内容提要
尽管I型光动力疗法(PDT)在治疗缺氧肿瘤方面具有显著优势，但I型光敏剂的设计策略有限，以及聚集引起的猝灭(ACQ)仍然阻碍了其广泛应用。本文提出了一种简单的供体环化策略，将II型光敏剂YD-1转化为I型光敏剂YD-2，从而将主要的ROS生产从单线态氧(1O2)转变为超氧阴离子(O2•-)。与YD-1相比，YD-2具有更好的聚集诱导发射(AIE)性能。此外，通过将磁共振成像单元(Gd3+螯合DOTA)结合到dspe - mpeg2000 - nh2封装的gd -2表面来构建gd -2纳米颗粒(NPs)，该纳米颗粒提供了比单荧光(FL)成像方式更好的成像方式。体内研究表明，在近红外- ii (NIR-II) FL/MR双模成像的指导下，YD-2- Gd NPs成功实现了对肿瘤精确有效的PDT，且无明显毒副作用。
结果与讨论
合成及光物理性质
通过一系列经典化学反应精心合成了具有D-π-A-π-D支架的YD-1和YD-2化合物。在该支架中，苯并双噻二唑(BBTD)作为电子受体单元，3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)作为π桥。三苯胺和吖啶分别作为gd -1和gd -2的电子给体单元。测定了YD-1和YD-2在二氯甲烷(DCM)中的吸收和发射光谱。在795 nm和730 nm处分别观察到YD-1和YD-2的最大吸收。此外，YD-1和YD-2的最大发射点分别位于1105和1000 nm处，Stokes位移分别为310和270 nm。与YD-1相比，YD-2的最大吸收峰和最大发射峰都出现了明显的蓝移。这种转变可能是由于三苯胺的环化，有效地降低了整个D-π-A-π-D分子的共平面性。然后，以二甲基亚砜(DMSO)为好溶剂，水为坏溶剂，进一步研究了YD-1和YD-2的AIE特性。随着水分数(fw)从0到50%的增加，YD-1和YD-2的FL强度逐渐降低，而从50%到90%有显著的增加。此外，当fw增加到90%时，与纯DMSO相比，YD-1的荧光强度提高了~1.2倍，而YD-2的荧光强度提高了~2.5倍。这些结果表明，与YD-1相比，YD-2具有更好的AIE性能。这种改善可能是由于YD-2更扭曲的构象，这抑制了聚集过程中的分子间相互作用。我们评估了YD-1和YD-2的ROS生成能力。以2′，7′-二氯二氢荧光素(DCFH)为指标，考察了YD-1和YD-2在DMSO溶液中的总ROS生成能力。DCFH可被各种ROS氧化生成二氯荧光素(DCF， λm = 525 nm)，发出绿色荧光。由于合成的AIE光敏剂在近红外区有较强的吸收，采用808 nm激光作为PDT光源。从图可以看出，在gd -1和gd -2存在的情况下，激光照射(1 mW/cm2)下DCF的荧光强度显著增加，而单独DCFH在激光照射下没有明显变化。激光照射5min后，在gd -1和gd -2存在的情况下，DCF荧光强度分别提高了~76倍和~47倍，显示出良好的ROS生成能力。此外，YD-2的ROS生成能力低于YD-1，这可能是由于三苯胺的环化抑制了整个分子的ICT效应。为了进一步明确生成的ROS的类型，我们采用了三种自由基指标，即单线态氧传感器绿(SOSG)、二氢霍达明123 (DHR123)和羟基苯基荧光素(HPF)，分别检测1O2、O2•-和•OH。在808 nm激光(1 W/cm2, 5 min)照射SOSG和YD-1的混合物时，SOSG在533 nm处的荧光强度显著增加，而YD-2几乎没有变化。这些结果表明，YD-1主要产生1O2，而YD-2几乎不产生1O2。9,10-蒽二基-双(亚甲基)二丙二酸(ABDA)指示剂进一步证实了这一结果。令人惊讶的是，当gd -2和激光照射DHR123时，在530 nm处荧光强度急剧增加，而gd -1几乎没有明显的作用。这表明YD-2主要产生O2•-，而YD-1产生O2•-的能力很小。二氢乙锭(DHE)荧光指示剂进一步证实了这一结果。
YD-2-Gd NPs的制备与表征
我们选择了YD-2进行进一步的研究，因为与YD-1相比，它具有更好的I型PDT和NIR-II AIE性能。为了使YD-2具有MRI能力并增强生物相容性，我们使用DSPE-mPEG2000和DSPE-mPEG2000- nh2对YD-2进行包封，形成均匀的NPs。随后，通过胺和活性酯反应将DOTA-Gd(一种MRI造影剂)共价修饰到NPs表面，制备出YD-2-Gd NPs。动态光散射(DLS)测量和透射电子显微镜(TEM)成像结果显示，YD- 2-Gd NPs形成了均匀的球形纳米颗粒，直径约为~61 nm。这种纳米级颗粒有利于增强肿瘤部位的渗透和滞留(EPR)作用。如图所示。S21和S22, gd -2- gd NPs在超纯水、磷酸盐缓冲盐水(PBS)和10%胎牛血清(FBS) (90% PBS)中表现出优异的稳定性。与DCM溶液相比，gd -2- gd NPs的吸收光谱和荧光光谱在水中呈现蓝移趋势，最大峰分别位于705 nm和995 nm处。
