雙受體工程構(gòu)建第二近紅外聚集誘導(dǎo)發(fā)光體以提升多模態(tài)光熱診療

本文要點：電子供體/受體（D/A）的操縱顯示出創(chuàng)新光學(xué)材料的無盡動力。本文設(shè)計并研究了基于受體工程的D′-D-A-D-D′（1A系統(tǒng)）和D′-D-A-A-D-D′（2A系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。結(jié)果表明， 1A體系表現(xiàn)出弱聚集誘導(dǎo)發(fā)射（AIE）到聚集誘導(dǎo)猝滅（ACQ）現(xiàn)象，以及受體親電性和平面性的增加。與此形成鮮明對比的是，增加一個受體的2A系統(tǒng)表現(xiàn)出相反的ACQ到AIE轉(zhuǎn)換。值得注意的是，在2A系統(tǒng)中更缺電子的A-A熒光團顯示出優(yōu)異的AIE活性。更重要的是，與1A體系中的所有化合物相比，2A體系中的所有化合物均表現(xiàn)出更高的摩爾吸收率（ε）。由于最高的ε、近紅外-II（NIR-II，1000-1700 nm）發(fā)射、理想的AIE特性、有利活性氧（ROS）產(chǎn)生和高光熱轉(zhuǎn)換效率。2A系統(tǒng)的代表成員在熒光-光聲-光熱多模態(tài)成像引導(dǎo)的光動力-光熱協(xié)同治療中高效消除腫瘤。同時，還完成了活小鼠血管和淋巴結(jié)的NIR-II熒光成像。本研究首次證明雙連接受體策略可以成為AIE效應(yīng)的新分子設(shè)計方向，從而產(chǎn)生高ε，聚集增強的NIR-II熒光發(fā)射，并改善光療診斷劑的ROS產(chǎn)生和發(fā)熱能力。
 

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近紅外聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）物質(zhì)具有在聚集態(tài)下發(fā)光的特性，具有潛在的應(yīng)用于生物成像和光熱治療等領(lǐng)域的優(yōu)勢。然而，目前已知的近紅外AIE物質(zhì)的發(fā)光效率較低，限制了其在實際應(yīng)用中的應(yīng)用。因此，本研究旨在通過雙受體工程來構(gòu)建第二近紅外AIE物質(zhì)，以提高其發(fā)光效率和光熱治療效果。

雙受體工程是指在分子結(jié)構(gòu)中引入兩個受體單元，以增強分子的光物理性能。通過合理設(shè)計受體單元的結(jié)構(gòu)和位置，可以調(diào)控分子的發(fā)光波長、量子產(chǎn)率和光穩(wěn)定性等性能。作者成功地合成了一系列具有第二近紅外發(fā)光特性的AIE物質(zhì)，并對其光物理性能進行了詳細的表征。

多模態(tài)光熱診療是一種將光熱治療與光學(xué)成像相結(jié)合的治療方法，可以實現(xiàn)精確的腫瘤治療和監(jiān)測。作者團隊將合成的第二近紅外AIE物質(zhì)應(yīng)用于多模態(tài)光熱診療中，通過調(diào)控其發(fā)光性能和光熱轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)了高效的腫瘤治療和成像。

目前，電子供體的設(shè)計發(fā)展迅速，而電子受體工程的研究卻很少受到重視。受“多多益善”的思想啟發(fā)，作者設(shè)計并研究了基于受體工程的兩個具有D′−D−A−D−D′（1A系統(tǒng)）和D′−D−A−A−D−D′（2A系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。通過這種方法，研究團隊成功地構(gòu)建了具有AIE特性的近紅外熒光物質(zhì)（圖1），這些物質(zhì)在聚集態(tài)下具有較高的發(fā)光強度和較長的發(fā)光波長。這些物質(zhì)可以用于多模式光熱診療，提高診療效果。
 

 

而后，為深入了解兩系統(tǒng)的電子物理性質(zhì)，如圖2a-h所示，優(yōu)化了所有分子的構(gòu)型，并在此基礎(chǔ)上測定并比較了兩系統(tǒng)中化合物的性質(zhì)（圖2i-n）。這些結(jié)果表明，與 1A 系統(tǒng)中的化合物相比，2A 系統(tǒng)中的化合物表現(xiàn)出更高的非輻射衰變比例和光熱轉(zhuǎn)化潛力。

圖2. 1A和2A體系中所有化合物優(yōu)化后的幾何構(gòu)型（a-h）及其相關(guān)數(shù)據(jù)（i-n）。

 

接著，考慮到化合物優(yōu)異的AIE特征和位于NIR-II區(qū)域的發(fā)射波長，使用兩親性共聚物DSPE-mPEG2000將疏水性2TT-2BBTD包封到NPs中，并進行DLS分析（圖3a）。由于其優(yōu)異的性質(zhì)，2TT-2BBTD納米粒被選用于進一步的研究和應(yīng)用。經(jīng)測定，2TT-2BBTD NPs分別在799和1065 nm處顯示出最大吸收和發(fā)射（圖3b）。此外，作者評價了2TT-2BBTD NPs的ROS產(chǎn)生和光熱轉(zhuǎn)化能力（圖3c），證實了2TT-2BBTD NPs具有NPs濃度和激光功率密度依賴性溫度升高的特性（圖3d，e）。這些結(jié)果表明，2TT-2BBTD NPs 的發(fā)熱量可以輕松控制。

