内容提要
本项目开发一系列氮杂硼二吡咯类化合物（NN-azaBDPs），该类化合物在 3,5 位引入了 1,4 - 二甲基 - 1,2,3,4 - 四氢喹喔啉（NN）作为超强给电子基团。具有 D-A-A'（给体 - 受体 - 辅助受体）体系的 CF3-NN 在 NIR-II 区的吸收波长为 990 nm、发射波长为 1240 nm。CF3-NN 纳米颗粒具备 NIR-II 区荧光成像能力，且光热转化效率优异（达 77.8%）；同时，NN 片段的扭曲结构为活性氧的产生奠定了基础。
结果与讨论
通过合理选择 1,2,3,4-四氢喹喔啉起始原料，我们成功将 NN 片段与氮杂硼二吡咯核心整合，制备出 NN-azaBDPs 系列化合物。打破传统认知，这些化合物虽为对称分子，但在分子间相互作用和空间位阻的限制下，双侧 NN 单元意外呈现出一半向内折叠、一半向外翻转的构象。以 CF3-NN 为例，其中心硼原子呈轻微扭曲的sp3杂化构型，C35-C36-N7-C41 和 C36-C35-N6-C42 的二面角分别为 170.1° 和 171.3°，表明存在轻微扭曲；而 N7-C39-C40-N6 的二面角为 50.8°，由于-C39-C40-链的 sp2 杂化特性，该结构扭曲程度显著。此外，CF3-NN 中蓝色部分的键角与上述棕色部分相似。特别是在 CF3-NN 的聚集过程中，由于体积较大的 NN 片段起到间隔作用，未观察到分子间的 π-π 相互作用，使其仍表现出单分子性能。
在二氯甲烷（CH2Cl2）中，CF3-NN 的吸收波长为 944 nm、发射波长为 1102 nm，而 OMe-NN 和 H-NN 的吸收 / 发射波长分别为 880/1060 nm 和 900/1089 nm。由此可见，含 NN 片段的氮杂硼二吡咯分子中，D-A-A' 电子结构相较于 D-A 或 D-A-D' 结构更为有效。对 CF3-NN 溶剂行为的进一步研究表明，在二甲基亚砜（DMSO）等极性溶剂中，其吸收和发射波长发生显著红移，分别达到 990 nm 和 1240 nm。所有 NN-azaBDPs 均表现出超过 150 nm 的斯托克斯位移，其中 CF3-NN 的光谱位移幅度最大，可达 250 nm。此外，CF₃-NN 具有较高的摩尔吸光系数（210000 M-1 cm-1），而其荧光量子产率较低，实测值仅为 0.3%，这一现象可直观归因于 NN 片段的分子内电荷转移（ICT）效应。我们首先采用商用活性氧探针二氯荧光素（DCFH）评估了 NN-azaBDPs 的总活性氧生成能力。在 915 nm 激光（0.8 W cm-2）照射下，含 NN-azaBDPs 体系中 DCFH 的荧光强度逐渐增强，其中 CF₃-NN 组的荧光强度提升了 6.4 倍，表明其能大量产生活性氧。为进一步确定活性氧的具体种类，我们分别使用二氢罗丹明 123（DHR123）、羟苯基荧光素（HPF）和 1,3 - 二苯基异苯并呋喃（DPBF）作为超氧阴离子（O₂・⁻）、羟基自由基（・OH）和单线态氧（1O2）的探针。结果显示，在 915 nm 激光（0.8 W cm-2）照射下，含 NN-azaBDPs 的 DHR123 组出现显著的荧光增强，而 HPF 组仅观察到微弱变化，表明羟基自由基的生成量有限。同时，对 DPBF 在 416 nm 处吸光度衰减的实时监测结果显示，相同条件下 NN-azaBDPs 生成的单线态氧可忽略不计。
