内容提要
近红外二区(NIR-II)放射光疗由于其对组织的深度穿透、高成像分辨率和出色的肿瘤根除性，在疾病诊断和成像引导光疗方面显示出巨大的潜力。近年来，分子共轭工程和j聚集技术被应用于有机NIR-II材料的构建。本文报道了一种使用短共轭供体-受体(D-A)分子(TTP)的NIR-II发射穿越空间电荷转移(TSCT)纳米颗粒(NP)，用于高性能生物成像和癌症光疗。由于TTP分子共轭程度低，TTP单体具有可见光吸收和近红外一区(NIR-I)发射。在水中形成NPs后，TTP单体之间的高效TSCT导致NIR-I区显著的红移吸收和NIR-II区发射，其尾部延伸至1400 nm。TTP NPs成功应用于NIR-II体内血管生物成像和肿瘤光疗。这项工作介绍了一种基于短共轭D-A分子构建NIR-II发射NPs的简便策略，用于高性能生物医学应用。
结果与讨论
分子和聚集体的光谱特性
TTP分子被设计为具有更强的受体2-((2,3-二甲基噻吩[3,4-b]吡嗪-5基)亚甲基)丙二腈，以实现更长的波长。TTP单体在683 nm处有可见光吸收峰，在802 nm处有NIR-I发射峰。尽管噻吩具有很强的施、受体特性，但其可见光吸收主要是由于小分子的短共轭性。在NPs的809 nm处出现新的吸收峰，实现了NIR-I光激活光疗。NPs的发射也红移到NIR-II区域，峰值在940 nm，尾部延伸到1400 nm，证实了D-A配置的TTP分子之间有效的TSCT效应。我们还测量了TTP分子和NPs在各种有机溶剂中的吸收光谱。根据溶剂的极性，分子吸收有轻微的变化。当NPs分散在水中时，吸收光谱被拓宽并扩展到750 ~ 900 nm的区域。由于这种电荷转移是通过单体之间的空间发生的，因此分子堆积影响聚集体内电荷转移的程度是合理的。
TTP NPs的光物理性质
受益于分子间电荷转移，TTP NPs在NIR-I区表现出一个新出现的峰值，与可见区相比，可以通过808 nm激光激活，用于生物应用，增强组织穿透性，减少光子损伤。此外，TTP NPs表现出NIR-II荧光信号，这使得潜在的NIR-II FLI和成像引导光疗成为可能。在使用IR1061作为校准标准的808 nm激光照射下，TTP np的PLQY确定为0.21%。此外，我们以美国食品和药物管理局批准的ICG作为对照化合物，研究了TTP NPs的荧光稳定性。808 nm激光连续照射10 min后，TTP NPs的荧光强度仅轻微下降5%。相比之下，ICG表现出明显的衰减，在照射后4分钟内减少高达90%。研究了TTP NPs的光疗效果。首先对TTP材料的ROS生成类型进行了表征。与空白组和ICG组相比，TTP分子中1,3 diphenylisobenzofuran探针在415 nm处的吸收降解严重，表明TTP具有良好的单线态产氧能力。然后用DHR123和羟基荧光素(HPF)分别检测超氧自由基和羟基自由基。808 nm激光处理的TTP NPs组中，DHR 123荧光信号增强，而仅DHR 123组荧光信号很弱，说明TTP NPs的超氧自由基生成能力。白和TTP NPs组在808 nm照射下，HPF探针的荧光增强可以忽略不计，这表明几乎没有羟基自由基的产生。随后，使用2 '，7 ' -二氯二氢荧光素(DCFH)评估TTP NPs产生ROS的能力。808 nm激光激发后，TTP NPs组ROS氧化产物2’，7’-二氯荧光素(DCF)的发射信号显著增加。相比之下，在纯DCFH和ICG组中观察到微弱的信号，表明TTP NPs具有良好的ROS生成能力。总结数据如图所示，TTP NPs的ROS产量是ICG的18倍，突出了其在PDT方面的良好潜力。此外，在NIR-I光照射5分钟后，TTP NPs表现出有效的产热，导致60 μg mL-1 NPs分散体温度升高30°C，最终温度达到51.9°C。我们通过反复加热和冷却五次循环来研究TTP NPs的光热稳定性。在808 nm激光的5个激励周期后，TTP NPs的温度保持不变，而ICG的温度明显下降。
细胞ROS检测及光疗效果
