内容提要
本研究通过对吲哚菁绿（ICG）分子骨架的理性设计，通过战略性π共轭延伸和多磺酸功能化，开发出新型化合物WCY11。这种双策略在实现完全水溶性的同时，赋予了该材料卓越的光物理特性：强NIR-II吸收（980nm）、创纪录的高光热转换效率（65.6%）以及可观的荧光量子产率（5.05%）。WCY11与喷雾式局部给药方式的兼容性，标志着光热治疗领域的范式转变。这种递送方法既能实现精准的肿瘤靶向，又可避免全身暴露和毒性风险。WCY11在NIR-II照射下展现出卓越的肿瘤消融治疗效果，有效解决了光热疗法中溶解度、性能表现和临床实用性的核心难题。
结果与讨论
近红外二区光热剂的分子设计与表征
以ICG为结构模板，我们通过系统性π共轭延伸和在吲哚末端进行战略性磺酸功能化，成功设计出四种新型花菁衍生物（WCY5-WCY11）。这种双重修饰策略同步实现了近红外二区光热能力和完全水溶性。光学表征显示吸收光谱出现显著红移，且红移程度与π共轭长度呈正相关。最值得注意的是，相较于ICG，WCY11表现出约200 nm的显著红移（λabs≈ 1000 nm），使其吸收峰稳定落在近红外二区生物窗口内。这种通过可控带隙缩减实现的近红外二区吸收特性，赋予WCY11卓越的组织穿透能力。在实现深度成像的同时最小化散射和自发荧光伪影。虽然WCY7和ICG同属花菁染料家族，但ICG因其更大的共轭吲哚鎓体系而展现出更长的发射波长。值得注意的是，当聚甲炔链长度超过特定阈值后，继续增加长度并不会导致发射波长进一步显著红移。我们将这种饱和现象归因于激发态的构象不稳定性——过度的π扩展可能无法继续降低激发态能量。这凸显了在共轭长度与激发态动力学之间寻求平衡以实现最佳光学性能的重要性。我们选择WCY11进行进一步光热研究。然而尽管共轭结构增加，荧光发射光谱却未出现预期红移，这种现象可能源于分子设计过程中忽略的关键点：虽然考虑了共轭链长度延伸，但两个末端吲哚盐并未完全融入完整共轭体系，导致激发时共轭链与末端吲哚盐未能形成有效的共轭体系红移。随后我们通过系统评估WCY11的光学特性、溶解性、稳定性和抗干扰能力来考察其临床应用潜力。光学测量表明WCY11在NIR-II区具有强吸收，980 nm处摩尔消光系数达3.7×104 M−1cm−1。其量子产率在水相缓冲液中为1.76%，而在血清蛋白存在时显著提升至5.05%表明在生理相关条件下荧光性能增强。溶解度测试显示WCY11较ICG具有明显优势，动态光散射测量显示WCY11溶液中未检测到颗粒，而ICG在PBS中形成聚集物。这种完全溶解性消除了对有机共溶剂的需求及其相关的毒性风险。在临床相关条件下进行的稳定性评估取得了优异结果——WCY11在980纳米激光连续照射1小时后仍保持95%以上的初始荧光强度。
WCY11的光热性能与细胞毒性研究
我们采用980纳米激光照射WCY11水溶液，研究其在生理环境中的光热转换能力。本研究首先开展了一系列关于WCY11浓度与激光功率的测试。通过严格考察WCY11浓度（0-100 μM）与激光功率密度（0.1-1.0 W/cm²）的参数优化研究，最终确定50 μM WCY11配合0.5 W/cm²照射强度为获得最大光热转换效率的最佳条件。在这些精确控制的参数下，WCY11展现出卓越的光热性能。实时热成像显示，在照射启动60秒内温度迅速上升ΔT≈26±0.8°C。值得注意的是，WCY11在循环照射测试中（5个循环，每个循环1分钟开/关）表现出优异的稳定性，保持>98%的初始加热能力，且未观察到结构降解或聚集现象。细胞毒性测试分别在避光条件和光照条件下开展。黑暗孵育环境中，WCY11在整个测试浓度范围内均表现出极低的细胞毒性，证实该材料在无光照条件下具有优良的生物相容性。相反，在980纳米激光照射下（0.5 W/cm²，5分钟），可观察到癌细胞死亡率呈现浓度依赖性上升。这种显著的光毒性现象表明，激光照射能激活WCY11的光热转换能力，产生足以诱导癌细胞消融的细胞内高温。为直观验证光热治疗效果，研究进行了活细胞/死细胞双染实验（Calcein-AM/PI）。该检测可呈现鲜明的荧光特征：活细胞显示绿色荧光，而膜结构受损的死细胞呈现红色荧光。共聚焦显微镜分析显示，仅在同时接受WCY11处理和激光照射（0.5 W/cm²，5分钟）的B16细胞中观察到强烈的红色荧光（提示广泛细胞死亡）。与之形成鲜明对比的是，包括单纯生理盐水处理组、单独激光照射组以及黑暗条件下单独WCY11孵育组在内的对照组，均主要呈现绿色荧光，证实这些条件下细胞存活率较高。综合这些结果有力证明：要实现B16癌细胞的有效光热消融，必须依赖WCY11与近红外激光照射的协同作用。
