内容提要
本文以螺旋桨状聚集诱导发光（AIE）基团作为扭曲亚基，噻吩作为平面 π 桥，MTSIC中最佳的扭曲平面 π 相互作用可诱导合适的滑移角并形成 J-聚集体，使吸收峰从 624 nm 红移至 790 nm。较短的 π 平面性会导致无定形聚集体的形成，而延长 π 平面性则会促进电荷转移（CT）耦合的 J-聚集体的形成。超声处理能有效控制 MTSIC 的自组装行为，使其从无定形聚集体转变为 H-中间体，最终形成稳定的 J-聚集体。用脂质-聚乙二醇（lipid-PEG）包封后，所得的 J-点（J-dots）相较于无定形点（amorphous dots）表现出增强的光疗效果，包括亮度、活性氧（ROS）生成和光热转换能力，展现出优异的癌症光疗性能。这项工作不仅推动了 D-A 型 J-聚集体的设计，还为超分子组装的发展提供了一种有前景的策略。
分子设计合成与光物理性质研究
本工作选择具有扭曲分子几何结构的标志性 AIE基团甲氧苯基三苯胺（MTPA）作为电子供体，其同时作为空间位阻基团诱导分子间 π-π 堆积平面之间的滑移堆积。选择缺电子的 2-（3-氧代-2,3-二氢-1H-茚-1-亚基）丙二腈（IC）和噻吩（S）单元作为电子受体和 π 桥，其中 IC 上的羰基可与 S 单元形成分子内 S・・・O=C 构象锁，减少扭转角，从而确保必要的分子骨架平面性和足够的 π-π 相互作用。合成了三种具有不同 S 环数量（1 至 3 个）的分子，以调节 π- 共轭长度和 π-n 相互作用行为，分别命名为 MTIC、MTSIC 和 MTSSIC。首先通过紫外-可见光谱（UV-vis）和光致发光光谱（PL）研究了光物理性质。随着 S 环数量的增加，它们在四氢呋喃（THF）中的吸收峰从 MTIC 的 589 nm 红移至 MTSIC 的 624 nm 和 MTSSIC 的 628 nm。类似地，MTIC、MTSIC 和 MTSSIC 的最大发射波长分别位于 632 nm、975 nm 和 990 nm。通过动态光散射（DLS）研究了它们在不同水分数（fw）的 THF / 水混合物中的聚集行为。MTIC 和 MTSSIC 在 fw=70% 时开始形成纳米聚集体，而 MTSIC 在较低的 fw=60% 时即形成纳米聚集体。由于 MTPA 的引入通常赋予 AIE 特性，对其 AIE 特性进行了评估。三种化合物在初始增加 fw 时均表现出荧光强度降低，这归因于与 D-π-A 构型相关的分子内电荷转移（ICT）特性，导致在高极性溶剂中发射减少。随着 fw 进一步增加以诱导纳米聚集体形成，所有三种化合物均表现出荧光增强而非减弱，表明其典型的 AIE 特性，与 ICT 效应形成竞争。
超声诱导的 J-聚集体行为
首先研究了 AIE 荧光分子在 THF / 水混合物中的聚集行为。在没有超声辅助的情况下，增加 fw 仅导致吸收带轻微展宽，这可能是由于纳米聚集体内分子间相互作用增强所致。首先在 fw=70%（属于浊环区，有利于纳米结晶）条件下研究了超声诱导 J-聚集体的潜力。超声处理 10 分钟内，MTIC 的吸收光谱变化极小。有趣的是，MTSIC 的吸收带从 623 nm 显著红移至 790 nm，表明发生了强烈的 J-聚集体形成。进一步监测显示，该转变在 2 分钟内完成。MTSSIC 则表现出明显不同的现象，超声处理后主吸收峰从 634 nm 红移至 688 nm，并出现 440 nm 吸收带，暗示 H-聚集体和 J-聚集体共存。进一步监测显示，MTSSIC 在 4 分钟时首先从 634 nm 蓝移至 440 nm，表明形成了 H-聚集体中间体，随后在 6 分钟时转变为 CT 耦合的 J-聚集体（CTJ-聚集体）。值得注意的是，MTSIC 的 J 带位于 790 nm，而 MTSSIC 仅为 688 nm，表明 MTSIC 的 J-聚集体形成更为理想。超声有效地诱导了有序堆积，且 π- 共轭长度显著调节了它们的组装行为。具有平衡扭曲平面 π- 共轭的 MTSIC 表现出最佳的 J-聚集体形成倾向，而缺乏足够平面共轭的 MTIC 在超声诱导下的结晶能力极小。π- 平面过长的 MTSSIC 则具有更高的 CTJ-聚集体形成潜力。还测量了超声处理前后的发射光谱（fw=70%）。MTSIC 的荧光增强因子高达 46.1，这是由于 AIE 效应和 J-聚集体增强发射的协同作用，而 MTIC 和 MTSSIC 在缺乏最佳 J-聚集体形成的情况下仅显示 2.9 倍和 6.5 倍的荧光增强。
