比，光调控化学反应或生物事件能提供前所未有的空间和时间分辨率。近年来，两项依赖光的技术，即光遗传学（Optogenetics）和光药理学（Photopharmacology）备受瞩目，可能彻底改变我们控制生物事件的方式。
光药理学是一门融合生物学、药理学、化学、物理学、工程学和医学的交叉科学，该技术依赖合成的光响应配体（Photopharmacological ligands），如光笼配体（Photocaged ligands）、光拴配体（Phototethered ligands）和光致变色配体（Photochromic ligands），来调控生物系统（包括多肽、蛋白质、受体、离子通道乃至整个生物体）的功能响应。此外，这种方法还能实现药物分子在光照下的激活或失活。
与靶向个体的医药不同，农药需要在多样化的环境系统中控制害虫种群，精准递送或控制农药活性是一项极具挑战性的任务。将光化学机制用于有害生物防治具有多项显著优势，如暗态不活性（Dark inactiveness）、对目标活性的精准操控、延缓抗药性发展以及减少副作用。此外，植物生长依赖阳光，因此利用阳光响应剂在实际田间控制昆虫、杂草、真菌和害虫是切实可行的。为将光药理学拓展至农药研究领域，科学家们开发了一系列光响应农药，旨在规避传统农药的上述缺陷。
本文以华东理工大学邵旭升教授的报告为主要参考，总结了基于四种光物理化学原理，即光敏剂（Photosensitizers, PSs）、农药光释放（Photorelease）、光热转换剂（Photothermal conversion agents, PCTAs）和光致变色农药（Photochromic pesticides）生成光响应农药的策略（图1）。
图1 | 生成光响应农药的四种原理。光敏剂在氧气和光存在下产生活性氧（ROS）；光热转换剂在红外激光照射下产热；光笼农药通过连接光不稳定基团遮蔽活性，光照下不可逆释放农药分子；光致变色农药通过将农药与光开关杂合构建，其活性可在光照下可逆激活或失活。
一、光敏剂作如何用光动力杀死害虫
光敏剂是能在光照下产生活性氧（ROS）的分子。ROS具有高度反应活性，可损伤多种生物体的组织或细胞结构，导致细胞死亡。PSs广泛用于治疗癌症、细菌感染和非恶性疾病的光动力疗法（Photodynamic therapy）中。
将PSs用作农药可追溯到1928年，Barbieri首次观察到几类染料在直射阳光下对蚊子幼虫表现出毒性。在早期文献中，PSs作为农药使用时也被称为光活化农药（Photoactivated pesticides）或光动力农药（Photodynamic pesticides）。已有多篇综述和专著描述了这一技术及其在害虫防治中的应用。PSs的活性和光照两者缺一不可，这使得PSs的活性比传统农药更容易控制。
在光敏化过程中，PSs本身通常不被消耗。这一显著特征保证了PSs作为农药候选物具有许多独特优势，如低剂量率、广谱（昆虫、杂草、真菌等）、对靶标生物高选择性、对非靶标生物安全、不产生抗药性、生态无害以及低残留活性等。
PSs在农业、公共卫生、家禽畜牧、园艺和公共害虫防治等多个市场具有巨大潜力，其效力已在众多实验室和田间试验中得到了验证。一个著名案例是：在加利福尼亚州，将PS与诱饵混合用于防治地中海果蝇（Ceratitis capitata），果蝇取食PS后在阳光下死亡。另一个案例是使用赤藓红β（Erythrosine β）（图2，目前唯一注册用于昆虫控制的染料）在禽舍中杀灭家蝇。