 

其次，作者進行了一系列體外實驗，評估了其細胞水平上的協(xié)同光療功效。如圖4a所示，2TT-2BBTD NPs通過溶酶體介導(dǎo)的內(nèi)吞途徑進入4 T1細胞。接著，進行CCK-8測定以評價2TT-2BBTD NPs的體外滅殺腫瘤作用（圖4 b），結(jié)果證明其在激光照射下具有細胞殺傷活性。通過使用熒光素二乙酸酯（FDA）和碘化丙啶（PI）的共染色方法進一步驗證2TT-2BBTD NPs的光療效果。染色結(jié)果顯示，在PBS、PBS +激光（L）和2TT-2BBTD NPs（黑暗條件）的組中獲得了強的綠色熒光信號，而幾乎所有負載2TT-2BBTD NPs的4T1細胞在激光照射后均顯示細胞死亡（圖4c）。此外，還通過流式細胞術(shù)分析，以闡明細胞的死亡機制（圖4d）。

圖4. (a)用Hoechst 33342、FITC-2TT-2BBTD NPs和LysoTracker Red染色后的4T1細胞的CLSM圖像。(b)在黑暗或808 nm激光照射下用不同濃度的2TT-2BBTD NPs處理后的4T1細胞的細胞活力。(c)各種處理后4T1細胞的活細胞和死細胞染色。綠色和紅色熒光分別表示活細胞和死細胞。(d)用PBS和2TT-2BBTD NPs處理的4T1細胞的流式細胞術(shù)分析。

 

然后，作者進行了一系列體內(nèi)NIR-II熒光成像和光治療診斷學(xué)實驗。評價了納米粒用于體內(nèi)近紅外-II血管造影的性能（圖5a-d）。此外，在施用2TT-2BBTD NPs后，也可以在小鼠的淋巴結(jié)中檢測到明亮的NIR-II熒光信號（圖5e）。這些結(jié)果說明了2TT-2BBTD NPs有效的體內(nèi)NIR-II成像能力。

 

最后，基于原位4T1乳腺腫瘤小鼠模型研究了2TT-2BBTD NPs的多模式成像引導(dǎo)光療性能。首先，估計NIR-II FLI和2TT-2BBTD NPs在腫瘤部位中的積累能力（圖6a）。與FLI的結(jié)果一致，光聲信號也在尾靜脈注射后12 h呈現(xiàn)最大水平，并維持24 h（圖6b）。根據(jù)圖6c中所示的紅外熱圖像，再次證明了2TT-2BBTD NPs的可靠光熱轉(zhuǎn)換性能。隨后，評估了2TT-2BBTD NPs的體內(nèi)抗腫瘤功效，如圖6d所示，在2TT-2BBTD NPs加激光照射的光療組中，實體瘤的生長被徹底抑制，并且腫瘤在第3天幾乎被消除。另外還通過腫瘤切片的組織學(xué)和免疫組織化學(xué)分析來驗證2TT-2BBTD NPs的體內(nèi)治療機制。如圖6 e所示，蘇木精和伊紅（H&E）測定顯示，在2TT-2BBTD NPs加激光照射的治療組中證實了腫瘤組織的廣泛破壞。此外，系統(tǒng)地評價了2TT-2BBTD NPs的體內(nèi)生物安全性。在整個治療過程中，觀察到這四個組的生長趨勢相似，體重減輕可忽略不計。（圖6 f）

圖6. (a)分別靜脈注射2TT-2BBTD NPs后不同時間，原位4T1乳腺荷瘤BALB B/c小鼠的NIR-II FLI和（b）PAI。(c)通過靜脈內(nèi)注射2TT-2BBTD NPs處理4T1荷瘤小鼠， 12 h后分別用808 nm激光照射2、4、6和8 min的PTI。(d)4T1荷瘤小鼠（n = 5）分別在各種治療后的時間依賴性腫瘤生長曲線。(e)各種治療下腫瘤組織的H&E、TUNEL、CD31和Ki67染色分析。(f)治療期間4T1荷瘤小鼠（n = 5）的體重變化。

 

總的來說，這篇文章介紹了一種新型近紅外二區(qū)AIE物質(zhì)的構(gòu)建方法和其在多模態(tài)光熱診療中的應(yīng)用。該研究對于發(fā)展高效的腫瘤治療和成像技術(shù)具有重要意義，為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究提供了新的思路和方法。

 

參考文獻

Yang, S.; Zhang, J.; Zhang, Z.; Zhang, R.; Ou, X.; Xu, W.; Kang, M.; Li, X.; Yan, D.; Kwok, R. T. K.; Sun, J.; Lam, J. W. Y.; Wang, D.; Tang, B. Z., More Is Better: Dual-Acceptor Engineering for Constructing Second Near-Infrared Aggregation-Induced Emission Luminogens to Boost Multimodal Phototheranostics. Journal of the American Chemical Society 2023, 145 (41), 22776-22787.

 

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