J-点的制备与表征
为改善胶体稳定性和生物相容性，选择两亲性聚合物 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-PEG 2000）作为包封基质，制备基于 MTSIC J-聚集体的纳米点（简称 J-点）。制备流程如下：将含有 MTSIC 和 DSPE-PEG 2000 的 THF 溶液加入水 / THF 体积比为 4 的水溶液中，随后进行 10 分钟超声处理。类似地，仅通过 2 分钟超声处理制备得到具有无定形聚集体的 MTSIC 纳米点（简称 A-点）。J-点和 A-点的流体力学直径分别为～34.8 nm 和～52.6 nm。透射电子显微镜（TEM）图像显示两者均为均匀球形结构，J-点的尺寸为 25.5 nm，A-点约为 39.2 nm。J-点和 A-点的 zeta 电位分别为 + 28.6 mV 和 + 31.5 mV，这归因于向外排列的 PEG 壳层，证明纳米包封成功。J-点的吸收峰位于 790 nm，相较于 A-点的 620 nm 红移了 170 nm，与 J-聚集体的吸收光谱一致。J-点在 790 nm 处的摩尔消光系数（ε）测定为 3.45×10⁴ L・mol⁻¹・cm⁻¹，比 A-点在 620 nm 处的摩尔消光系数（2.13×10⁴ L・mol⁻¹・cm⁻¹）提高了 1.62 倍。J-点在 900 nm 处的荧光强度约为 A-点的 20.5 倍。然后用各种ROS探针评估J-dots和A-dots的ROS生成能力。使用2，7-二氯二氢荧光素（DCFH）评估总ROS生成量。J-点在808 nm激光照射下递送约115的CD 3DCFH荧光增强因子，比A-点和商业PS吲哚菁绿色（ICG）高近6.9倍和17.0倍，证明了J-点更上级的ROS产生能力。有趣的是，在660 nm激光照射下，J-dots仍然表现出比A-dots更强的ROS产生能力，在该波长下，A-dots表现出更强的吸收，证明了J聚集可以增强ROS的产生。（亚甲基）二丙二酸（ABDA）、二氢罗丹明123（DHR 123）和羟苯基荧光素（HPF）作为单线态氧（1O2）、超氧阴离子（O2·）和羟基自由基（OH·）探针。J点和A点都不会产生II型活性氧（1O2），在808 nm下也不产生OH-·相比之下，DHR 123的增强的荧光证明了O2· 产生能力，并且J点表现出比A点高5.2倍的O2· 产生能力此外，在光照射下，J-聚集体也表现出比无定形聚集体高得多的光电流，证明了它们更强的电荷分离能力，促进与周围氧的电子转移以产生O2·。事实上，MTSIC J-点代表了在808 nm激光照射下很少报道的优异的I型光敏剂之一进行单体和J-二聚体的TD-DFT研究以阐明ROS产生增强的原因。，MTSIC二聚体具有更低的单重激发态（S1）和三重激发态（T1）能隙（Δ ES 1-T1）和显著更高的自旋轨道耦合（SOC）值超过其单体，表明J点的ISC过程更有效，因此ROS产生能力更好。还在808 nm激光照射下评价了J-dot和Jdots的光热转换能力Jdots在40 μg/mL的低MTSIC浓度下显示出优异的温度升高33.5°C，在照射10 min内达到64.7 °C，而A点仅达到36.8°C的平台温度，升高11.8°C热红外图像证实了在808 nm激光照射下J点的温度升高。J-dots还表现出浓度和功率依赖性光热效应制备MTSIC A点和J点的示意图。B）J点和A点的流体动力学尺寸，插图是TEM图像;比例尺=500 nm。c）J-点和A-点的吸收和d）PL光谱。e-f）在J-点，A-点，g）计算的MTSIC单体和J-二聚体的激发态能级，Sn代表单重激发态，Tn代表三重激发态。