内容提要
超分子工程在功能材料的设计中特别有吸引力，而由非共价相互作用产生的聚集体提供了有趣的特征。构建J-aggregation平台仍然是一个重大挑战。我们报道了具有供体-受体-供体(D-A-D)结构的3,5-二噻吩基Aza-BODIPYs作为第一电荷转移(CT)耦合J聚集BODIPY型平台。一个分子中的核心受体部分与邻近分子中的供体单元相互作用，产生滑动堆叠的堆积基序，导致CT耦合的J聚集，其红移波长高达886 nm，吸收尾超过1100 nm。J聚集体表现出明显的光声信号和高达66%的光热转换效率。体内实验结果表明，J -聚集体具有用于肿瘤光热消融和光声成像的潜力。本研究不仅证明了Aza-BODIPY与D-A-D是一种新型的CT偶联的近红外光疗材料J聚集平台。
实验结果与讨论
分子设计
滑块堆叠在D-A-D架构中非常受欢迎。Aza-BODIPY核是一个理想的受体。3,5位的给体部分在形成CT耦合的J聚集体中起着至关重要的作用。环噻吩(D)与aza-BODIPY核之间的夹角小于六环给体。这个较小的角度有助于增加供体和受体之间的共轭和相互作用，这有利于形成CT偶联的J聚集体。利用噻吩的独特性质，我们开发了一系列3,5-二噻吩基(D1) -aza-BODIPY (a) -D2结构。这些化合物装载不同的电子给体基团，以实现一般的CT耦合J聚集。
光谱性质研究
我们首先研究了二氯甲烷的光谱性质。BDP1-5具有较大的摩尔消光系数，最大波长覆盖717-786 nm区域，通过取代基在1,7位置的阳离子。强给电子基团N,N-二烷基导致最大吸收峰分裂成两个平行峰。这种分裂可以归因于局部激发(LE)和电荷转移(CT)过渡态的存在。BDP1-5的最大吸收率在2%以内变化不大，而对照吲哚菁绿(ICG)在照射30 min后显显著降低，表明它们具有良好的光漂白抗性。将染料先溶解在THF中，然后在搅拌下快速注入含有DSPE-PEG2000的水中，形成胶束纳米颗粒。紫外/可见光谱在聚合过程中表现出显著的变化。D-A-D支架BDP2 - 4具有较宽的吸收光谱(bdpp2的FWHM = 205 nm, BDP3的FWHM = 209 nm, BDP4的FWHM = 298 nm)，并且由于显著的不能HOMO-LUMO重叠，单体之间存在明显的供体-受体相互作用。能量低的电荷转移(CT)态与Frenkel态相互作用，导致电子态的混合。与单体相比，这种混合导致在更高和更低能量下形成光学允许态。在1,7位有弱供体的BDP1由于波函数重叠，表现出弱的H-type J和强的短程耦合。取代基极大地干扰了聚合类型。3,5位苯基偶氮- bodipy在j聚集之前表现出较小的吸收变化。在D-A-A结构的情况下，观察到较宽的吸收带，因为它易于自组装成扩展的一维卡堆叠排列，具有明显的库仑h -耦合。晶体填充可以为分子的聚集行为提供有价值的见解。通过对BDP1-2, 18a的x射线结构分析，它们通过抑制噻吩的旋转，具有B-F / H-C(噻吩)氢相互作用的刚性p体系。在BDP1的情况下，可以观察到两个平行分子之间的重叠不太明显，而与相邻分子的重叠程度相对较高。这种重叠的增加主要是由于给电子的噻吩单元与相邻分子的非平行母核之间以及不同分子的噻吩单元与母核之间产生的分子间相互作用。这种分子间的作用力反过来又促进了分子的有效聚集。在BDP2的情况下，可以观察到平行分子之间的分子间距被限制在3.73和3.44 Å，导致明显的分子间p-p相互作用当从自上而下的角度检查晶体堆积时，观察到分子中提供电子的噻吩单元和另一个平行电子核心的存在在这一过程中起着重要的作用。总的来说，晶体填充结构证实了利用D-A-D策略促进分子聚集和分子间相互作用的可行性。