分享一篇2024年发表在Angewandte Chemie International Edition上的文章，题目是“Thiophene π-Bridge Manipulation of NIR-II AIEgens for Multimodal Tumor Phototheranostics”。文章的通讯作者是深圳大学材料科学与工程学院王东教授。
癌症是一个全球性的健康问题，长期以来一直威胁着全人类的生命安全，开发有效的癌症治疗手段势在必行。传统的手术、化疗、放疗方案存在复发率高、副作用大、治疗有创性等缺点，在一定程度上制约了其进一步推广。光治疗学是指在光诱导下对疾病进行同时诊断和治疗的学科，由于其治疗效果满意、给药可控、无创治疗等令人赞叹的优点，正引起人们越来越多的研究兴趣。有必要构建在近红外二区(NIR-II 1000-1700 nm)具有发射或吸收的试剂，因为它允许弱的自动荧光，较低的照片散射和最小的光损伤。在本研究中，作者探讨了不同π桥之间的细微差别，以指导NIR-II AIEgens的设计。通过巧妙地调节π桥，首先得到了5个AIEgens(方案1A)。在实验与计算相结合的基础上，对其吸收/发射波长、AIE特性、荧光量子产率(QY)、活性氧(ROS)生成效率、光热转换效率(PCE)等治疗性能进行了全面系统的研究。在660 nm近红外激光照射下，含苯并噻吩的BT-NS NPs具有优异的摩尔吸收系数、良好的NIR-II荧光功效、出色的ROS生成能力和良好的光热转换能力，具有显著的治疗效果。最终，具有良好生物相容性的BT-NS NPs在NIR-II FLI/PAI/PTI三模成像引导的PDT/PTT肿瘤上表现良好(方案1B)。
方案1 具有多模态光疗性能的NIR-II AIEgens π桥工程示意图。
硒二唑[2,3-c][1,2,5]作为电子受体片段，考虑到硒的重原子效应通过促进系统间交叉(ISC)过程有利于扩增ROS的产生。此外，与含硫的萘[2,3-c][1,2,5]噻二唑相比，其更强的吸电子能力使其更容易在NIR-II区发射。叔丁基二苯胺的扭曲分子结构作为分子转子，保证了AIE属性的表现，同时作为电子给体促进了ICT。合理设计连接电子给体和电子受体单元的π桥，可以共价连接具有不同光物理性质的荧光团。作者首先选择苯基作为π桥得到P-NS。为了延长吸收/发射波长，采用含噻吩、正烷基噻吩、3,4 -乙烯二氧噻吩、苯并[c]噻吩的各种噻吩基π桥分别合成了T-NS、C6T-NS、OT-NS和BT-NS（图1A）。为了深入了解它们的结构细节，对上述分子在基态(S0)下的优化几何形状进行了密度函数理论(DFT)模拟。当苯环被噻吩取代后，由于噻吩的位阻较小，π桥与电子受体之间的二面角从54.6°减小到38.6°/ 49.2°(图1B)。为了扭转结构构象，在噻吩部分安装了不同的取代基。正如预期的那样，大团的存在使得二面角范围从51.4°到75.7°更大，表明扭曲的结构主干有利于减轻分子间π -π相互作用(图1C)。值得注意的是BT-NS显示出最窄的能带隙为1.74 eV，表明吸收波长延长，这是由于苯并[c]噻吩单元的共轭长度增加所致。
图1：化合物的结构细节
为了进一步了解其光物理特性，采用紫外-可见-近红外光谱和光致发光光谱进行了严格的研究。如图2A所示，在577、661、589、601和662 nm处测得THF中所得产物的最大吸收波长，在660 nm处的摩尔系数值(η)分别为0.18×104、1.0×104、0.5×104、0.56×104和0.76×104 M -1 cm -1。这些化合物的标准化PL光谱显示出非常宽的发射光谱，最大发射波长分别为789、990、896、941和1003 nm(图2B)。值得注意的是，BT-NS具有超过1000 nm的最长发射波长，Stokes位移高达343 nm，显示出典型的NIR-II发射，这允许高分辨率NIR-II FLI，特别是在深位置。为了确定其AIE特性，我们测试了五种染料在劣质溶剂水含量为0 ~ 90%的THF/水混合物中的荧光光谱。如图2C所示，所有化合物作为单体在THF溶液中都有微弱的发光。然而，随着水含量逐渐增大形成聚集体，分子的自由运动受到限制，发射强度增强，表现为典型的AIE性质。如图2F-G所示，激光持续照射5min后，BTNS的温度在60℃左右达到最大值，显示出出色的产热效率。相比之下，其他四种分子表现出令人不满意的升温结果，这可以部分解释为在660 nm处缺乏光捕获能力。然后，作者研究了BT-NS在非辐射衰减通道中的能量耗散途径。计算出BT-NS的总重组能为4152 cm-1，表明单分散状态下分子内运动剧烈。属于二面体扭转的低频模态占总贡献的65.66%，表明脊柱扭转强度较大(图2H)。如图2I所示，BT-NS的S0和激发态(S1)差异明显，均方根位移(RMSD)值为1.135 Å，激发态构象变化明显。
图2：化合物的性质研究
