内容提要
本文通过在高度平面的A−D−A骨架中引入“动与静”策略，我们成功地开发了Y5-2BO-2BTF的近红外(NIR)-II AIEgen光热转换效率（PCE）达到77.8%。在Y5-2BO- 2BTF中，由聚集引起的猝灭对偶体Y5-2BO的受体单元苯环上的位阻被修饰为间位CF3取代的萘基，导致了Y5-2BO- 2BTF中反向交错排列和各种分子间非共价构象锁（“静止”）。此外，−CF3部分作为具有超低能垒的柔性运动单元，显著促进了松散的Y5-2BO-2BTF聚集体的光热过程（“运动”）。因此，Y5-2BO-2BTF纳米颗粒通过NIR-II荧光-光声-光热成像-导航I型光动力-光热疗法实现了肿瘤根除和肺转移抑制。这项工作首次证明了具有反向交错堆叠排列的高度平面构象可以作为AIEgens的新分子设计方向，为构建用于生物成像和癌症治疗的优越光疗剂提供了新的思路。
分子合成和光物理性质
为了开发具有强近红外吸收的nfas型发光团，合成了具有A−D−A结构的Y5-2BO。然而，这种结构经常表现出ACQ现象，导致光疗效果不理想。这种困境归因于它们的大π共轭和高度平面结构，这引发了强烈的分子间π−π相互作用。为了解决这一问题，提出了一种简单的结构调制来利用Y5-2BO突出的吸收能力并消除共面π−π相互作用。该解决方案涉及通过增加Y5-2BO末端基团的位阻效应来实现反向交错堆积，从而促进π−π重叠面积的减少。具体来说，Y5-2BO受体部分的苯环被扩展成一个萘基，并伴有一个间取代的三氟甲基，从而形成Y5-2BO2BTF。系统地研究了Y5-2BO和Y52BO-2BTF的光学性质。如图所示，它们在THF溶液中的吸收峰在700 nm左右，ε值异常高，分别为1.44和1.06 × 105 M−1 cm−1。值得注意的是，这些ε值不可否认地超过了以前报道的大多数吸收niragen的ε值。此外，Y5-2BO- 2btf的发射最大值（789 nm）比Y5-2BO的发射最大值（775 nm）长，表明受体修饰诱导的分子内D−A相互作用更强。然后，研究了它们在不同水分数（fw）的THF/H2O混合物中的光致发光（PL）性能。正如预期的那样，当fw逐渐增加到99%时，Y5-2BO的荧光强度从单分子状态（fw = 0）开始依次下降，证实了其典型的ACQ性质。当fw达到20%时，Y5-2BO-2BTF的发射强度也由于扭曲分子内电荷转移（TICT）的影响而下降，但随着fw的进一步增加，发射强度又显著增强。与许多先前报道的NIR-II AIEgens类似，在聚集形成时观察到大约3倍的适度荧光增强。Y5-2BO2BTF具有TICT + AIE的特征。
纳米颗粒的制备与表征
考虑到其理想的AIE特性和NIR-II发射波长，使用Pluronic F127两亲性基质将疏水Y5-2BO-2BTF封装到NPs中，用于潜在的生物学应用。最初，动态光散射（DLS）分析表明，平均水动力直径约为120 nm，透射电子显微镜（TEM）验证了Y5-2BO-2BTF NPs的球形形貌。研究了Y5-2BO2BTF NPs的光学性质。吸收光谱和发射光谱分别在762 nm和921 nm处出现峰值。值得注意的是，NPs的发射光谱尾部延伸到1400 nm，由于其深层组织穿透，突出了其在活体应用中的优势。与Y5-2BO NPs相比，也观察到一个红移的发射波长。以吲哚菁绿（ICG）为对照，确定Y5-2BO-2BTF在四氢呋啶溶液中的相对量子产率（QY）为0.7%，在NPs水中的相对量子产率为1.2%。这1.7倍的QY增加进一步证实了Y5-2BO-2BTF固有的AIE性质。然后，采用二氯荧光素（DCFH）作为总ROS指标，评估Y5-2BO2BTF NPs的ROS生成能力。在连续激光照射下，Y5-2BO-2BTF NPs的荧光强度比初始值增加了近150倍，表明其具有高效的ROS生成能力。
为了系统地区分Y5-2BO-2BTF NPs产生的ROS种类，我们使用了单线态氧（1O2）和自由基型检测探针。9,10-蒽二基双（亚甲基）-二丙二酸（ABDA）的吸收信号几乎保持不变，证实了NPs产生的1O2可以忽略不计。另一方面，采用羟基苯基荧光素（HPF）和二氢霍达明123（DHR123）作为自由基指标，观察到Y5-2BO-2BTF NPs倾向于通过I型途径产生羟基自由基（•OH）和超氧自由基（O2−•）。此外，使用5,5-二甲基-1-吡啶- n-氧化物（DMPO）作为自旋捕获剂，通过电子自旋共振（ESR）测量进一步证实了Y52BO-2BTF NPs的I型ROS生成。此外，Y5-2BO-2BTF NPs表现出浓度和激光功率密度相关的温度升高。这些观察结果表明，Y5-2BO-2BTF NPs的光驱动产热可以很容易地调节。值得注意的是，在808 nm激光（0.8 W/cm2）照射10 min后，Y5-2BO-2BTF NPs在低浓度为20 μM的水溶液中温度稳定在62℃以上，表现出显著的光热转换性能。即使经过5个连续的加热-冷却循环，Y5-2BO-2BTF NPs仍然保持稳定的光热发电能力。相反，商用ICG的光热稳定性表现为退化性能，最大温度显著降低。随后测定Y5-2BO NPs和Y5-2BO- 2btf NPs的光热转换效率（PCE）分别为49.4%和77.8%。
