内容提要
具有聚集诱导发射(AIE)特性的光敏剂(PSs)是生物成像和治疗应用的竞争候选人。然而，它们的发射波长短和非特异性细胞器靶向性阻碍了它们的治疗效果。本文报道了一种供体-受体调制方法，构建了一系列具有增强光动力治疗(PDT)结果和第二个近红外(NIR-II)窗口荧光发射的离子AIE光敏剂。以二噻吩[3,2b:2′，3′-d]吡咯(DTP)和吲哚(In)分别作为强给体和强受体，化合物DTP-In的吸收和荧光发射到达NIR-II区有明显的红移。DTP-In中单线态和三重态之间能量间隙的减小也增加了活性氧(ROS)的生成速率。此外，DTP-In可以在水溶液中自组装，形成带正电的纳米聚集体，在细胞摄取和线粒体靶向方面优于传统的封装纳米颗粒。因此，在660 nm激光照射下，DTP-In聚集体显示出对4T1癌细胞的有效光动力消融和出色的体内肿瘤治疗效果。
光敏剂的设计、合成与光学特性
首先采用由TPE和DPA组成的高扭曲、体积较大的AIE单元来增强位阻效应，防止分子间相互作用引起的聚集态荧光猝灭。然后以噻吩[3,2-b]噻吩(TT)为电子给体，吡啶(Py)为电子受体构建TT-Py。为了提高PS的D-A强度，采用体积较大的二噻吩[3,2-b:2 '，3 ' -d]吡咯(DTP)取代给电子能力较强的TT，构建DTP- py。据我们所知，这是第一次以4苯基-4 h -二噻吩[3,2-b:2 '，3 ' -d]吡罗(DTP)作为给体构建光敏剂，其给电子能力比大多数报道的给体单位，包括三苯胺、咔唑、噻吩和甲氧基都强。为了进一步红移吸收，用更强的吸电子基团吲哚(In)取代Py，构建DTPIn。通过紫外可见光谱和荧光光谱研究了TT-Py、DTP-Py和DTP-In的光学性质。分子在DMSO溶液中的吸收峰分别位于487,528和620 nm处。从TT-Py到DTP-In的D-A相互作用强度的增加是吸收峰红移的原因。特别是，DTP-In在长波长处也表现出较高的摩尔吸收系数，例如，在660 nm处，η = 5.98 × 104 L mol−1 cm−1。然后，测量具有不同甲苯组分的DMSO/甲苯混合物中的三种分子的PL光谱，以验证其AIE特征。每种化合物在DMSO中溶解时都表现出低发射，相应的量子产率(QYs)分别为0.5%、1.5%和0.5%。随着劣质溶剂甲苯的加入，荧光强度逐渐增加，当甲苯含量达到99%时，荧光强度急剧增加，分别达到17.7-、9.4-和8.3倍。同时，在fT = 99%时，确定了三种分子的QYs分别为4.3%、6.8%和2.4%。毫无疑问，这三种化合物都表现出典型的AIE特征。如图所示，水溶液(DMSO/H2O混合物，fw = 99%)的归一化PL光谱显示，三种AIE ps的最大发射峰分别为695、735和970 nm，呈现红移趋势。特别是，DTP-In的尾部发射延伸到NIR-II区域。
AIE PSs ROS生成
在白光照明(400-800 nm, 3 mW cm - 2)下，用2 '，7 ' -二氯二氢荧光素(DCFH)评估总ROS生成。DCF (DCFH的氧化产物)的PL光谱每5s记录一次。值得注意的是，当TT-Py、DTP-Py和DTP-In纳米聚集体存在时，其525 nm处的PL强度显著增加，分别比原始信号增加了83.6倍、120.4倍和162.5倍。此外，它们产生活性氧的能力优于常用的PS-Rose Bengal (RB)。这些结果与ΔEST值越小对应ROS生成速率越高的假设很好地吻合。然后用9,10-蒽二基-双(亚甲基)-二丙二酸(ABDA)评价3种AIE ps产生1O2的能力。如图所示，由于ps在辐照下产生1O2, ABDA逐渐分解。白光作用90 s后，TT-Py、DTP-Py和DTP-In纳米混悬液中ABDA的分解率分别为25.6%、42.7%和36.2%。同时，计算出TT-Py、DTP-Py和DTP-In的1O2量子产率分别为80.9%、95.4%和77.9%。显然，TT-Py和DTP-Py比DTP-In产生单线态氧的能力更强。因此，DTP-In可能会产生更多的I型ROS。用二氢脱氧胺123 (DHR 123)和羟基苯基荧光素(HPF)分别检测羟基自由基(OH•)和超氧自由基(O2•−)。在DTP-In纳米混悬液中，两个指标的PL强度的增加明显大于TT-Py和DTP-Py，说明产生了更多的自由基种。
体外的光动力疗法
