内容提要
本研究设计并合成了一种七氮杂吩氰烯染料CyN-OMe，通过引入氮杂吩基团精确调控分子内部的电子分布和分子间的相互作用，从而促进了CyN-OMe在盐水溶液中迅速形成电荷转移介导的J-聚集体。该聚集体的最大吸收波长红移至1035 nm，相较于单体吸收波长，实现了160 nm的显著红移。我们系统地研究了CyN-OMe J-聚集体的形成机制，并评估了其在不同条件下的稳定性。CyN-OMe J-聚集体在1064 nm激光照射下展现了63.7%的高光热转化效率，并成功在小鼠模型中实现了肿瘤的完全消融。
分子设计与光物理性质
为了构建具有超大红移的Cy7基J-聚集体，以实现高效的NIR-II光热治疗（PTT），我们需要显著增强荧光分子的分子内部电子分布和分子间的相互作用，来提高光热转化效率（PCE）。传统的策略，主要侧重于聚美烯结构的修饰，无法满足这一要求。因此，在本研究中，我们设计并合成了一种新的Cy7衍生物——CyN-OMe，采用了通过Knoevenagel缩合反应引入甲氧基羰基功能化的氮杂吩基团。为对比，我们还合成了Cy-OMe和IR786。我们首先分析了它们的紫外-可见（UV-Vis）吸收光谱。比较分析显示，IR786、Cy-OMe和CyN-OMe的光谱行为各不相同。在有机溶剂如二甲基亚砜（DMSO）和二氯甲烷（DCM）中，Cy-OMe的λmax位于约796 nm，接近其母体IR786（约786 nm）的吸收波长。相比之下，CyN-OMe的λmax出现了显著的红移，约为878 nm。这种显著的红移归因于氮杂吩基团的战略性引入，这些基团有效地延长了π共轭体系，导致最高占据分子轨道（HOMO）与最低未占据分子轨道（LUMO）之间的能隙显著减小，符合我们之前的研究结果。在去离子水（DI水）和磷酸盐缓冲液（PBS，pH = 7.4）中，IR786表现出单一的吸收峰，而Cy-OMe则表现出双重吸收峰，表明甲氧基羰基基团促进了染料的堆积。相比之下，CyN-OMe在DI水（500 ∼ 900 nm）和PBS（600 ∼ 1200 nm）中展现了宽广的吸收带。CyN-OMe在PBS中的λmax位于1035 nm，较其在DMSO中的单体形式λmax , 实现了160 nm的显著红移。这一显著红移及其特有的光谱宽化，强烈表明了CyN-OMe形成了电荷转移（CT）介导的J-聚集体。单体到聚集体的光谱演变进一步验证了我们通过控制超分子组装实现NIR-II吸收的分子设计策略的成功。荧光测量揭示了分子在激发态的不同表现。CyN-OMe在所有测试介质中表现出完全的荧光淬灭，而IR786和Cy-OMe则表现出溶剂敏感的荧光发射。值得注意的是，尽管Cy-OMe在二氯甲烷（DCM）中的荧光寿命与IR786相似，Cy-OMe的量子产率（ΦF）相较于IR786减少了190倍（ΦF = 0.1% vs. ΦF = 19%），这表明甲氧基羰基基团在荧光淬灭中的作用。
CyN-OMe J-聚集体的制备与性质
本研究探讨了CyN-OMe的J-聚集体特性及其形成机制。与传统的J-聚集体体系不同，后者通常需要稳定模板或较高的浓度，CyN-OMe在PBS中可在室温下自发形成J-聚集体。通过改变PBS中盐的组成，λmax的变化表明无机盐浓度对分子聚集的主导作用。利用氯化钠作为添加盐，进行详细的动力学研究，确定了两个关键的浓度阈值：激活阈值为>1 mM NaCl，饱和阈值为>150 mM NaCl。我们根据Hofmeister系列研究了CyN-OMe在含有不同阳离子和阴离子的水溶液中的吸收光谱。与小阴离子（如氟离子）相比，较大的阴离子（如碘离子）显著降低了吸光度，这表明较大的阴离子在空间上阻碍了关键的π轨道堆叠。相反，阳离子对吸光度几乎没有影响，表明CyN-OMe的聚集主要由电荷屏蔽效应主导，而非特定离子配对。在无机盐溶液中，带电物种围绕染料的正电荷部分重新分布。随着盐浓度的升高，形成的离子氛诱导了Debye屏蔽效应，这有效地中和了溶质的表面电荷。Debye屏蔽范围由Debye长度定义，决定了表面电荷的空间影响。高离子强度下短的Debye长度增强了电荷屏蔽效应，显著降低了体系的zeta电位。通过透射电子显微镜（TEM）分析，观察到CyN-OMe在PBS中主要自组装成具有良好定义的球形纳米颗粒，平均直径约为65 nm。