常用的杀虫PSs是从植物中分离的光毒素（Phototoxins），如噻吩类（Thiophenes）、呋喃香豆素类（Furanocoumarins）、醌类（Quinones）和叶绿素（Chlorophyll）（图2），其中噻吩是研究最透彻的光毒性植物化学物质。这些光毒素由植物自身产生以抵御外部威胁。α-三联噻吩（alpha-Terthienyl）是从菊科植物根中分离出的天然产物，对多种昆虫表现出毒性，且具有速效、经济、易降解的特性。植物光毒素引起了农化界对开发新型潜在农药的浓厚兴趣。
图2 | 光敏剂作为光活化农药。（含赤藓红β、α-三联噻吩、叶绿素等结构）
酚醛酮类（Phenalenones, PNs）是植物（如芭蕉科、鹤望兰科、雨久花科和血草科）在遭受真菌或线虫攻击时产生的防御物质，被证明是优秀的II型光敏剂。华理对PN骨架进行了结构修饰，制备了一系列衍生物，以评估其单线态氧生成能力以及对白纹伊蚊（Aedes albopictus）幼虫和南方根结线虫（Meloidogyne incognita）的光诱导毒性。邵教授团队合成的PN衍生物在光照下对蚊子和根结线虫均显示出潜在的光活化活性（图3）。此外，他们还发现一些9-苯基和2-羟基取代的PN在暗处对豇豆蚜虫（Aphis craccivora）表现出内在杀虫活性（500 mg/L下死亡率33%–41%）。
为开发一种在暗处和光照下均能工作的PS，邵教授团队将PNs与2-吡啶酮（2-Pyridone）作为单线态氧（¹O₂）捕获阱，并引入苄基（Benzyl group）作为间隔基（图3）。制备的吡啶酮-PN不仅能产生单线态氧，还能转化为内过氧化物形式储存¹O₂，随后在暗处通过热环逆转释放单线态氧。该吡啶酮-PN衍生物在暗处和光照下均能杀死蚊子幼虫，LC₅₀分别为17.5和25 mg/L，能缓解缺氧问题并延长PS的作用性能。
图3 | 酚醛酮（PN）衍生物及吡啶酮-PN杂合分子的结构与活性。
二、农药的光控释放
与直接施用方法相比，农药的可控递送具有显著优势，如降低次生毒性效应、提高生物利用度、延长持效期等。此前，纳米技术、微胶囊化和聚合物科学为基础的农药释放系统已被开发，提供有条件的活性成分释放。然而，这些技术无法实现时空分辨率，而光触发技术是一个强大的工具，允许对释放过程进行时空控制。该策略使用光不稳定保护基（Photolabile protecting/caging group）与待释放分子共价偶联以阻断其活性，笼状前体可在光照下通过化学键断裂不可逆地释放功能分子，在许多研究领域有广泛应用，如光控催化剂、生物医用材料、基因表达和光触发药物释放。
光笼释放系统通常包含生物活性亚基和光笼片段。适当选择光笼是策略成功的关键。笔者检索发现已有一系列具有不同理化性质和裂解波长的光笼报道，研究较多的光笼包括邻硝基苄基（o-nitrobenzyl）、香豆素-4-基甲基（Coumarin-4-ylmethyl）和对羟基苯乙酰基（p-hydroxyphenacyl）。一些光笼的裂解波长位于可见光区域，表明在实际田间应用中可使用阳光释放农药。光触发过程可提供非侵入性、清洁且由光控释放过程决定的时空害虫防治。
在农用化学品领域，该技术有望用于开发可控释放系统。N. D. Pradeep Singh教授等人报道了多个使用光触发释放活性农用化学品的例子，包括光控释放除草剂2,4-二氯苯氧乙酸（2,4-Dichlorophenoxyacetic acid, 2,4-D）、植物生长调节剂、性信息素和植物激素水杨酸（Salicylic acid）（图4）。通过将2,4-D与香豆素（Coumarin）或苝-3-基甲醇（Perylene-3-ylmethanol）光可移除保护基笼合，实现了光控释放2,4-D，光释放后对绿豆（Vigna radiata）的除草活性显著提高。