为了深入了解与聚集态相关的详细理化性质，研究了不同DMF/水比下BDP2的吸收光谱，发现水的加入导致BDP2的主吸收峰逐渐减小，并在831 nm处出现新的吸收峰。随后，随着温度从293 K增加到353 K，单体的吸收峰增加，最大吸收峰为739 nm，这一结果验证了自组装是可逆的。我们采用成核延伸模型对BDP2的聚集机制进行了研究通过分析VisNIR光谱数据并拟合所得曲线，我们确定了聚集分子的比例(aAgg)、温度(T)、摩尔焓(DHe)和延伸温度(Te)。我们的分析表明，摩尔焓变为−18.2 kJ mol-1，延伸温度为360 K。值得注意的是，较低的摩尔焓表明BDP2具有较高的聚集倾向，表明其易于聚集。用SEM对其聚集体进行了测试，发现形成了大量的纳米颗粒。
BDP2-NPs的光热性质
为了确保BDP2具有良好的水溶性和稳定性，我们对包封的纳米颗粒结构进行了比较表征。动态光散射(DLS)测量的BDP2-NPs的水动力尺寸约为160 nm，这有助于它们通过增强的渗透性和滞留效应在肿瘤部位积累，21在正常生理条件下，在4°C的冰箱中储存一周后，它们的水动力直径几乎没有变化。由于自由分子聚集在纳米颗粒中，BDP2-NPs不表现出荧光发射，这一特性有助于提高其光热转换能力，使其在光声/光热成像和光热治疗中具有前景。基于BDP2-NPs在水中表现出可忽略的荧光发射，推断激发能可以通过非辐射衰变过程释放。因此，我们研究了BDP2-NPs在光热水介质中是否是一种有效的试剂。在激光照射下，我们监测了不同浓度BDP2-NPs的温度变化。在0.96 W cm-2的808 nm激光照射600 s后，30 mM BDP2-NPs的温差增加了25°C以上。BDP2-NPs的光热转换效率与其浓度和激光功率呈正相关，表明其光热转换行为是可控的。根据光热效应和时间常数22，计算出BDP2-NPs的光热转换效率为66%。在5个激光照射周期内，BDP2-NPs的加热温度稳定在63℃左右，表明BDP2-NPs具有优异的光热性能。随后，在激光照射5 min后，BDP2-NP溶液的温度从25°C升高到56°C，而PBS参比中仅观察到微小的温度变化。与BDP1-NPs相比，BDP1-NPs具有相似的PTT特性，PCE值为53%。此外，在808 nm激光照射下，BDP2-NPs在820 nm处产生了最高的光声信号，表明Jaggregate的强近红外吸收控制了光声响应。光声信号强度与浓度呈线性相关，相关系数为0.9808。此外，BDP1-NPs和BDP2-NPs都不能产生单重态氧，这表明这种类型的染料聚集产生了一种特殊的光热试剂。因此，NPs显著的光声信号满足了体内成像的要求，可用于未来的体内PTT实验。
光毒性和体内肿瘤PA成像
我们检测了BDP2-NPs在活细胞中的光热治疗(PTT)效果。采用经典MTT法研究BDP2-NPs在Hepa 1-6细胞和HepG2细胞中的生物相容性和光毒性。结果(图4a)显示，在无激光的正常条件下，BDP2-NPs在0 ~ 100 mM范围内的细胞存活率几乎始终高于80%，表明其具有良好的生物相容性。相比之下，在较低功率(0.1 W cm-2)的激光照射下，由于光热效应，细胞存活率显著降低。此外，荧光显微镜成像采用钙黄蛋白AM/碘化吡啶(PI)双染色来研究BDP2-NPs对细胞存活的影响。随着激光(0.2 W cm-2)照射时间的增加，红色光荧光(PI)逐渐增强，而绿色光荧光(Calcein AM)减弱，表明优秀光热治疗(PTT)成功发生。流式细胞术分析表明，即使在低激光功率下，激光(0.1 W cm-2)照射8 min，光热效应也能有效诱导细胞凋亡。