体外实验
考虑到Y5-2BO2BTF NPs的波长发射范围长，QY适度，我们将疏水可见光的3甲酰基香豆素掺杂到Y5-2BO-2BTF&Cou NPs中。值得注意的是，Y5-2BO2BTF&Cou NPs的绿色荧光与LysoTracker red的红色信号有明显的重叠，Pearson相关系数为0.83，表明主要定位于溶酶体。此外，可能还涉及到一个能量依赖性和药物依赖性的内吞过程。令人高兴的是，即使在没有光线的情况下，Y5-2BO-2BTF NPs浓度升高和/或孵育时间延长，对4T1癌细胞的毒性也很明显，强调了其良好的生物相容性。在808 nm激光照射下，细胞活力随着NP浓度的增加而逐渐下降。通过钙素- am （CAAM）和碘化丙啶（PI）共染色进一步证实Y52BO-2BTF NPs的光疗效果，其中绿色和红色荧光信号分别对应活细胞和死细胞。结果显示PBS、PBS +激光(L)和Y5-2BO-2BTF NPs（暗态）组有较强的绿色荧光。然而，几乎所有经过Y5-2BO-2BTF nps处理的4T1细胞在激光照射下都表现出细胞死亡，突出了所需的光毒性。众所周知，I型ROS具有有利的低氧依赖特性，可增强在缺氧肿瘤微环境中的光疗性能。为此，为了验证I型光敏剂在实体肿瘤中的抗缺氧潜能，我们评估了常氧和缺氧条件下4T1细胞内Y5-2BO-2BTF NPs的ROS生成能力。令人鼓舞的是，当DCFH-DA作为总ROS指标时，在缺氧环境下仍能观察到明显的绿色荧光，表明ROS形成有效。此外，荧光标记物二氢乙锭（DHE）被用来测量在常氧和缺氧情况下癌细胞的O2−•产生。低氧组DHE荧光信号仅略弱于常氧组，说明Y5-2BO-2BTF NPs较好地保留了生成O2−•的能力。综上所述，这些发现预示着Y52BO-2BTF NPs即使在缺氧的肿瘤中也可以实现有效的光动力治疗（PDT）。
体内NIR-II血管造影和光治疗
考虑到Y5-2BO-2BTF的NIR-II排放和AIE活性，我们首先评估了其NPs用于活体NIR-II血管造影的性能。静脉注射Y5-2BO-2BTF NPs后，采用不同的长通（LP）滤光片对小鼠后肢血管进行成像。正如预期的那样，随着LP滤波器范围扩展到1300 nm，成像清晰度逐渐提高，最终实现了最高的SBR为3.77，半最大全宽（FWHM）为1.49 mm。此外，通过采用表达荧光素酶的4T1肿瘤的生物发光作为对照，Y5-2BO-2BTF NPs在NIR-II成像引导手术中促进了原位乳腺荷瘤小鼠癌组织的完全切除。这些结果强调了Y5-2BO-2BTF NPs在NIR-II窗口内对癌组织进行活体成像的重要潜力。
由于Y5-2BO-2BTF NPs具有出色的体外细胞毒性和体内荧光成像（FLI）能力，我们利用原位乳腺癌小鼠模型探索了Y5-2BO-2BTF NPs的多模态成像引导光疗潜力。最初，我们估计了NIR-II FLI和Y5-2BO-2BTF NPs在肿瘤部位的积累性能。基于活体血管造影的结果，我们适当地使用了1300 nm LP滤光片以获得更好的成像性能。令人鼓舞的是，小鼠在注射NPs之前表现出非常低的背景信号，导致最小的自身荧光干扰。尾静脉注射Y5-2BO-2BTF NPs后，肿瘤组织中相应的荧光强度逐渐增强，表明肿瘤部位有效蓄积。注射后12 h强度达到峰值，随后由于代谢作用减弱。考虑到分子光子收集在光疗性能中的关键作用，Y5-2BO-2BTF的高ε补偿了其令人满意的FLI能力，尽管其在NP状态下的QY相对较低。为了定量评估注射12 h后Y5-2BO-2BTF NPs的生物分布，我们分离了主要器官和肿瘤组织。在癌区观察到强烈的荧光信号，同时在肝脏检测到荧光发射。与FLI趋势一致，光声信号也在12 h达到峰值，并持续24 h以上。这种光声成像（PAI）和FLI的协同作用无疑为肿瘤的可视化和诊断提供了一种精确的方法。随后，利用超高PCE，进行了基于Y5-2BO-2BTF NPs的体内光热成像（PTI）。如图所示，在照射后2分钟内，肿瘤区域温度从35.3℃迅速升高到52.6℃，10分钟后达到58.7℃的最大值。相比之下，基于Y5-2BO NPs的体内PTI也进行了测试，而Y5-2BO NPs处理的小鼠表现出较低的温度升高，在相同的情况下，最高温度约为44.0℃。这些发现再次强调了−CF3基团的“光热转换加速器”和相应聚集体的松散分子堆积的综合优势所带来的有效的光驱动产热能力。
