内容提要
本研究报道首例用于光声成像（PAI）引导NIR-II光热治疗的醌型-供体-受体（Q-D-A）染料PAQM-EH-BBT的设计。通过增强受体强度、骨架平面性和双自由基特性，PAQM-EH-BBT展现出超宽吸收光谱，峰值位于1138 nm，吸收尾端延伸至1600 nm，并具有较短的非辐射（NR）弛豫时间。经亲水性DSPE-mPEG2000封装后，创下73.0%的光热转换效率（PCE）纪录。在1064 nm激光照射下，PAQM-EH-BBT NPs对体外癌细胞表现出显著的光热治疗效果。在NIR-II光声成像引导下，该纳米颗粒实现了体内肿瘤根除的高效NIR-II光热治疗，且未引起任何显著副作用。
实验结果与讨论
聚合物设计、合成与表征
本研究采用对位氮杂醌二甲烷（AQM）作为醌式单元（Q）、噻吩作为给体（D）、苯并双噻二唑（BBT）作为准醌式受体（A），合理设计了聚合物PAQM-EH-BBT。该分子设计基于以下考量：1) AQM作为合成便捷、结构紧凑且电中性的醌式构筑单元，能赋予聚合物骨架高度平面性，增强链间π-π相互作用，并诱导显著的双自由基特性。这些特性协同作用可缩小带隙并拓宽吸收范围至近红外二区窗口；2) BBT作为一种平面型强缺电子三环受体，该结构与AQM醌式结构协同作用，进一步缩小带隙并将吸收拓展至近红外二区（NIR-II）——这一特性对深部组织光热应用至关重要。(3) 噻吩作为广泛使用的富电子给体，能促进有利的分子堆积并增强主链共平面性。这种理性整合设计最终得到PAQM-EH-BBT——一种同时实现带隙窄化、宽带NIR-II吸收、强双自由基特性和加速非辐射衰变的Q-D-A型聚合物，这些特性对提升光热转换效率具有决定性作用。作为参照，在相同条件下合成的PAQM-EH-BT表现出相似DP，为评估预醌式单元的具体贡献提供了结构一致的基准。这一设计直接支撑了73.0%的创纪录光热转换效率（PCE），超越了所有已报道的醌式-芳香族聚合物。溶液测试采用0.03 mg mL−1浓度与1 cm光程石英比色皿。PAQM-EH-BT在400-800 nm呈现单一窄吸收峰，而PAQM-EH-BBT则在400-800 nm与800-1500 nm范围呈现双峰特征，最大吸收红移至1003 nm（NIR-II区），拖尾延伸至1500 nm。这种约400 nm的显著红移与光谱展宽归因于强预醌式BBT单元的引入，与先前报道高度吻合。薄膜中因分子间π-π作用增强，两者均出现红移。值得注意的是，PAQM-EH-BBT吸收边带进一步红移约130 nm，光谱覆盖扩展至1600 nm。通过电子自旋共振（ESR）探测开壳层自由基物种。醌式体系中的开壳层自由基常源于醌式-芳香电子互变。相较于PAQM-EH-BT，PAQM-EH-BBT显示出更强的ESR信号（g值≈2.0035），这源于BBT单元更小的单重态-三重态能隙（ΔES-T），表明其具有更高浓度自由基物种。这种增强归因于BBT单元促进醌式-芳香共振并降低BLA，从而强化双自由基特征。变温ESR测试进一步表征了PAQM-EH-BBT的开壳特性——其ESR信号强度随温度降低而增强，这与高自旋未配对电子的开壳分子典型特征一致。PAQM-EH-BBT模型的自旋密度分布显示未配对电子显著离域于整个预醌式BBT单元，并在共轭骨架中部富集；而PAQM-EH-BT的自旋密度仅局域于骨架末端。
PAQM-EH-BBT纳米颗粒的制备与表征