香豆素笼合的植物生长调节剂生长素（Auxin）在阳光下可控释放生长素，促进了鹰嘴豆（Cicer arietinum）根和芽的生长。性信息素(Z)-11-十六碳烯-1-醇的笼合降低了挥发性，田间试验表明笼合醇对玉米螟（Chilo partellus）的防效高于其前体。水杨酸被1-乙酰芘（1-Acetylpyrene）笼合，可在可见光下释放，有效抑制细菌（Pseudomonas aeruginosa）细胞。这些案例展示了该递送技术的优势，如减少负面环境影响、提高生物利用度和改善理化性质。图4 | 光控释放系统示例：2,4-D、生长素、性信息素和水杨酸的光笼结构。
邵教授团队在这一领域的尝试集中于构建靶向释放杀虫分子的光控系统。通过将香豆素与杀虫剂氟虫腈（Fipronil）连接，实现了快速高效的光触发释放（图5）。该光响应香豆素-氟虫腈构建体在照射前对蚊子幼虫无明显活性，但在蚊子幼虫体内经光激活后，观察到了氟虫腈正常的杀虫特性。此外，在照射下对粘虫（Mythimna separata）也表现出高活性。该光笼分子为氟虫腈提供了一种替代递送方法，并有助于以时空分辨率理解氟虫腈在生物体内的作用机制。
此外，通过将酮烯醇与香豆素光笼共价连接，开发了一种可在光照下释放杀虫活性成分螺虫乙酯-烯醇（Spirotetramat-enol）的光响应递送系统（图5），在暗处对棉蚜（Aphis craccivoraKoch）无杀虫活性，但可被光激活释放杀虫性螺虫乙酯-烯醇。这两个例子证明，杀虫分子的光控释放是一种可行的昆虫防治方法。
图5 | 香豆素-氟虫腈和香豆素-螺虫乙酯-烯醇光控释放构建体。
三、光热转换试剂
光热疗法（Photothermal therapy）近年来作为癌症非侵入性治疗的潜在方法引起了广泛关注。该技术利用一种称为光热转换剂（PCTAs）的吸光纳米材料，可将近红外（NIR，700–900 nm）光能转化为热能，在组织内诱导高温。近年来开发的PCTAs包括纳米碳、金基纳米颗粒（Au-based nanoparticles）、过渡金属纳米材料和可生物降解的有机染料基纳米材料。PCTAs具有高效率、非侵入性、对正常组织低毒以及精确的时空选择性等多种优势。此外，NIR光的利用允许更大的组织穿透能力。除癌症治疗外，PCTAs也被用于细菌控制。
尽管PCTAs在药物研究中潜力巨大，但其作为农药的潜力直到最近才开始被探索。由于组织、细胞或生物体对温度变化敏感，PCTAs产生的热量可以破坏生物过程，导致组织损伤和生物体死亡。为研究PCTAs的光毒性效应并将其应用拓展至害虫防治，邵教授团队制备了七甲川花菁（Heptamethine cyanine, Cy7）基纳米颗粒，首次证明Cy7-NPs在近红外激光脉冲照射下能高效控制媒介昆虫蚊子幼虫（A. albopictus）（图6）。Cy7基NPs的光热转换效率为33.4%，在8 W/cm²激光功率下对白纹伊蚊的光热诱导LC₅₀值为75.4 μg/mL。此外，Cy7-NPs对SF9、HeLa和MCF-7细胞也具有优异的光毒性活性。
随后，邵教授团队成功开发了普鲁士蓝（Prussian blue, PB）基纳米颗粒作为PCTAs，因其具有优异的光热效应、效率和稳定性，光热转换效率为25.48%。在激光照射下，PB NPs分别在25 μg/mL和0.3 mg/mL浓度下控制了蚊子幼虫和水稻稻瘟病菌（Magnaporthe grisea）。在4 W/cm²强度的激光照射下，对SF9昆虫细胞的LC₅₀值为17.20 μg/mL（孵育48 h）。结果表明，PCTAs可作为新型安全的昆虫和真菌控制剂，为开发新型农药提供了参考。