喷雾介导的WCY11在肿瘤中的选择性蓄积
我们首先将WCY11均匀喷洒于荷瘤区域及邻近健康皮肤区域。荧光成像证实该药剂在正常真皮层渗透可忽略不计，表明后续治疗中健康组织的光热损伤风险极低。实时药代动力学分析显示其具有时间依赖性肿瘤靶向特性。系列荧光成像表明WCY11在肿瘤部位逐渐富集，给药后10分钟内信号强度提升超过3.2倍，并于15分钟达到稳定状态，提示此时瘤内药物浓度已达峰值。基于此动力学特征，15分钟时间点被确定为最佳治疗窗口——既能实现肿瘤部位最大药物浓度，又可维持最低脱靶分布，从而为精准光热消融创造条件。此时间节点是实施光热治疗的最佳时机。对照实验中，我们对小鼠注射生理盐水后进行激光照射，温度监测显示肿瘤组织和正常组织的温度变化均可忽略不计（<3°C）。这证实所选激光参数不会引发热疗损伤，符合光疗法的基本生物安全要求。与之形成鲜明对比的是，喷洒WCY11的肿瘤迅速产生高热效应，照射5分钟内靶区温度即上升25.3±0.7°C。这种显著温差（ΔT>22°C vs对照组）证明WCY11具有强大的体内光热转换能力，并能将热消融精确限制在恶性组织内。
体内光热疗法对WCY11的疗效评估
为系统评估WCY11对深部恶性肿瘤的治疗潜力，我们建立了黑色素瘤荷瘤小鼠模型。该模型接受瘤内WCY11喷雾给药后，在给药后15分钟这一预定最佳治疗时间窗内，接受波长为980纳米、功率密度为0.5 W/cm²的近红外（NIR）激光照射。为期14天的肿瘤进展监测显示实验组间存在显著差异。对照组（包括未治疗组、单纯激光照射组和单纯WCY11给药组）均表现出肿瘤进行性扩大，体积增长2.3至2.7倍；而WCY11联合激光治疗组则展现出卓越疗效，实现肿瘤完全抑制，体积减少91.2±3.4%，且在整个14天观察期内未出现复发。H&E染色切片的组织病理学分析进一步揭示机制：治疗组肿瘤区域80%以上出现广泛凝固性坏死，而对照组仍保持具有完整核染色的存活肿瘤形态。这些综合发现凸显了WCY11介导的光热疗法在实现空间限制性肿瘤消融方面的卓越疗效，同时保持正常组织安全性，满足局部癌症疗法临床转化的关键要求。
结论
我们成功设计并开发了WCY11这种新型水溶性近红外二区光热制剂。基于吲哚菁绿（ICG）骨架结构，我们通过延伸聚甲川链增强π共轭（实现近红外二区吸收）并引入磺酸基团（确保完全水溶性），最终获得兼具优异光热性能与良好生物相容性的分子。WCY11展现出65.6%的卓越光热转换效率和5.05%的荧光量子产率，同时在生理条件下保持完美的溶解稳定性。相较于现有光热制剂，WCY11最具突破性的创新在于其喷雾给药方式。这种局部递送策略不仅规避了静脉注射可能引发的全身毒性，还实现了精准的肿瘤靶向。体内实验证实，在近红外二区激光辐照条件下，WCY11能有效消融肿瘤组织，同时保持卓越的生物安全性。
参考文献
Water-Soluble NIR-II Photothermal Agent for Sprayable Skin Cancer Therapy, Liang Zhao, Han Zhu, Qing-Qing Ye, Zhi-Gang Wang, Dai-Wen Pang, Dan Ding, and Shu-Lin Liu, J. Med. Chem. 2025, 68, 23610−23619. https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.5c02623