采用纳米沉淀法，以两亲性分子1,2-二硬脂酰-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-[甲氧基（聚乙二醇）-2000]（DSPE-mPEG2000）作为包埋基质，成功封装了这些疏水性染料以增强其水溶性。与PAQM-EH-BT纳米颗粒相比，PAQM-EH-BBT纳米颗粒在近红外二区窗口（1000-1400 nm）展现出更宽的吸收光谱。值得注意的是，PAQM-EH-BBT纳米颗粒在1064 nm处的高摩尔消光系数达到22.98 L g−1 cm−1，而PAQM-EH-BT纳米颗粒在808 nm处的数值仅为1.41 L g−1 cm−1。这表明PAQM-EH-BBT纳米颗粒在近红外二区窗口具有优异的光捕获能力。此外，在水中观察到PAQM-EH-BT纳米颗粒存在近红外二区荧光发射，而PAQM-EH-BBT纳米颗粒仅显示微弱荧光，暗示PAQM-EH-BT纳米颗粒可能具有增强的非辐射衰变特性。PAQM-EH-BT与PAQM-EH-BBT纳米颗粒的流体力学直径分别为145.9 nm和120.5 nm，表明其在水溶液中具有良好的分散性。透射电子显微镜（TEM）形貌表征进一步证实，两种纳米颗粒均呈现单分散球形结构且粒径分布均匀。zeta电位测试显示PAQM-EH-BT和PAQM-EH-BBT纳米颗粒分别带有-24.5 mV和-28.2 mV的表面电荷。这种负电荷特性可通过静电排斥作用增强纳米颗粒稳定性。通过系统表征两种聚合物纳米颗粒的光热转换性能发现，在808 nm（近红外一区）或1064 nm（近红外二区）激光照射下，PAQM-EH-BT和PAQM-EH-BBT纳米颗粒的光热效应均呈现浓度与激光功率密度依赖性。经6分钟激光照射后，100 μg mL−1的PAQM-EH-BT纳米颗粒仅升温至30.0°C，而同浓度PAQM-EH-BBT纳米颗粒可达到87.1°C的超高温平台。特别值得注意的是，即使浓度低至10.0 μg mL−1，PAQM-EH-BBT纳米颗粒仍能升温至52.9°C，超过肿瘤细胞消融所需的42°C阈值。温度变化行为与激光功率呈正相关，表明通过调节近红外二区激光功率和纳米颗粒浓度可有效控制PAQM-EH-BBT纳米颗粒的产热过程。光热冷却曲线分析显示，PAQM-EH-BBT纳米颗粒在1064 nm（1.0 W cm−2）照射下的光热转换效率（PCE）高达73.0%，这是目前醌式-芳香共轭聚合物报道的最高值。相比之下，PAQM-EH-BT纳米颗粒在808 nm激光（1.0 W cm−2）下的PCE仅为38.6%。如支持信息表S2所示，与其它近红外二区光热制剂（包括有机小分子和聚合物）相比，PAQM-EH-BBT纳米颗粒不仅具有顶尖的PCE，还展现出卓越的光稳定性和抗光漂白性能。这种高效性、稳定性和材料多功能的结合，使PAQM-EH-BBT成为光热治疗实际应用的理想候选材料。经过五次加热-自然冷却循环，PAQM-EH-BBT纳米颗粒溶液仍保持稳定的温度变化。动态光散射证实，在pH 5.5和6.5条件下孵育24小时后，PAQM-EH-BBT纳米颗粒粒径未发生显著变化，表明其在酸性环境中具有高稳定性。值得注意的是，PAQM-EH-BBT纳米颗粒在1064 nm激光照射下不会产生活性氧。73.0%的超高光热转换效率（= 73.0%）与优异的光稳定性，使该材料特别适合光热治疗应用。
体外光热疗法
首先通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）成像技术，探究了该纳米粒子的细胞摄取途径与胞内运输路径。经过6小时孵育后，异硫氰酸荧光素（FITC）标记的PAQM-EH-BBT纳米粒子在4T1细胞内显现出明亮的绿色荧光。商用溶酶体红色追踪剂通道（红）与FITC标记纳米粒子通道（绿）的荧光信号呈现高度重叠，皮尔逊相关系数达≈0.8184，表明这些纳米粒子被特异性捕获在溶酶体内，这为后续光疗效果提供了保障。随后采用CCK-8试剂盒评估近红外二区（NIR-II）光照射下纳米粒子对4T1细胞的杀伤效果。实验显示即便在50 μg mL−1的高浓度下，PAQM-EH-BBT纳米粒子也未表现出明显暗毒性，印证了其优异的生物相容性。而在1064 nm激光（1.0 W cm−2）照射5分钟后，相同浓度下约95%的细胞被清除，展现出显著的剂量依赖性光热效应。为深入评估治疗潜力，我们进行了活/死细胞双染实验。PBS组、PBS+激光组及单纯纳米粒子组均呈现大量绿色荧光，表明在这些条件下细胞毒性极低。而经纳米粒子与1064 nm激光联合处理的细胞则出现显著红色荧光，证实该纳米粒子在激光激活下能有效诱导4T1细胞死亡。通过 Annexin V-FITC/碘化丙啶（PI）流式细胞术分析进一步揭示：对照组细胞主要分布于存活区域，而纳米粒子联合激光处理组中55.2%的细胞发生凋亡，8.7%呈现坏死。这种由光疗触发的显著细胞凋亡/坏死率，充分证明了该纳米粒子清除癌细胞的效能，为其后续体内应用奠定了坚实基础。