这些球形纳米结构表现出强烈的Tyndall散射，确认了它们在水相中的优异胶体稳定性。与许多氰烯染料需要较高分子浓度才能形成J-聚集体不同，CyN-OMe在PBS中以低至100 nM的浓度即可稳定地形成J-聚集体。这一低临界聚集浓度反映出CyN-OMe分子之间异常强的激子耦合。温度依赖性研究进一步提供了有关CyN-OMe J-聚集体热力学稳定性的见解。通常，低温会减少分子的不规则运动，从而促进J-聚集体的形成。通过在不同温度下评估CyN-OMe在PBS中的吸收光谱，我们发现随着温度升高，J-聚集体发生部分解离并重新聚集。超过60°C时，吸收光谱中出现多个吸收峰，表明有序聚集体结构的热破坏。十二烷基硫酸钠（SDS）是一种常用的阴离子表面活性剂，已知能在低浓度下诱导染料聚集体的解离。我们的实验显示，SDS显著改变了CyN-OMe分子间的相互作用，表现为吸收峰的红移和强度减弱。当SDS浓度超过1 mM时，CyN-OMe单体的吸收峰开始出现。然而，即使在较高的SDS浓度下（约7 mM），红移的吸收光谱仍然显著，表明即使在较高浓度的SDS下，CyN-OMe聚集体的红移吸收特性依然突出。
体外PCE评估
我们全面评估了IR786、Cy-OMe、CyN-OMe及CyN-OMe J-聚集体的光热转化能力。具体而言，IR786和Cy-OMe在PBS中分别在760 nm激光照射下进行评估，而CyN-OMe则分别在860 nm和1064 nm激光照射下进行测试。由于吸收的显著红移，CyN-OMe J-聚集体在1064 nm处展现出较高的摩尔消光系数（4.83 × 104 M−1 cm−1），这表明该体系适用于NIR-II窗口的PTT。在0.5 W cm−2功率密度下激光照射后，CyN-OMe J-聚集体在PBS中引起了系统温度的迅速升高，从23°C升高到71.3°C，显著高于CyN-OMe在DI水中的59.6°C温度。PBS中的Cy-OMe和IR786在相同条件下的最高温度分别为49.1°C和39.4°C。CyN-OMe在PBS中的温度升高表明，其光热转化效率显著高于Cy-OMe和IR786。光稳定性评估表明，CyN-OMe J-聚集体在PBS中表现出优异的稳定性，能够在四个加热-冷却周期中保持结构完整性，而对照组的水溶液在一个热循环后即失去加热能力。与其他对照组相比，CyN-OMe在连续辐照下表现出极强的抗光漂白能力，证明了J-聚集体在抑制Cy7内在光漂白方面的保护作用。
CyN-OMe J-聚集体的体外细胞毒性评估
为了研究CyN-OMe J聚集体的体外和体内NIR-II光热治疗（PTT）效果，采用自组装方法形成了CyN-OMe负载的脂质体系统（Lipo@CyN-OMe）。Lipo@CyN-OMe的包封效率为50%。该脂质体不仅保留了CyN-OMe的J聚集体结构，还增强了CyN-OMe纳米颗粒的均匀性和肿瘤靶向能力。透射电子显微镜（TEM）成像证实，Lipo@CyN-OMe具有明确的球形形态，平均直径为160 ± 5 nm。动态光散射测量显示，Lipo@CyN-OMe的水合直径为192.7 ± 1.3 nm，聚分散指数为0.196 ± 0.012，ζ电位为−21.76 ± 0.45 mV，确认了脂质体在分散介质中的均匀分散性和结构稳定性。此外，该制剂在4°C下保持了14天的显著稳定性，没有检测到聚集现象。与未包封的CyN-OMe J聚集体相比，Lipo@CyN-OMe不仅保留了特征性的J聚集体吸收（λmax = 1030 nm），还显示出大约三倍的摩尔吸光系数增加，并且吸收带的半峰宽显著减小。为了克服Lipo@CyN-OMe缺乏荧光成像能力的问题，我们引入了Cy3作为追踪荧光探针，用于监测脂质体颗粒被肿瘤细胞摄取的情况。Cy3的加入并未干扰CyN-OMe在脂质体结构中形成J聚集体。Cy3结合的Lipo@CyN-OMe在细胞中培养50分钟后，荧光强度达到了饱和水平，这一时间作为所有细胞实验中的参考时间。随后，采用经典的MTT法评估了Lipo@CyN-OMe在4T1和MCF-7细胞中的生物相容性和光毒性。在未照射的条件下，Lipo@CyN-OMe的细胞存活率在0到10 μM的浓度范围内均超过80%。然而，在1064 nm激光照射下（0.5 W·cm−2），Lipo@CyN-OMe的高光热转换效率（PCE）导致细胞存活率呈浓度依赖性显著下降。