在 915 nm 激光（0.8 W cm-2）照射下，80 μM 的 CF3-NN 在 5 分钟内温度升至 75.0 °C，且经过 5 次加热 - 冷却循环后仍能保持稳定的温度曲线，这证实了其优异的光热稳定性。为进一步提升染料的生物相容性与靶向能力以扩大生物医学应用范围，研究人员采用二硬脂酰基磷脂酰乙醇胺 - 聚乙二醇 2000（DSPE-PEG2000）对 NN-azaBDPs 进行包裹，制备出具有水溶性的纳米颗粒（NN-azaBDP NPs）。通过 DSPE-PEG2000的自组装作用，所有 NN-azaBDP NPs 的吸收光谱均出现 20 nm 的显著红移。透射电子显微镜（TEM）与动态光散射（DLS）表征结果证实，该纳米颗粒呈球形，水合直径约为 150 nm。此外，NN-azaBDP NPs 的表面电荷分布均匀，平均 zeta 电位接近 - 30 mV，表明其在水溶液中具有良好的稳定性。研究人员进一步探究了 NN-azaBDP 纳米颗粒的光热性能。在 915 nm 激光（0.8 W cm⁻²）照射下，80 μM 的 CF₃-NN NPs 在 5 分钟内温度从 23.3 °C 快速升至 80.0 °C，而 20 μM 的 CF3-NN NPs 温度升至 51.2 °C（温度变化 ΔT=27.9 °C）。温度升高幅度与激光功率呈正相关。CF3-NN NPs 经过5次加热-冷却循环后仍表现出优异的稳定性，其计算得出的光热转化效率（PCE）高达 77.8%，超过 H-NN NPs（66%）与 OMe-NN NPs（63%）。利用 5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物（BMPO）进行电子顺磁共振（EPR）测试，结果证实 CF₃-NN NPs 在 915 nm 激光照射下可生成超氧阴离子（O2・⁻），表现出特征性的四重峰信号（1:1:1:1），而在黑暗条件下该信号消失。DLS 与 TEM 分析结果进一步证实了 CF3-NN NPs 的优异稳定性：颗粒平均尺寸维持在约 150 nm，zeta 电位为 - 30 mV，TEM 图像显示纳米颗粒呈均匀分散的球形，无明显聚集现象，具备适用于体内应用的良好胶体稳定性。
采用二氯荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）与二氢乙锭（DHE）探针评估了细胞内活性氧的生成情况。结果显示，在 915 nm 激光（0.3 W cm-2，照射 10 分钟）作用下，CF3-NN NPs 组呈现出最强的绿色荧光，表明其能有效产生活性氧。DHE 染色产生的明亮红色荧光进一步证实，在 “NPs+915 nm 激光” 组中细胞产生了超氧阴离子。随后，研究人员通过 MTT 实验量化了该纳米颗粒对癌细胞的光毒性。仅与 CF3-NN NPs 共孵育而无光照时，细胞存活率未出现明显下降，表明该纳米颗粒在黑暗条件下无显著光毒性。与之形成鲜明对比的是，在光照条件下，CF3-NN NPs 展现出优异的杀细胞能力，且该能力呈剂量依赖性。值得注意的是，CF3-NN NPs 的半数抑制浓度（IC50）低至 4.85 μM。活 / 死细胞染色实验也证实了 CF3-NN NPs 优异的光触发抗癌活性：将 4T1 细胞与 CF3-NN NPs 共孵育并经 915 nm 激光照射后，细胞几乎均被碘化丙啶（PI）染色并发出强烈的红色荧光，表明癌细胞膜受到严重破坏。为阐明光激活细胞死亡的机制，研究人员采用膜联蛋白 V - 异硫氰酸荧光素（Annexin V-FITC）/ 碘化丙啶（PI）双染色法进行流式细胞分析，以区分细胞凋亡与坏死。单独使用 10 μM CF3-NN NPs（孵育 6 小时）或单独进行 915 nm 激光照射（0.8 W cm-2，照射 10 分钟）均未诱导显著的细胞死亡，凋亡 / 坏死率维持在 5% 以下（Q2-Q3 象限）。而 “纳米颗粒 + 激光” 联合处理则触发了协同细胞毒性：（1）以凋亡为主：早期 / 晚期凋亡细胞（Annexin V⁺/PI⁻与 Annexin V⁺/PI⁺）占比为 51.7±2.3%；（2）继发性坏死：PI 阳性坏死细胞占比为 45.7±1.9%。
