内容提要
在光热治疗(PTT)中，开发具有良好的近红外(NIR-II)反应的小分子光热剂(PTAs)已成为人们关注的焦点。然而，由于缺乏合适的分子结构，将超长激发波长和高光热转换效率(pce)集中到单个有机小分子中仍然具有挑战性。本文在ICG结构的基础上，通过增加双端吲哚盐的共轭结构和刚性甲基单元的数量，并在吲哚盐中加入更长的烷基侧链，合成了6个多甲基菁分子。最终，我们获得了吸收波长大于1200 nm的IC-1224，在NIR-II窗口具有高达83.2%的高PCE，并具有优异的PTT肿瘤消融性能。这提供了一个高性能的NIR-II响应PTA，并为PTT在生物医学领域的应用提供了进一步的可能性。
结果与讨论
分子设计与光学特性表征
在这里，我们使用Knoevenagel反应将吲哚盐和聚甲基结合，生产出六种具有大共轭结构的聚甲基菁(IC-790, IC-830, IC-1030, IC-1060, IC-1080和IC-1224，。化合物的详细合成和表征可在补充材料中找到。我们研究了分子的光学性质，并测试了它们在二氯甲烷中的紫外和荧光性质。紫外吸收光谱结果表明，增加分子的共轭结构会导致其吸收波长的红移。由于IC-790中加入了苯，IC-1030的共轭结构扩大，吸收波长红移明显(240 nm)，而IC-830的吸收波长红移较小(20 nm)。在吲哚盐的吡咯中加入共轭比在吲哚盐的苯中加入共轭能更有效地减小分子能隙和红移吸收波长。与IC-1060相比，IC-1224的吸收波长发生了显著的红移(164 nm)，表明在聚甲基中加入共轭物可以有效地减小分子能隙，引起吸收波长的红移。这些发现表明，在适当的点增强分子的共轭结构可以有效地降低分子的能隙，使其吸收波长发生明显的红移。
IC-1224-NPs的制备及光热性能研究
为了实现进一步的生物应用，我们使用纳米沉淀法在DSPE-PEG-2000 (IC-1224- nps)的帮助下制备了包裹在IC-1224中的水溶性纳米颗粒。在这些纳米颗粒中，两亲性的DSPE-PEG-2000分子在表面形成亲水PEG链的外壳，而IC-1224分子由于疏水相互作用而聚集在核心内的疏水空腔中。生成的IC-1224-NPs透明，在水溶液中分布均匀。我们使用动态光散射(DLS)和透射电子显微镜(TEM)来评估纳米颗粒的大小和形状。TEM图像显示IC-1224-NPs为球形形态，平均直径为90-110 nm，而DLS显示IC-1224-NPs的水动力直径约为200 nm，由于增强的渗透性和滞留性(EPR)效应，IC-1224-NPs应该能够在肿瘤部位积聚。此外，在TEM测量中观察到的较小尺寸可能是由于干燥TEM样品中的水化层的收缩。当我们检测IC-1224-NPs的紫外吸收和荧光时，IC-1224-NPs表现出两种吸收，在900-1300 nm范围内强吸收，在1000 nm至1400 nm范围内弱荧光发射。与IC-1224相比，纳米颗粒的紫外吸收峰发生了一定程度的蓝移，这可能是由于纳米颗粒的平面结构，导致纳米颗粒在制备过程中分子发生H聚集。分子的H聚集体通常采用π轨道强重叠的面对面堆叠排列。这严重淬灭了通过分子间能量捕获激子相互作用的固有荧光，这可能会增加非辐射能量消耗产生的热量。
然而，当分子具有聚集诱导的发射增强效应时，可能导致分子内非辐射跃迁的减少。我们进一步研究了IC-1224是否具有大块聚集诱导的发射增强效应。我们研究了IC-1224在四氢呋喃(THF)和水的二元溶剂体系中的荧光光谱，以确定IC-1224是否是AIE分子。在四氢呋烷(THF)溶液中加入不同体积分数的水后，荧光强度随着水比例的增加而一致降低，这与AIE现象完全不一致。同时，以IR-26为参考，我们计算出IC-1224-NPs的量子产率(QY)分别为0.0005%。这个量子产率很低，表明分子被封装后的辐射跃迁仍然很弱。综上所述，IC-1224的非辐射衰变在聚集态下不受抑制，从而保证了高光热转换能力的可能性。