只有在细胞与Lipo@CyN-OMe共同培养并随后用1064 nm激光照射后，才观察到强烈的红色荧光，确认了有效的细胞破坏。此外，通过AV-FITC/PI染色法进一步研究了Lipo@CyN-OMe介导的癌细胞光热治疗（PTT）。结果显示，4T1细胞在与Lipo@CyN-OMe共同培养2小时后，经过1064 nm光照射处理，出现了明显的早期凋亡特征，并且在6小时后可见显著的晚期凋亡或坏死。这些发现表明，脂质体包封不仅保持了CyN-OMe J聚集体的光热效能，而且可能增强其光热效应，从而通过顺序的凋亡途径实现高效的NIR-II光介导的肿瘤细胞消融。
体内抗肿瘤疗效
首先，我们评估了Lipo@CyN-OMe在水溶液中的光声性能。如图所示，光声信号强度与Lipo@CyN-OMe浓度呈线性关系，表明其适用于体内的光声成像（PAI）。在将Lipo@CyN-OMe通过静脉注射给药到肿瘤负载的小鼠后，连续的光声成像显示Lipo@CyN-OMe在肿瘤区域的时间依赖性积聚，注射后6小时达到最大信号强度。这种高效的肿瘤靶向作用归因于脂质体的特异性修饰，以及CyN-OMe脂质体的增强渗透性和滞留效应。接下来，我们评估了Lipo@CyN-OMe在肿瘤负载小鼠模型中的光热治疗（PTT）效果。体内光热成像显示，PBS + 1064 nm激光组的温度仅略微升高（ΔT ≈ 7°C）。相比之下，Lipo@CyN-OMe + 1064 nm激光组的肿瘤区域温度迅速上升（ΔT ≈ 21°C），显示出Lipo@CyN-OMe在体内的高效光热转化效果。我们使用小鼠模型评估了Lipo@CyN-OMe的体内抗肿瘤效果。当肿瘤体积达到约100 mm³时，小鼠随机分为四组（n = 5），分别接受以下治疗：（i）PBS，（ii）PBS + 1064 nm激光，（iii）Lipo@CyN-OMe，和（iv）Lipo@CyN-OMe + 1064 nm激光。单次剂量注射后，注射6小时后进行1064 nm激光照射（1 W cm⁻²，照射10分钟）。通过监测相对肿瘤体积和体重的变化，每两天一次，评估各组的治疗效果。结果显示，治疗期间任何组都没有出现明显的体重减轻。然而，在PBS、PBS + 1064 nm激光和Lipo@CyN-OMe组中，肿瘤生长迅速且失控，而Lipo@CyN-OMe + 1064 nm激光组的肿瘤生长完全被抑制。此外，在后续的监测过程中未发现肿瘤复发，进一步证明了Lipo@CyN-OMe在体内的高效光热治疗（PTT）效果。
结论
我们通过合理地将甲氧基羰基取代的氮杂吩基团引入Cy7骨架，开发了一个CyN-OMe的J-聚集体框架，从而实现了吸收光谱的超大红移，达到了NIR-II窗口。实验研究和理论计算表明，氮杂吩结构能够有效延长Cy7体系的π共轭体系，显著降低美烯链区域的电势差（ESP），并通过吩噻唑氮原子促进强的分子间氢键作用。这些因素的协同效应赋予了CyN-OMe异常的聚集倾向，使其能够在低浓度的盐水溶液中自发形成电荷转移（CT）介导的J-聚集体。由此形成的J-聚集体表现出显著的红移吸收，其最大吸收波长λmax达到1035 nm，处于NIR-II生物窗口，相较于单体形式的吸收，红移达160 nm，同时保持了卓越的光稳定性和生物稳定性。重要的是，甲氧基羰基-氮杂吩结构增强了分子内的振动弛豫，使得CyN-OMe J-聚集体在1064 nm激发下实现了创纪录的63.7%光热转化效率（PCE），从而表现出卓越的光热治疗（PTT）性能。
参考文献
Charge Transfer-Mediated J-Aggregates of Azaindole Cyanine with 160 nm Absorption Redshift for Efficient NIR-II Photothermal Tumor Therapy. TiancongShi,XiChen,XiaolongLi,XinLi,YangZhao,HongyiZhang,FupingHan,LihanCai, XiaoZhou,YanSu,WenSun, JianjunDu,*JiangliFan,*andXiaojunPeng， ACS nano, 2025, 19, 27845-27859， https://doi.org/10.1021/acsnano.5c09082