采用2 '，7 ' -二氯二氢荧光素双醋酸酯探针评估A549和MCF-7细胞中TTP NPs产生ROS的能力，同时对细胞进行Hoechst 33342染色以观察细胞核。在磷酸盐缓冲盐水(PBS)、PBS + Laser和TTP NPs组中，没有发现明显的ROS氧化DCF的绿色信号，表明它们不能产生ROS。相反，在TTP NPs + Laser组中，在与细胞核重叠的长时间激光照射下，观察到绿色荧光强度明显增加，表明TTP NPs在细胞内的有效摄取和PDT有效的ROS生成。因此，研究了TTP NPs对同一细胞系的细胞毒性作用。使用活细胞/死细胞染色，绿色钙黄素- am染色活细胞细胞质，红色乙二聚体-1染色死细胞核;在PBS、PBS + Laser和TTP NPs组中，A549和MCF-7细胞均显示绿色信号，表明在这些条件下没有癌细胞杀伤作用。相比之下，在TTP NPs +激光组中观察到强烈的红色发射，证实了在NIR-I光激活下TTP NPs具有强大的癌细胞杀伤功效。此外，细胞计数试剂盒-8 (CCK8)检测证实了这种抗癌性能。A549和MCF-7细胞在808 nm激光激发后，60 μg mL−1 TTP NPs分散剂组的细胞活力显著下降至约16%和21%。然而，当仅暴露于TTP NPs而不进行激光激活时，A549和MCF-7癌细胞均保持良好的生存能力，超过85%。
为了评估TTP NPs的成像能力，使用InGaAs探测器进行全身血管成像，以捕获NPs的NIR-II发射。如图所示，注射TTP NPs可以使小鼠血管可视化，与使用900 nm长通滤波器获得的图像相比，使用1300 nm长通(LP)滤波器获得的图像具有显着提高的对比度和减少的背景干扰。此外，血管的横截面强度分布图显示NIR-II发射强度。分析表明，使用波长较长的低电压滤波器会导致半最大值全宽度(FWHM)的减小。当使用900 nm NIR-I低电压滤波器时，FWHM从0.31 mm降低到使用1300 nm NIR-II低电压滤波器时的0.26 mm。这一发现证实了通过NIR-II生物成像技术在生物成像中获得的增强分辨率。此外，在荷瘤小鼠体内采用NIR-II成像，通过确定最佳治疗传导时间点来优化光疗治疗。在注射TTP NPs后的不同时间点收集小鼠的NIR-II图像。荧光信号随时间逐渐增加，在24 h达到最大强度，这被认为是进行光疗的最佳时间点。此外，我们还获得了主要器官和肿瘤的离体NIRII图像，以研究TTP NPs的分布。如图所示，TTP NPs主要积聚在肝脏和肿瘤区域，表明其具有靶向肿瘤治疗的潜力。然而，NPs的积累性能还不够高，未来可以采用加入活性靶向配体、优化尺寸和表面电荷等策略来提高NPs的积累效率。
体内抗肿瘤疗效
TTP NPs具有良好的体外抗癌效果，促使我们进一步研究其体内抗肿瘤潜力。以抗肿瘤光疗为目的，对MCF-7荷瘤小鼠静脉注射TTP NPs, 24 h后进行808 nm激光照射，监测由此产生的光致热。PBS + Laser组仅表现出边际温度升高，而TTP NPs + Laser组随着照射时间的延长肿瘤部位温度逐渐升高，在激光激发5min后达到53℃，达到有效的抗肿瘤治疗效果。为了评估治疗效果，在治疗期间每三天测量肿瘤体积。在单独使用PBS、PBS +激光或单独使用TTP NPs的组中，肿瘤表现出相似的生长速度，但没有任何明显的抗肿瘤作用。与这些组相比，多柔比星(DOX)组的肿瘤生长速度较慢，表明有一定程度的肿瘤抑制作用。值得注意的是，在TTP NPs + Laser组中观察到显著的抗肿瘤表现，肿瘤在第三天完全根除，此后没有复发。这一结果也可以通过从小鼠身上捕获的治疗后图像直观地证实。
总结
我们开发了一种由短共轭D-A分子(TTP)构建的NIR-II发射TSCT NP，用于高性能癌症光疗。得益于高效的TSCT效应，TTP单体在形成NPs后，其可见光吸收和NIR-I发射分别显著红移至NIRI和NIR-II范围。利用延伸至1400 nm的发射尾，TTP NPs成功用于NIR-II血管成像。此外，TTP NPs在NIR-I光激发下可以有效地产生ROS和热量，用于成像引导光疗。本研究提出了一种通过构建TSCT NPs来实现高性能NIR-II癌症光疗的简便策略。
参考文献
Construction of Through-Space Charge-Transfer Nanoparticles for Facilely Realizing High-Performance NIR-II Cancer Phototheranostics Ka-Wai Lee, Yijian Gao, Shu-Hua Chou, Yingpeng Wan,* Allen Chu-Hsiang Hsu, Ji-Hua Tan, Yuqing Li, Zhiqiang Guan, Huan Chen, Shengliang Li,* Ken-Tsung Wong,* and Chun-Sing Lee*，Adv. Funct. Mater. 2024, 2407317,DOI: 10.1002/adfm.202407317