随后，采用808 nm激光，尾静脉注射Y5-2BO-2BTF NPs 12 h，对原位4T1乳腺荷瘤小鼠进行体内I型PDT/PTT。在16天的治疗过程中，PBS、PBS +激光和Y5-2BO-2BTF NPs（无激光照射）组的肿瘤迅速生长，最大体积超过700 mm3。值得注意的是，Y5-2BO NPs +激光组虽然在一定程度上抑制肿瘤生长，但由于其体内产热能力不足，效果并不理想。与此形成鲜明对比的是，Y5-2BO-2BTF NPs加激光照射后，肿瘤生长明显受到抑制，到第4天肿瘤几乎消失，显示出特殊的光治疗效果。治疗16天后，肿瘤完全消退，无复发迹象。通过对表达荧光素酶的4T1细胞进行生物发光成像，进一步证实了Y5-2BO-2BTF NPs +激光组肿瘤的成功根除。由于肿瘤生长抑制不充分，PBS、PBS +激光、Y5-2BO- 2btf NPs和Y5-2BO NPs +激光组均有肺转移。然而，Y5-2BO-2BTF NPs +激光组未显示肺转移的证据。这清楚地强调了PDT和PTT联合方法在使用Y5-2BO2BTF NPs对抗肿瘤方面的优越有效性。值得注意的是，在整个治疗过程中，体重减轻可以忽略不计，并且所有组中均未记录小鼠死亡。
总结
本文首次证明了单个荧光团可同时具备聚集诱导发光（AIE）效应和高摩尔吸光系数（ε），这修正了传统认知中高度扭曲的构象是构建聚集诱导发光分子（AIEgens）的先决条件这一观点。本研究还建立了一种基于近乎平面结构和非共面堆积模型来开发 AIEgens 的范式。通过将 “动静结合” 策略融入高度平面的 A - D - A 骨架中，我们成功创制了一种近红外二区（NIR - II）AIEgen Y5 - 2BO - 2BTF，其具有扩大的吸收储备，ε 高达 1.06×10⁵ M⁻¹ cm⁻¹，且光致发光量子效率（PCE）极高，可达 77.8%。系统的实验数据、理论模拟以及 X 射线单晶分析证实，通过将 Y5 - 2BO 受体部分的苯环替换为间位三氟甲基（meta - CF₃）取代的萘环进行受体工程改造，生成了具有反向交错堆积排列的 Y5 - 2BO - 2BTF。此外，Y5 - 2BO - 2BTF 晶体展现出多种分子间氢键、杂原子相互作用以及给体 - 受体（D - A）相互作用。因此，NFA 型结构典型的强 π - π 堆积特性被消除，Y5 - 2BO - 2BTF 中主结构和长烷基链的分子内运动在聚集态下均得到恰当地限制，从而实现了从聚集猝灭（ACQ）到聚集诱导发光（AIE）的转变。
此外，引入体积小且能垒极低的三氟甲基（−CF₃）基团作为柔性运动单元，与Y5 - 2BO - 2BTF 聚集体的松散分子堆积相结合，不仅保留了高度平面的构型以确保有效的光捕获能力，还显著增强了光热转换过程。Y5 - 2BO - 2BTF 纳米粒子（NPs）在原位荷瘤小鼠中引发了显著的多模态近红外二区荧光成像（NIR - II FLI）/ 光声成像（PAI）/ 光热成像（PTI）引导的光热治疗（PTT）/I 型光动力治疗（PDT），用于肿瘤消融。该纳米粒子在活体血管造影和抑制肺转移方面也表现出色。
参考文献
Integration of Motion and Stillness: A Paradigm Shift in Constructing Nearly Planar NIR-II AIEgen with Ultrahigh Molar Absorptivity and Photothermal Effect for Multimodal Phototheranostics，Shiping Yang, Qian Jia,Xinwen Ou, Fang Sun, Chaoqi Song, Tingxing Zhao,* Ryan T. K. Kwok, Jianwei Sun, Zheng Zhao,* Jacky W. Y. Lam,* Zhongliang Wang,* and Ben Zhong Tang，J. Am. Chem. Soc.，https://doi.org/10.1021/jacs.4c15216