活体光声成像引导抗肿瘤治疗
受PAQM-EH-BBT NPs在体外展现的优异光热特性启发，我们随后评估了其在NIR-II激发下PAI引导的光热治疗（PTT）体内抗肿瘤效果。将PAQM-EH-BBT NPs静脉注射至4T1肿瘤异种移植小鼠体内后，使用光声（PA）成像设备进行监测。注射后NPs信号在4T1肿瘤部位逐渐显现，12小时达到显著峰值，24小时略有下降。这种时间依赖性PA信号证实了NPs通过增强渗透滞留效应在肿瘤部位的蓄积。根据PA成像引导，确定注射后12小时为最佳光热治疗时间窗。通过红外热成像仪观测不同处理组小鼠的体温变化发现，PAQM-EH-BBT NPs联合1064 nm激光照射（1.0 W cm−2）使治疗组小鼠肿瘤温度在5分钟内迅速升至49.2°C，而PBS联合激光组仅引起轻微温升。结果表明PAQM-EH-BBT NPs能通过光热疗法有效引发体内肿瘤温度变化。为深入评估NPs的体内光消融性能，将肿瘤体积≈70 mm3的4T1移植瘤小鼠随机分为四组。治疗组小鼠注射NPs后接受1064 nm激光肿瘤照射5分钟，隔日监测肿瘤体积。NPs+激光治疗实现小鼠肿瘤完全消除且20天内无复发。相比之下，单独NPs或激光处理对肿瘤生长均无显著抑制。各组小鼠治疗期间体重保持稳定，证实治疗安全性。49.2°C峰值温度（略低于瞬时坏死常规阈值>50°C）实现完全持久的肿瘤消融，可通过热剂量理论框架解释：热诱导细胞死亡是温度与暴露时间的函数，而非仅取决于峰值温度。虽然49.2°C不会立即引发凝固性坏死，但维持该温度数分钟（如本研究的加热曲线所示）可累积足够热剂量，主要通过广泛细胞凋亡和蛋白质变性导致不可逆损伤。文献记载阈值进一步佐证：>48°C可诱发热消融，而>43-44°C可能导致热性红斑。在这一受控温度范围内实现的有效肿瘤根除，也暗示着其安全性有所提升，因为该温度可能减轻对瘤周健康组织的附带损伤——这些组织在更高温度下更容易受到伤害。
结论
我们工作的创新性在于证明了Q-D-A结构是实现极端带隙窄化和高近红外二区窗口光热效率的优越设计范式。AQM醌型结构与BBT受体之间的协同效应——两者均在原醌型电子框架内运作——创造出一个性能超群的体系。通过增强前醌式受体单元的吸电子能力，PAQM-EH-BBT的双自由基特性得到强化，从而实现了1138 nm处的最大吸收峰以及延伸至1600 nm的吸收尾带，同时展现出高效的非辐射弛豫特性。当用DSPE-mPEG2000封装后，PAQM-EH-BBT纳米颗粒的光热转换效率（73.0%）在所有已报道的醌式半导体聚合物中达到最高值，并兼具强近红外二区吸收（和卓越的光稳定性。在1064 nm激光照射下，该纳米颗粒成功实现近红外二区光声成像引导的肿瘤光热治疗，在4T1荷瘤小鼠模型中达成完全消融且未检测到系统性毒性。
参考文献
Enhanced Diradical Feature of Quinoid-Donor–Acceptor Semiconducting Polymers by Strong Pro-Quinoidal Acceptor Engineering for Efficient NIR-II Photothermal Theranostics, Cheng Liu, Xuanyan Gu, Long Li, Lan Xie, and Qiang Zheng, Adv. Funct. Mater. 2025, e25442. https://doi.org/10.1002/adfm.202525442