这些实验证实BDP2-NPs具有足够的光毒性和后续PTT的生物相容性。然后研究了BDP2-NPs用于体内PA成像的可行性。在注射BDP2-NP前(0 h)观察到微弱的PA信号，这与缺氧和氧化血红蛋白有关23首先，将100 mM的BDP2-NPs通过尾静脉注射到Hepa 1-6荷瘤C57BL/6小鼠体内，记录不同时间肿瘤的PA图像。BDP2-NPs在肿瘤中的光声信号在注射后逐渐升高，并在36 h达到峰值，表明BDP2-NPs具有良好的稳定性，并且在血液循环中具有明显的肿瘤蓄积性。这些结果表明，BDP2-NPs可用于体内肿瘤的光声成像，以精确引导激光照射进行光热治疗。
BDP2-NP在体内肿瘤光热治疗
由于BDP2-NPs在体外和体内具有良好的PA特性和出色的肿瘤细胞损伤能力，我们在Hepa 1-6荷瘤C57BL/6小鼠中研究了PA图像引导的体内PTT。使用808 nm激光(0.2 W cm−2)，36 h后 ，通过尾静脉注射BDP2-NPs照射小鼠肿瘤区域5分钟。随着照射时间的增加，BDP2-NP组肿瘤区域温度显著升高至50℃左右;而注射PBS的对照组温度变化不明显。为了研究PTT在体内诱导的癌细胞凋亡，在光热处理24 h后，采集小鼠肿瘤组织进行苏木精和伊红(H&E)染色和TUNEL(末端脱氧核苷酸转移酶dUTP镍端标记)染色。BDP2-NPs +激光组(BDP2-NPs + L)与其他组相比，观察到肿瘤组织的大量破坏和凋亡。在激光照射下，连续15天记录小鼠肿瘤体积和体重，BDP2-NPs + L组肿瘤体积明显减小，与其他组比较，差异有统计学意义。然而，体重没有明显变化，说明BDP2-NPs的光热效应可以有效抑制小鼠肿瘤的生长而没有毒性。为了进一步验证BDP2的生物相容性，不同组通过尾静脉注射BDP2- nps /PBS 100 mL。36 h后，激光组采用与前相同的照射条件。激光照射结束48 h后处死小鼠，取血清检测ALT、AST、BUN和CREA，取脏器进行H&E染色分析。结果表明，BDP2-NPs本身对小鼠无明显毒性，BDP2-NPs的光热效应不会对小鼠产生不良影响。这些结果表明BDP2-NPs成功抑制肿瘤增殖，表现出良好的PTT效果，在体内水平的肿瘤定位和治疗方面具有显著的优势。
总结
我们合理设计了基于3,5二噻吩- aza - bodipy的分子平台，并研究了利用不同电子效应取代基精确构建聚集体的策略。光物理性质研究和单晶结构分析表明，D-A-D结构内部和之间的相互作用显著可能有助于J聚集体的形成。此外，3,5位噻吩单元在这个聚集过程中起着至关重要的作用。通过采用D-A-D架构，我们首次实现了基于BODIPY发色团的CT偶联J聚集。CT偶联的J -聚集体在体外和体内研究中表现出良好的生物相容性、近红外成像成像肿瘤诊断能力和高PTT性能。我们的研究为CT耦合J聚集平台的合理设计提供了有价值的见解，为探索生物光子学应用的有机近红外光热剂铺平了道路。
参考文献
Rational design of CT-coupled J-aggregation platform based on Aza-BODIPY for highly efficient phototherapy , Shengmei Wu, Wenze Zhang, Chaoran Li, Zhigang Ni, Weifeng Chen, Lizhi Gai, * Jiangwei Tian, * Zijian Guo and Hua Lu *, Chem. Sci, https://doi.org/10.1039/d3sc06976a