采用标准的甲基噻唑四氮唑(MTT)试验，探讨了3种AIE ps的光毒性和暗毒性。尽管3种AIE ps的浓度增加到10×10−6 m，但细胞存活率均高于90%，暗毒性可以忽略不计。660 nm光照射20 min后，10×10−6 m TT-Py、DTP-Py和DTP-In的4T1细胞存活率分别降至80.9%、71.2%和14.89%。然而，当DTP-In NPs处理4T1细胞时，光毒性显著降低。相应的，当DTP-In NPs浓度为10×10−6 m时，4T1细胞的存活率约为58.1%。为了证明带正电的纳米聚集体可以通过增加细胞摄取和线粒体靶向来增强PDT的有效性，我们用DCFH-DA评估了细胞内ROS的产生。先将4T1细胞与DTP-In聚集体或纳米颗粒孵育30 min，然后加入DCFH-DA孵育30 min。共聚焦640 nm激光照射1 min后，发现DTP-In聚集体孵育的细胞表现出强烈的绿色荧光信号，表明产生了足够的ROS。相比之下，DTP-In nps处理组仅显示微弱的荧光信号，ROS世代轻微。此外，还进行了活/死细胞共染色试验，以评估DTP-In聚集体和NPs的巨大PDT能力。亮绿色荧光信号表明钙绿- am /碘化丙啶(PI)联合作用后细胞存活状态良好，而红色荧光信号表明具有良好的抗癌作用。在660 nm光下暴露10分钟后，DTPIn聚集体处理组显示出更丰富的红色荧光信号，表明良好的PDT结果。因此，AIEgens的阳离子性质有助于通过更高的细胞摄取和线粒体的特异性靶向来改善治疗效果，这对于最大化光疗疗效至关重要。
肿瘤影像与治疗
通过在4T1荷瘤小鼠瘤内注射DTP-In聚集体和DTP-In NPs进行NIR-II FL肿瘤成像。如图所示，在660 nm激光照射下，注射后0.5 h肿瘤区域可见NIR-II荧光信号。随着时间的推移，DTP-In聚集体和NPs的NIR-II荧光信号在2 h时达到最大值，12 h后逐渐减弱，聚集体的NIR-II荧光信号明显强于纳米颗粒。这主要是由于它们带正电的特性，可以增强肿瘤区域的细胞摄取。随后，用4T1荷瘤小鼠对PDT的体内治疗效果进行了评价。将小鼠分为5组:对照组在660 nm激光照射下注射PBS;对照组注射DTP-In聚集体或NPs (0.1 × 10−3 m, 50 μL)，不光照;两个实验组分别在660 nm激光照射下注射DTP-In纳米聚集体或NPs (0.1 × 10−3 m, 50 μL)。注射2 h后，对照组和实验组小鼠肿瘤部位以660 nm (100 mW cm−2)照射5 min，治疗后每2天测量肿瘤大小。14 d后，仅用“PBS + L”处理的肿瘤体积增大，而用“DTPIn NPs + L”处理的小鼠对肿瘤生长的抑制作用最小。这表明细胞对带负电荷的NPs的低摄取可能导致有限的治疗效果。值得注意的是，DTPIn聚集物治疗组取得了显著的治疗结果，在PDT下显著抑制了肿瘤生长。同时，在没有激光照射的情况下注入DTP-In聚集体或NPs，表明PS在没有光照射的情况下是无效的。此外，所有研究组的体重都有轻微减轻，这表明AIEgens的负面影响很小。我们还研究了DTP-In聚集体和NPs的血液循环半衰期分别为≈1.5和4小时。
总结
我们的研究提出了一种新的分子设计策略，将AIE特性、NIR-II发射、线粒体靶向和有效的ROS生成整合到一个分子中，用于有效的癌症治疗。通过引入强富电子的DTP基团和强吸电子的In基团增强D-A强度，DTP-In在620 nm处表现出红移的吸收峰和970 nm处的发射峰，从而实现PDT在治疗窗口和NIR-II窗口的监测。同时，D-A强度的增强使得ΔEST值变小，使得白光照射下DTP-In的ROS生成率高(比TT-Py高1.9倍，比RB高6.8倍)。通过660 nm光，DTP-In的ROS生成率进一步提高了2.3倍。固有带电的DTP-In可以在水溶液中自组装成带正电的纳米聚集体，在靶向线粒体方面优于DSPE-PEG封装的NPs。在体外PDT实验中，DTP-In聚集体表现出优异的光毒性和可忽略的暗毒性。利用DTP-In聚集体治疗4T1荷瘤小鼠，在660 nm激光照射下，NIR-II FLI引导治疗成功抑制肿瘤生长和转移。DTP-In直观的设计原理可以为新型PSs的合理设计提供建设性的指导，从而加速基于AIE PSs的肿瘤诊断和治疗系统的发展。
参考文献
Donor–Acceptor Modulating of Ionic AIE Photosensitizers for Enhanced ROS Generation and NIR-II Emission Xueqin Yang, Xinyuan Wang, Xun Zhang, Jianyu Zhang, Jacky W. Y. Lam, Haitao Sun, Jinglei Yang,* Yongye Liang,* and Ben Zhong Tang*，Adv. Mater. 2024, 36, 2402182，DOI: 10.1002/adma.202402182