为了使BT-NS具有良好的水分散性，作者采用DSPE-mPEG2000作为基质对BT-NS进行封装，形成均匀的NPs(图3A)。动态光散射(DLS)和透射电子显微镜(TEM)检查所制备的NPs具有均匀的球形形态，直径约为67 nm(图3B)，这是通过增强渗透性和滞留性(EPR)效应在肿瘤中积累的最佳选择。与THF溶液相比，BT-NS NPs的UV-Vis-NIR吸收光谱和PL光谱呈现红移趋势，峰值分别位于693 nm和1020 nm(图3C)。如图3E所示，在660 nm激光照射10分钟后，BT-NS NPs的ROS生成能力增强了122倍，这表明BT-NS NPs在PDT中的潜在应用。从图3F可以看出，BT-NS NPs的最高温度与样品浓度和激光功率密度呈正相关，表明可以精确调节光热产生以达到最佳治疗效果。根据冷却曲线计算，BT-NS NPs的PCE约为41.8%，其光热效率远高于传统光热剂ICG(~3.1%)(图3G)。这些集体发现共同证明了BT-NS NPs在辐射和非辐射衰变之间的精细平衡，是很好的肿瘤多模式光疗的工具。
图3：BT-NS NPs的表征与性能
CCK-8法定量评价BT-NS NPs对4T1肿瘤细胞的细胞毒性和生物相容性。如图4A所示，在50 μgmL - 1的浓度下，BTNS NPs处理的正常3T3细胞和4T1细胞的存活率均保持在90%以上，暗毒性最小，具有良好的生物相容性。4T1细胞与FITC标记的BTNS NPs孵育24小时，用Lyso-Tracker红色染色后，共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)显示FITC标记的BT-NS NPs(绿色)与FITC标记的BT-NS NPs(绿色)之间的图像重叠良好荧光)和溶酶体探针(红色荧光)，表明BT-NS NPs有效内化到4T1细胞中并在溶酶体中积累(图4B)。随后，在细胞水平上评估BT-NS NPs的ROS生成效率。与其他组形成鲜明对比的是，在BTNS NPs和660 nm激光处理组，细胞中观察到明显的DCFH绿色荧光(图4C)。为如图4C所示，BT-NS NPs加激光组监测到亮红色荧光，表明具有可行的杀瘤能力。相反，FDA的绿色荧光清晰，进一步证实了对照组激光和BT-NS NPs的副作用都可以忽略不计。
图4：体外细胞杀肿瘤性能评价
鉴于BT-NS NPs在细胞水平上具有良好的抗肿瘤效果，进一步评估其体内成像和治疗效果。荷瘤小鼠尾静脉注射BT-NS NPs, 6 h后肿瘤部位出现微弱的荧光信号，显示BT-NS NPs在肿瘤区域内缓慢积累，注射后24 h浓度达到峰值(图5A)。随后，由于代谢过程，信号逐渐减弱。正如预期的那样，强度肿瘤部位指定时间的光声信号与荧光信号保持良好的一致性。注射后96 h主要器官的离体NIR-II FLI为BT-NS NPs良好的肿瘤保留效果提供了坚实的事实。此外，肝脏和脾脏中可见明显的荧光信号，表明BT-NS NPs的代谢途径主要通过肝胆系统(图5C)。注射后24 h, BT-NS NPs保留率达到峰值，用660 nm激光照射肿瘤。如图5B和5D所示，肿瘤温度在10分钟内迅速升高至约50.7℃，足以对肿瘤进行PTT治疗。这些成像结果表明，BT-NS NPs具有良好的肿瘤保留行为和显著的多模态成像性能。然后，继续在4T1肿瘤移植BALB/c小鼠模型中评估BT-NS NPs的肿瘤杀伤活性。将4T1荷瘤小鼠随机分为PBS组、PBS+ L组、BT-NS NPs组和BT-NS NPs+L组。如图5E所示，对照组(PBS、PBS+L和BT-NS NPs)的肿瘤体积在研究期间迅速增加。在第10天，小鼠的肿瘤体积从最初的大小扩大了大约8倍，这表明无论是激光治疗还是单独使用BT-NS NPs都不能有效消除肿瘤。相反，在第4天发现BT-NS NPs+L组肿瘤几乎被根除，10天内没有观察到复发迹象。为了进一步阐明BT-NS NPs的体内肿瘤杀伤机制，作者进行了组织学和免疫组织化学研究(图5F)。肿瘤切片的H&E染色直观地显示PDT和PTT联合使用对肿瘤组织损伤严重，肿瘤细胞异常明显。与富含大量正常肿瘤细胞的对照组相比，BT-NS NPs+L组肿瘤细胞出现大量空腔和明显的核凋亡。综上所述，BT-NS NPs是一种有效的多模态光疗纳米药物。
图5：BT-NS NPs介导的4T1荷瘤小鼠体内多模态成像引导PDT/PTT治疗
本文通过精细的π桥分子调制制备了用于肿瘤多模态光疗的NIR-II AIEgens。苯并[c]噻吩具有较长的共轭长度和拥挤的空间势垒，被证明是构建NIR-II偶氮基的5种常用π桥的最佳候选。实验和理论结合研究表明，含苯并[c]噻吩的BT-NS具有扭曲的分子骨架，对PDT具有出色的ROS生成能力，对PTT具有良好的PCE。利用这些特性，利用BT-NS NPs成功实现了NIR-II FLI/PAI/PTI三模成像引导的4T1肿瘤小鼠PDT/PTT，表现出卓越的治疗效果和良好的生物相容性。这一工作为通过π-桥操纵按需设计多功能NIR-II AIEgens提供了有价值的指导。
目前评论：0