本文要點：近紅外二區（NIR-II）發射和光熱效應之間的矛盾限制了光療診斷劑（PTAs）在許多新興前沿應用中的發展。通過操縱分子結構和堆積，有機聚集體為平衡競爭弛豫過程提供了機會。本文提出了側鏈苯基異構化誘導的空間共軛策略，用于構建A-D-A型NIR-II PTAs，同時增強熒光亮度和光熱性能。設計并合成了三對互變異構的熒光團，它們的苯基分別位于側鏈的外部（o系列）和內部（i系列）。o系列晶體的苯基與側鏈上的苯基和骨架之間形成了強的空間共軛，以及相互鎖定的平面網絡，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）都表現出紅移吸收、增強的NIR-II發射和優于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成像引導的腫瘤光熱療法中表現出良好的效果。側鏈苯基異構化策略的成功為精確控制聚集體行為和進一步開發高效的NIR-II PTAs鋪平了道路。

方案1. 用于構建高效光療診斷劑的典型分子側鏈工程

有機聚集體因其在生物醫學光診斷和光療中的潛力而受到關注，尤其是在NIR-II窗口（1000-1700 nm）中。傳統的A-D-A型NIR-II有機光療診斷劑（OPTAs）通常具有低發射量子產率（QY < 1%），這是由于聚集引起的猝滅（ACQ）效應。本研究旨在通過側鏈苯基異構化策略，同時增強熒光亮度和光熱性能。設計并合成了六種A-D-A型熒光團（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。將這些疏水性A-D-A型熒光團通過納米沉淀法與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）共組裝成脂質體類似的納米顆粒（NPs）。

圖1. 六種熒光團的光物理表征

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

圖2. o-ITNP NP 的體內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構（圖2a和2b）。使用不同的LP濾波片進行了血管成像，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度，隨后由于代謝過程逐漸下降（圖2d）。通過體內光熱成像評估了 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 分鐘內從 34.2?℃ 迅速上升到 49.7?℃。隨后，在照射 5 分鐘后，溫度達到約 50.2?℃ 的穩定狀態，這突顯了 o-ITNP NPs 可靠的光熱轉換效率（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，它有望成為一種用于精準癌癥治療的納米材料。

圖3. 體內腫瘤光熱治療

o-ITNP 納米顆粒（NPs）的出色表現促使研究者進一步在攜帶 4T1 乳腺腫瘤的小鼠中評估其體內抗腫瘤活性。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。腫瘤進展和體重變化被監測了 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）。所有組的體重損失都很小，這表明 o-ITNP NPs 在體內具有良好的生物相容性（圖3d）。對腫瘤切片進行了組織學和免疫組織化學分析，以驗證 o-ITNP NPs 的體內光療效果（圖3e）。蘇木精-伊紅（H&E）染色結果顯示，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胞仍然存活且密集排列。末端脫氧核糖核酸轉移酶 dUTP 缺口末端標記（TUNEL）染色顯示，用 o-ITNP NPs+L 處理的腫瘤細胞中出現了明顯的凋亡或壞死。通過對主要器官的H&E 染色評估，發現心臟、肝臟、脾臟、肺和腎臟均無病理異常或炎癥病變。

本文系統地研究了側鏈苯基位置異構化對分子構象、聚集行為和聚集體光物理性質的影響。研究者獲得了三對互變異構的 o 系列和 i 系列有機分子，它們的苯基分別位于側鏈的外部和內部。所有化合物在納米顆粒（NPs）狀態下均表現出寬廣的近紅外一區（NIR-I）吸收帶和強烈的近紅外二區（NIR-II）熒光發射，發射波長可延伸至 1300?nm。值得注意的是，與 i 系列相比，o 系列納米顆粒（NPs）展現出紅移的吸收波長，并在 808nm 處顯著提高了摩爾消光系數。特別是在 808nm 激光激發下，o 系列 NPs 顯示出比 i 系列更高的 NIR-II 熒光亮度和增強的光熱性能。熒光衰減曲線分析表明，o 系列 NPs 的輻射速率常數（kr）和非輻射速率常數（knr）大于其 i 系列對應物，從而提高了熒光強度和光熱產生。晶體學分析揭示了 i 系列晶體中側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，由于側鏈的屏蔽效應，i 系列分子之間的相互作用可以忽略不計。相比之下，o 系列中側鏈苯基的位置異構化導致了側鏈苯基與共軛骨架之間的空間共軛，以及同一層內分子骨架之間的構象互鎖。結果，o 系列聚集體傾向于具有更緊密的分子堆積和擴展的 π-共軛平面，這賦予了它們更強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，最終導致吸收波長紅移、摩爾消光系數增加、NIR-II 發射和光熱性能提高。作為 o 系列中的一個候選物，o-ITNP NPs 在 808nm 處展現出高摩爾消光系數，優異的光熱性能和令人滿意的 NIR-II 熒光亮度。因此，o-ITNP NPs 能夠實現高分辨率的 NIR-II 血管造影和 NIR-II 引導的光熱療法，用于乳腺腫瘤去除。這一創新的側鏈苯基異構化策略成功實現了用于生物成像和癌癥治療應用的高性能 NIR-II 光療診斷劑（OPTAs）的新類別。

參考文獻

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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動物活體熒光成像系統 - MARS 

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