图6 | Cy7基和普鲁士蓝（PB）基纳米颗粒的光热效应及害虫防治应用。
四、光致变色农药
前面讨论的三种策略通过调制系统提供不可逆控制，控制过程是单向的，无法切换回去。这种不可逆性限制了它们在需要可逆调控场景中的广泛应用。将光可切换片段连接到农药上是实现杀虫效果可逆性的有效策略。已有系列此类光开关（Photoswitches）或光致变色化合物（Photochromic compounds）可用于构建光致变色农药。这些化合物以两种截然不同的热力学稳定状态存在，在特定波长的光照射下，分子可在两种状态间切换，而不同光态的异构体具有不同的理化性质，如亲脂性、溶解度、偶极常数和分子几何形状，这可能带来改善的性能和效率。
常用的光开关包括偶氮苯（Azobenzenes）、螺吡喃（Spiropyrans）、二芳基乙烯（Diarylethenes）、富马酸酐（Fulgides）、供体-受体斯坦豪斯加合物（Donor-acceptor Stenhouse adducts）和拥挤烯烃（Overcrowded alkenes）（图7），每种都有特定的优缺点。
偶氮苯：最常用的光开关，可在照射下从热力学稳定的反式（trans）形式可逆光异构化为弯曲的顺式（cis）形式。顺式偶氮苯通过自发热弛豫或可见光照射转回反式异构体。该过程可逆，可多次循环切换而无明显光漂白。偶氮苯因易于化学修饰和有利的光物理化学性质，广泛用于化学、生物学和材料科学中为目标系统引入光敏感片段。
螺吡喃（Spiropyrans，中间体超市公众号有介绍）：光敏化合物，可在特定光照射下快速可逆地在无色螺吡喃和相应的两性离子、平面、有色部花青（Merocyanine）形式间光异构化。相应的光异构化过程导致C-O键断裂。螺吡喃和部花青形式在极性、电荷和分子构象上差异显著，但部花青形式在水介质中的不稳定性和对光降解的低稳定性限制了其在调控生物过程和农药研究中的广泛应用。
二芳基乙烯（Diarylethene）：含有己三烯亚基的光开关，在紫外光照射下可从热力学稳定的开环形式光异构化为闭环形式。二芳基乙烯的正常光致变色反应涉及C-C键的可逆光化学断裂（图7）。闭环形式的二芳基乙烯热力学稳定，只能通过可见光切换回去。因此两种光异构体都是热力学稳定的，表现出极好的开关抗疲劳性，保证了在生物学研究中的充分稳定性。然而，分子几何形状的变化相对较小，当该光开关连接到农药上时可能导致杀虫活性丧失。
图7 | 常用光开关结构：偶氮苯、螺吡喃、二芳基乙烯等。
在药物领域，该方法被广泛用于开关生物活性。照射后光致变色化合物从非活性构型转变为活性构型，或反之。许多基于已上市药物的光致变色类似物已被开发，如作为抗生素控制细菌的光可切换甲氧苄啶（Trimethoprim）、通过丙泊酚（Propofol）衍生物光调控GABA_A受体、光可切换秋水仙碱域微管抑制剂（Combretastatin A4类似物）、人二氢叶酸还原酶的光可切换抑制剂（甲氨蝶呤类似物）、光可切换抗高血压药物（地尔硫卓/Diltiazem类似物）以及用于光学控制胰岛素释放的光可切换磺酰脲类（格列美脲/Glimepiride类似物）等。Feringa等人报道了光可切换喹诺酮类抗生素，可被光激活以精确控制局部细菌生长，对革兰氏阳性菌Micrococcus luteus照射前后观察到最高八倍活性差异。激活的化合物在数小时内失去抗生素活性，表明环境中活性的降低可防止微生物抗药性的发展。
