本文要點(diǎn)：近紅外二區(qū)（NIR-II）發(fā)射和光熱效應(yīng)之間的矛盾限制了光療診斷劑（PTAs）在許多新興前沿應(yīng)用中的發(fā)展。通過操縱分子結(jié)構(gòu)和堆積，有機(jī)聚集體為平衡競爭弛豫過程提供了機(jī)會。本文提出了側(cè)鏈苯基異構(gòu)化誘導(dǎo)的空間共軛策略，用于構(gòu)建A-D-A型NIR-II PTAs，同時增強(qiáng)熒光亮度和光熱性能。設(shè)計并合成了三對互變異構(gòu)的熒光團(tuán)，它們的苯基分別位于側(cè)鏈的外部（o系列）和內(nèi)部（i系列）。o系列晶體的苯基與側(cè)鏈上的苯基和骨架之間形成了強(qiáng)的空間共軛，以及相互鎖定的平面網(wǎng)絡(luò)，這與i系列觀察到的情況不同。因此，所有o系列納米顆粒（NPs）都表現(xiàn)出紅移吸收、增強(qiáng)的NIR-II發(fā)射和優(yōu)于i系列的光熱性能。o系列的o-ITNP NPs在NIR-II血管造影、腫瘤定位和NIR-II成像引導(dǎo)的腫瘤光熱療法中表現(xiàn)出良好的效果。側(cè)鏈苯基異構(gòu)化策略的成功為精確控制聚集體行為和進(jìn)一步開發(fā)高效的NIR-II PTAs鋪平了道路。

方案1. 用于構(gòu)建高效光療診斷劑的典型分子側(cè)鏈工程

有機(jī)聚集體因其在生物醫(yī)學(xué)光診斷和光療中的潛力而受到關(guān)注，尤其是在NIR-II窗口（1000-1700 nm）中。傳統(tǒng)的A-D-A型NIR-II有機(jī)光療診斷劑（OPTAs）通常具有低發(fā)射量子產(chǎn)率（QY < 1%），這是由于聚集引起的猝滅（ACQ）效應(yīng)。本研究旨在通過側(cè)鏈苯基異構(gòu)化策略，同時增強(qiáng)熒光亮度和光熱性能。設(shè)計并合成了六種A-D-A型熒光團(tuán)（o-ITNP, i-ITNP, o-ITCT, i-ITCT, o-IDTCT, 和 i-IDTCT），通過金屬自由催化的Knoevenagel反應(yīng)。將這些疏水性A-D-A型熒光團(tuán)通過納米沉淀法與1,2-二硬脂酰-sn-甘油-3-磷脂乙醇胺-N[甲氧基（聚乙二醇）-2000]（DSPE-mPEG2000）共組裝成脂質(zhì)體類似的納米顆粒（NPs）。

圖1. 六種熒光團(tuán)的光物理表征

o系列NPs在水溶液中表現(xiàn)出紅移吸收、增強(qiáng)的NIR-II亮度和光熱性能。o-ITNP NPs在660 nm激光激發(fā)下顯示出顯著增強(qiáng)的熒光發(fā)射，總量子產(chǎn)率為5.6%，是i-ITNP NPs的兩倍。o-ITNP NPs在808 nm激光照射下表現(xiàn)出優(yōu)異的光熱性能，溫度從20.0 °C升高到61.0 °C，光熱轉(zhuǎn)換效率（PCE）為76%。通過單晶分析和理論計算，發(fā)現(xiàn)o系列NPs的苯基與側(cè)鏈上的苯基和骨架之間形成了強(qiáng)的π-π相互作用，導(dǎo)致擴(kuò)展的相互鎖定平面，從而增強(qiáng)了NIR-II發(fā)射和光熱性能。

圖2. o-ITNP NP 的體內(nèi)NIR-II成像

通過靜脈注射o-ITNP NPs后，使用900 nm長通（LP）濾波器（信噪比（SBR）為1.35，半峰全寬（FWHM）為285.1 μm）觀察到小鼠腹部的血管結(jié)構(gòu)（圖2a和2b）。使用不同的LP濾波片進(jìn)行了血管成像，將LP濾波片范圍從900 nm增加到1300 nm，成像分辨率逐漸提高，使用1300 nm LP濾波片時達(dá)到最大SBR（3.84）和FWHM（148.5 μm）。此外，通過時間依賴的血液熒光成像評估了o-ITNP NPs的血液半衰期，結(jié)果顯示熒光亮度隨時間逐漸降低。如圖2c所示，在注射o-ITNP NPs之前，小鼠的自發(fā)熒光干擾很小，背景信號低。靜脈注射o-ITNP NPs后，腫瘤部位的熒光信號逐漸增加，表明其對腫瘤具有特異性富集（圖2c）。值得注意的是，注射后24小時觀察到峰值熒光強(qiáng)度，隨后由于代謝過程逐漸下降（圖2d）。通過體內(nèi)光熱成像評估了 o-ITNP 納米顆粒（NPs）的光熱性能。如圖2e 和2f所示，在 808 nm 激光照射下，腫瘤部位的溫度在 3 分鐘內(nèi)從 34.2?℃ 迅速上升到 49.7?℃。隨后，在照射 5 分鐘后，溫度達(dá)到約 50.2?℃ 的穩(wěn)定狀態(tài)，這突顯了 o-ITNP NPs 可靠的光熱轉(zhuǎn)換效率（PCE）。相比之下，在 808 nm 激光照射下，用磷酸鹽緩沖液（PBS）處理的小鼠幾乎沒有溫度變化。這些綜合研究結(jié)果表明，鑒于 o-ITNP NPs 的腫瘤選擇性遞送和特定部位的光熱效應(yīng)，它有望成為一種用于精準(zhǔn)癌癥治療的納米材料。