体外抗癌功效研究
首先，我们研究了癌细胞对pd -2- gd NPs的摄取。4个T1细胞与gd -2 NPs孵育2小时后，细胞内NIR-II荧光达到最大。随着孵育时间的延长，细胞内相应的平均荧光强度逐渐降低。随后，通过CCK-8法评价pd -2- gd NPs对正常细胞的暗细胞毒性。在不同浓度的gd - NPs中培养L-02和16HBE细胞12小时后，两种细胞系的细胞存活率均保持在85%以上，表明gd - NPs具有良好的生物相容性。鉴于YD-2-Gd NPs具有优异的I型光动力性能，我们使用CCK-8实验进一步评估了它们在常氧和缺氧条件下对4 T1细胞的细胞毒性。如图所示，在黑暗条件下，YD-1-Gd NPs和YD-2-Gd NPs对4 T1细胞几乎没有毒性。经808 nm激光照射5 min后，pd -1- gd NPs的抗肿瘤能力高于常温条件下的pd -2- gd NPs。然而，在缺氧条件下，pd -1- gd NPs的抗肿瘤能力明显降低。相比之下，pd -2- gd NPs在常氧和缺氧条件下均表现出良好的抗肿瘤作用。这些结果表明，pd -2- gd NPs具有克服缺氧肿瘤微环境的能力。
体内NIR-II FL/MR成像引导PDT
鉴于pd -2- gd NPs出色的NIR-II FLI/MRI能力和PDT性能，我们进一步评估了它们在体内FL/MR成像指导下的肿瘤治疗潜力。我们测定了pd -2- gd NPs在血液中的半衰期为12小时，证实其在体内循环时间相对较长。随后，我们在体内水平评估了他们的NIR-II FL/MR成像能力。将pd -2- gd NPs静脉注射到4只T1荷瘤BALB/c小鼠体内后，肿瘤部位的荧光信号随时间逐渐增加，在注射后8 h达到峰值。同时，t1加权MR成像显示注射后8 h信号强度最高(，荧光信号与肿瘤部位MR强度具有较好的一致性。此外，我们还研究了注射后24小时pd -2- gd NPs的体外生物分布。结果显示，肿瘤、肝脏和脾脏的荧光强度较高，表明pd -2- gd NPs主要由肝胆系统代谢。随后，我们通过监测4只T1荷瘤小鼠的肿瘤生长情况，评估了pd -2- gd NPs的体内抗肿瘤活性。静脉注射PBS或pd -2- gd NPs 8 h后，用808 nm激光(1 W/cm2)照射5 min。如图所示，对照组、对照组+激光组和单独使用gd -2- gd NPs组的肿瘤体积在治疗期间迅速增大。相反，在808 nm激光照射下，gd -2 NPs在治疗后23天仍能有效抑制肿瘤生长，显示出显著的抗肿瘤效果。
总结
我们提出了一种简单的供体环化策略，将II型PSs转化为I型PSs。在光照射下，YD-1主要产生1O2，而供体环化的YD-2主要产生O2•-，在缺氧肿瘤微环境中很少依赖于O2浓度。此外，通过将一个MRI成像单元(DOTA与Gd3+螯合)修饰在DSPEmPEG2000-NH2封装的gd -2表面，我们解决了单荧光成像空间分辨率不足的问题。与商用造影剂(Gd-EOB-DTPA)相比，NPs表面高度聚集的Gd3+增强了t1加权图像的信号。体内治疗实验表明，在NIR-II FL/MR双模成像引导下，pd -2- gd NPs在小鼠肿瘤模型中实现了精确有效的I型PDT，且无明显毒副作用。本研究为提高低氧实体瘤的精准高效治疗提供了一种简单有效的策略，为NIR-II区多功能I型PSs的设计提供了有价值的指导。
参考文献
Harnessing donor cyclization strategy: Converting type II to type I photosensitizers and enhancing AIE performance for NIR-II FL/MR imaging-guided photodynamic therapy under hypoxia condition， Chonglu Li, Jie Li, Yida Pang, Longcan Mei, Wenhan Xu, Zhipeng Zhang*, Cuipin Han*, Yao Sun,Chem. Eng. J.498 (2024) 155471 ，https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.155471