为评估体内成像的可行性，研究人员在相同条件下考察了 CF3-NN 与 CF3-NN 纳米颗粒（CF3-NN NPs）的近红外二区（NIR-II）荧光行为。CF3-NN 在水中因聚集诱导猝灭效应几乎无荧光发射，而 CF3-NN NPs 通过 1000 nm 长通滤光片检测时，荧光强度提升了 5 倍，这证实其适用于深层组织成像。经尾静脉注射后，CF3-NN NPs 能有效在肿瘤部位富集，于 18 小时达到荧光强度峰值（肿瘤与背景信号比为 4.3±0.6），且在 48 小时后仍可被检测到。体外分析显示，该纳米颗粒在肿瘤中的滞留量是其他组织的 4.25 倍，为后续光热 - 光动力治疗提供了最佳时间窗口。受 CF3-NN NPs 体外光活性与体内良好肿瘤靶向能力的鼓舞，研究人员进一步在荷 4T1 肿瘤的 BALB/c 小鼠模型中，评估了其在 915 nm 激光激发下的治疗潜力。小鼠被随机分为 4 个实验组，即（G1）磷酸盐缓冲液（PBS）对照组、（G2）PBS+915 nm 激光组、（G3）单独 CF3-NN NPs 组、（G4）CF3-NN NPs+915 nm 激光组。所有指定组均接受 915 nm 激光照射（0.8 W cm⁻²，10 分钟）。治疗后每 48 小时监测小鼠肿瘤体积与体重，同时通过红外热成像实时记录肿瘤部位的温度变化。值得注意的是，CF3-NN NPs 介导的光转化作用可诱导肿瘤快速且显著的升温，PBS 对照组肿瘤温度仅轻微上升（<10 °C），而 G4 组肿瘤在 4 分钟内温度升至 46.2 °C，10 分钟时达到峰值 53 °C，超过了蛋白质不可逆变性所需的 42 °C 临界阈值。这种局部热消融效应与治疗效果直接相关。G4 组肿瘤快速消退，在治疗第 2 天体积缩小 87%，第 6 天实现完全根除。与之形成鲜明对比的是，对照组（G1-G3）未表现出明显的肿瘤生长抑制效果，这证实了治疗效应的激光激活特异性。通过苏木精 - 伊红（H&E）染色进行的组织病理学验证进一步佐证了上述结果：对照组（G1-G3）中仅观察到少量凋亡细胞，而 G4 组肿瘤组织出现广泛凝固性坏死，细胞结构完全破坏。重要的是，全身安全性评估显示该纳米颗粒具有优异的生物相容性：在 18 天观察期内，所有组小鼠体重均未出现显著波动，主要器官组织学检查未发现病理异常。
本研究成功开发出在近红外二区具有强吸收特性的 NN-azaBDPs 系列化合物。通过在 3,5 位引入 NN 片段作为超强给电子单元，并整合−CF3基团作为强吸电子单元 ——CF3-NN NPs 展现出优异的光热转化效率（77.8%）与高效的 I 型活性氧生成能力。经聚乙二醇（PEG）修饰自组装后，CF3-NN NPs 具有出色的水溶性稳定性，可通过增强渗透滞留（EPR）效应实现肿瘤靶向富集，并具备强近红外二区荧光特性，能够实现高分辨率成像与精准光诊疗干预。CF3-NN NPs 是一种高效的双模态治疗剂，可用于乳腺癌的协同光热 - 光动力治疗，且副作用极小。
参考文献
Ultra Electron-Donating Segment-Dependence of NIR-II Absorbing Aza-boron-dipyrromethenes for Photothermal-Photodynamic Phototherapy of Breast Cancer, Photodynamic Phototherapy of Breast Cancer， Yiming Zhang, Dandan Ma, Yuanlang Guo, Bo Li, Yunsheng Xue, Xin-Dong Jiang,* Xiaoqiang Chen,* Gaowu Qin, and Xiaojun Peng, ACS Mater. Lett., 2025: 3844-52，https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.5c01221