圖3. 體內(nèi)腫瘤光熱治療

o-ITNP 納米顆粒（NPs）的出色表現(xiàn)促使研究者進(jìn)一步在攜帶 4T1 乳腺腫瘤的小鼠中評估其體內(nèi)抗腫瘤活性。小鼠被分為一個實驗組和三個對照組，對照組分別接受磷酸鹽緩沖液（PBS）、PBS+L 和 o-ITNP NPs 處理，而實驗組接受 o-ITNP NPs+L 處理。腫瘤進(jìn)展和體重變化被監(jiān)測了 14 天（圖3a）。在實驗組中，明顯觀察到實體瘤生長抑制，并在 14 天后消除了腫瘤。相反，在對照組中觀察到腫瘤快速生長且沒有受到抑制（圖3b 和3c）。所有組的體重?fù)p失都很小，這表明 o-ITNP NPs 在體內(nèi)具有良好的生物相容性（圖3d）。對腫瘤切片進(jìn)行了組織學(xué)和免疫組織化學(xué)分析，以驗證 o-ITNP NPs 的體內(nèi)光療效果（圖3e）。蘇木精-伊紅（H&E）染色結(jié)果顯示，在o-ITNP NPs+L 組中腫瘤組織受到了顯著損傷，而對照組中的腫瘤細(xì)胞仍然存活且密集排列。末端脫氧核糖核酸轉(zhuǎn)移酶 dUTP 缺口末端標(biāo)記（TUNEL）染色顯示，用 o-ITNP NPs+L 處理的腫瘤細(xì)胞中出現(xiàn)了明顯的凋亡或壞死。通過對主要器官的H&E 染色評估，發(fā)現(xiàn)心臟、肝臟、脾臟、肺和腎臟均無病理異?；蜓装Y病變。

本文系統(tǒng)地研究了側(cè)鏈苯基位置異構(gòu)化對分子構(gòu)象、聚集行為和聚集體光物理性質(zhì)的影響。研究者獲得了三對互變異構(gòu)的 o 系列和 i 系列有機(jī)分子，它們的苯基分別位于側(cè)鏈的外部和內(nèi)部。所有化合物在納米顆粒（NPs）狀態(tài)下均表現(xiàn)出寬廣的近紅外一區(qū)（NIR-I）吸收帶和強(qiáng)烈的近紅外二區(qū)（NIR-II）熒光發(fā)射，發(fā)射波長可延伸至 1300?nm。值得注意的是，與 i 系列相比，o 系列納米顆粒（NPs）展現(xiàn)出紅移的吸收波長，并在 808nm 處顯著提高了摩爾消光系數(shù)。特別是在 808nm 激光激發(fā)下，o 系列 NPs 顯示出比 i 系列更高的 NIR-II 熒光亮度和增強(qiáng)的光熱性能。熒光衰減曲線分析表明，o 系列 NPs 的輻射速率常數(shù)（kr）和非輻射速率常數(shù)（knr）大于其 i 系列對應(yīng)物，從而提高了熒光強(qiáng)度和光熱產(chǎn)生。晶體學(xué)分析揭示了 i 系列晶體中側(cè)鏈苯基與相鄰層骨架之間存在 C?H???π 相互作用。在同一層內(nèi)，由于側(cè)鏈的屏蔽效應(yīng)，i 系列分子之間的相互作用可以忽略不計。相比之下，o 系列中側(cè)鏈苯基的位置異構(gòu)化導(dǎo)致了側(cè)鏈苯基與共軛骨架之間的空間共軛，以及同一層內(nèi)分子骨架之間的構(gòu)象互鎖。結(jié)果，o 系列聚集體傾向于具有更緊密的分子堆積和擴(kuò)展的 π-共軛平面，這賦予了它們更強(qiáng)的電子相互作用和更低的 HOMO–LUMO 能隙，顯著加速了輻射和非輻射過程，最終導(dǎo)致吸收波長紅移、摩爾消光系數(shù)增加、NIR-II 發(fā)射和光熱性能提高。作為 o 系列中的一個候選物，o-ITNP NPs 在 808nm 處展現(xiàn)出高摩爾消光系數(shù)，優(yōu)異的光熱性能和令人滿意的 NIR-II 熒光亮度。因此，o-ITNP NPs 能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率的 NIR-II 血管造影和 NIR-II 引導(dǎo)的光熱療法，用于乳腺腫瘤去除。這一創(chuàng)新的側(cè)鏈苯基異構(gòu)化策略成功實現(xiàn)了用于生物成像和癌癥治療應(yīng)用的高性能 NIR-II 光療診斷劑（OPTAs）的新類別。

參考文獻(xiàn)

Li C, Yao M, Jiang G, et al. Side Chain Phenyl Isomerization‐Induced Spatial Conjugation for Achieving Efficient Near‐Infrared II Phototheranostic Agents[J]. Angewandte Chemie, 2024: e202419785.

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