在农药领域，该技术此前尚未被用于操控农药性能。基于该技术在药物领域的巨大成功，可设想开发光可切换农药，有望增进对农药毒性反应和作用模式的理解，包括农药何时、何地与靶标酶发生相互作用的深入认识。邵教授团队的研究旨在将一个或两个吡虫啉（Imidacloprid）分子与偶氮苯连接，合成了一系列光可切换吡虫啉类似物。二价光可切换吡虫啉表现出优异的光物理化学性质和照射前后可区分的体内外活性。照射前后，其对活家蝇（Musca domestica成虫）的活性分别提高了五倍，对脑烟碱型乙酰胆碱受体（nAChRs）的内在活性提高了四倍。此外，通过用偶氮吡啶（Azopyridine）片段替代偶氮苯作为光可切换官能团，制备了一系列偶氮吡啶-吡虫啉衍生物。与偶氮苯类似物相比，偶氮吡啶-吡虫啉衍生物表现出改善的溶解度。然而，这些光致变色吡虫啉衍生物在照射后对M. domestica或棉蚜（A. craccivora）仅表现出1.2至2倍的活性差异，表明它们不是理想的开/关杀虫活性切换工具。
接下来，将杀虫性苯甲酰基脲类（Benzoyl phenylureas）与偶氮苯光开关结合，赋予这些合成昆虫生长调节剂光敏感性。偶氮苯-苯甲酰基脲衍生物可在紫外光照射下被激活。最佳的光可切换苯甲酰基脲对粘虫（Mythimna separata）表现出六倍活性差异，对德国小蠊（Blattella germanica）磺酰脲受体的结合亲和力差异为两倍。通过这些结果，证明了光致变色农药的价值，以及杀虫活性和内在活性可在一定程度上借助光进行控制（图8）。
图8 | 光致变色农药示例：偶氮苯-吡虫啉、偶氮吡啶-吡虫啉和偶氮苯-苯甲酰基脲衍生物。
结论与展望
光作为一种外部刺激，能够触发并调控多种生物过程。基于这一特性催生的光药理学与光遗传学，已成为当前生命科学研究中最活跃的交叉领域之一。在农药研究中，四种光物理化学策略（光敏剂、光笼农药、光热转换剂和光致变色农药）已暂露头角。
其中，光敏剂和光笼农药分别通过释放活性氧（ROS）和活性前体参与不可逆的光触发过程，光热转换剂则依靠近红外光诱导的局部高温发挥作用。光敏剂作为农药具备低剂量、广谱、无交叉抗性、高选择性和低残留等多重优势；光笼策略可改善农药的理化性质、减少次生效应、提高生物利用度并延长持效期；光热转换剂通过精准的热控实现对害虫的定点清除。而将光开关与农药分子杂合构建的光致变色农药，则将光异构体之间的活性差异转化为对受体、细胞和生物体的光学调控，实现了农药性能的可逆操纵。
华理邵教授团队的研究充分证明了光控策略在害虫防治中的独特价值。在四类光响应工具中，光致变色农药展现出最为广阔的前景。他们围绕昆虫烟碱型乙酰胆碱受体（nAChR）、γ-氨基丁酸受体（GABA receptor, GABAR）、雷尼丁受体（Ryanodine receptor, RyR）、电压门控钠通道（Voltage-gated sodium channel）、谷氨酸门控氯离子通道（Glutamate-gated chloride channel, GluCl）和乙酰胆碱酯酶（AChE）等六大靶标，开发了一系列光致变色配体。这些分子构成了一个强大的工具包，可用于在活体昆虫中光学调控其活性、神经元响应、细胞信号和行为输出，从而深化对农药-受体及农药-昆虫互作机制的理解。
当前，大多数光响应过程仍依赖高能紫外光触发，这不仅可能损伤生物体组织，也限制了光在复杂环境介质中的穿透深度。因此，开发能被长波长光（红光、近红外光）乃至自然阳光高效触发的新一代光笼、光敏剂和光开关，是未来最迫切的技术攻关方向。要将光响应农药从概念验证推进至毒理学评估乃至田间应用，仍需在分子设计、光物理机制和应用场景等基础创新层面持续投入。
参考文献：Recent Highlights in the Discovery and Optimization of Crop Protection Products (2021)
原文作者：Xusheng Shao/邵旭升教授