然后，我们用1064 nm激光照射IC-1224-NPs，研究其在水中的光热转换能力。我们对纳米颗粒浓度和激光功率的初步测试结果表明，30 μM纳米颗粒浓度和0.75 W cm-2激光功率的组合最有效。此外，光热效应与IC-1224-NPs浓度和激光功率之间的密切联系表明，热的产生可能被成功地控制。因此，我们使用功率为0.75 W cm-2的1064 nm激光器照射IC-1224-NPs (30 μM)溶液。在1分钟内，溶液温度急剧升高约24°C，证明了IC-1224-NPs的高效光热效应。在连续激光照射下，纳米颗粒也表现出优异的热稳定性，在加热和冷却五次循环后没有降解。此外，PCE是评价分子光热性能的重要参数。因此，在0.75 W cm-2的激光照射下，测定了纳米颗粒溶液的温度变化。当溶液通过激光照射加热到最高温度时，激光关闭。根据溶液的冷却阶段，得到冷却时间(t)与温度驱动(-lnθ)的负自然对数曲线。根据收集到的相关数据，最终确定IC-1224-NPs的光热转换效率为83.2%。IC-1224-NPs的PCE高于大多数先前报道的光热剂。为了研究IC-1224-NPs的光学稳定性，我们对IC-1224-NPs在各种活性氧和离子条件下的性能进行了测试。此外，我们还评估了其在溶液中不同时间间隔的光学稳定性。结果表明，IC-1224-NPs具有优异的光学稳定性。
体内光热疗法
接下来，我们研究了IC-1224-NPs对4T1癌细胞的细胞毒和光热杀伤作用。结果表明，IC-1224-NPs具有良好的生物相容性和光热杀伤能力。随后，我们通过给肿瘤动物注射IC-1224-NPs进行了体内光热实验。经尾静脉静脉注射IC-1224-NPs后，采集肿瘤部位的荧光图像，确定PTT的最佳时间点。注射后6小时，肿瘤部位荧光信号强度逐渐增强后趋于稳定。因此，IC-1224-NPs具有显著的EPR效应，可在肿瘤组织中高效蓄积。此外，荧光信号有助于指导PTT期间照射的时间和位置。荧光信号在注射24小时后明显减少，表明纳米颗粒可能在治疗后从体内移除。通过0.75 W cm-2的安全激光照射，我们研究了肿瘤杀伤的影响。在体内光热图像中，激光组(生理盐水+激光)的温度变化最小，这表明持续的1064 nm激光照射在0.75 W cm-2的强度下不会引起组织升温，满足体内光疗的基本标准。IC-1224-NPs在体内似乎具有积极的光热效应，与激光组相比，IC-1224-NPs组肿瘤温度迅速升高约25°C。治疗后，我们每3天测量肿瘤体积，连续15天评估各组PTT的效果。生理盐水组、IC-1224-NPs组和纯激光组均未能阻止肿瘤生长，平均肿瘤体积增加4~5倍。IC-1224-NPs+Laser组肿瘤得到抑制和消除，无复发。这些结果支持了体外光毒性研究结果，表明IC-1224-NPs在激光照射下表现出优越的PTT效应。
总结
综上所述，我们利用ICG作为基本分子骨架，通过巧妙地调节分子中多甲基的数量和两端吲哚盐的共轭结构来调制波长。我们还通过吲哚盐的长链抑制分子聚集，诱导分子内运动，从而产生光热效应。其中，IC-1224的吸收波长超过1200 nm，光热转换效率达到83.2%。此外，体内研究表明，IC-1224在NIR-II窗口具有优异的PTT肿瘤消融性能。这一被证实的策略为开发具有NIR II反应性的有机小分子PTAs提供了概念基础，并可能为PTT的进一步广泛临床应用提供潜在的可能性。
参考文献
A Cyanine with 83.2% Photothermal Conversion Efficiency and Absorption Wavelengths Over 1200 nm for Photothermal Therapy， Liang Zhao, Han Zhu, You-Yang Duo, Zhi-Gang Wang, Dai-Wen Pang, Shu-Lin Liu*，Adv. Healthcare Mater,https://doi.org/10.1002/adhm.202304421