h）在808 nm激光照射下J点和A点的升温曲线i）在不同808 nm激光功率下J点的温度升高曲线j）在808 nm激光照射下J点的浓度依赖性温度升高曲线k）在重复加热-冷却循环期间J点和ICG的光热稳定性。计算得到J点的光热转换效率为40.67%，超过了商业ICG分子，并将J-点作为有前途的808 nm激光驱动光热剂。此外，J-点还表现出优异的光热稳定性，显著优于ICG J点和A点的光稳定性通过在808 nm激光照射下几乎不变的吸光度进一步验证，与ICG在相同条件下的快速分解相反总的来说，我们的发现表明，开发的MTSIC J点可以同时使吸收带红移，增加光捕获能力，放大荧光，增强ROS产生，并促进光热效应，这将为光疗带来很大的希望。
J-点的体外光疗
随后在细胞水平研究了 J-点的光诊疗性能。将 HeLa 细胞与 J-点孵育 24 小时后，使用 2,7-二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）探针检测细胞内 ROS 生成。无激光照射时，J-点组、A-点组和磷酸盐缓冲液（PBS）组均未显示明显绿色荧光。经 808 nm 激光照射后，J-点 + 激光组（L 表示 808 nm 激光照射）表现出显著的细胞内绿色荧光，而其他组均无荧光，证实 J-点在 808 nm 激光照射下具有更强的细胞内 ROS 生成能力。通过甲基噻唑基二苯基四唑溴化铵（MTT）法评估 808 nm 激光照射下的杀瘤效果。J-点和 A-点在黑暗条件下均表现出可忽略的细胞毒性，表明其优异的生物相容性。在 808 nm 激光照射下，J-点处理的细胞显示出显著的杀瘤效果，半抑制浓度（IC₅₀）值为 2.3 μg/mL。然而，A-点在 808 nm 激光照射下即使在 20 μg/mL 的高浓度下仍保持 80% 的细胞存活率，杀瘤能力较差。使用绿色荧光钙黄绿素-乙酰氧基甲基酯（AM）和红色荧光碘化丙啶（PI）进行的活 / 死细胞染色实验进一步显示，J-点 + 激光组中红色荧光显著增加（代表死细胞），而绿色荧光减少，与 A-点 + 激光组中大量绿色荧光活细胞形成鲜明对比，证明 J-点具有更好的光疗效果。流式细胞术分析显示，J-点 + 激光组中 95.74% 的细胞发生凋亡，其中 61.3% 为早期凋亡，31.44% 为晚期凋亡。这一结果与其他组的高存活细胞百分比共同证实了 J-点优异的光疗性能。
J-点的体内抗肿瘤光疗
通过将 4T1 肿瘤细胞接种到雌性 BALB/c 小鼠的右后腿，构建了荷瘤小鼠模型。当肿瘤体积达到约 90 mm³ 时，将小鼠随机分为 4 组（每组 n=5）：PBS 组、J-点组、PBS + 激光组（L 表示 808 nm 激光照射）和 J-点 + 激光组。J-点或 PBS 通过肿瘤内注射给药，部分组小鼠在注射后 2 小时接受 808 nm 激光照射。利用热成像相机记录肿瘤温度变化，J-点 + 激光组的肿瘤温度在 10 分钟内升至 60.2°C 并趋于稳定，而 PBS + 激光组的温度仅升高 1.9°。连续 16 天监测小鼠的肿瘤体积和体重。单独使用 J-点或激光照射的抑瘤效果有限，J-点组、PBS + 激光组与对照组（PBS 组）的肿瘤生长曲线基本一致。相比之下，J-点 + 激光组展现出显著的抗肿瘤效果，4/5 小鼠的肿瘤几乎完全消退。第 16 天提取的肿瘤重量也证实了 J-点的优越肿瘤清除能力。此外，所有组小鼠的体重在整个实验过程中均无显著变化，表明 J-点及治疗方案具有良好的生物安全性。通过苏木精-伊红（H&E）染色、Ki-67 染色和末端脱氧核苷酸转移酶 dUTP 缺口末端标记（TUNEL）染色进行组织学和免疫组化分析。H&E 染色显示，J-点 + 激光组的肿瘤细胞出现明显损伤、核皱缩和细胞腔扩大。Ki-67 染色图像显示，J-点 + 激光组的绿色荧光最弱，表明经 J-点和 808 nm 激光照射后，肿瘤细胞的增殖能力显著下降。同样，TUNEL 免疫荧光染色显示，J-点 + 激光组的细胞凋亡水平最高。
总结
我们开发了一种新颖的扭曲平面分子工程策略，并结合超声诱导 J-聚集策略，成功制备了供体-受体（D-A）型小分子 J-聚集体用于光疗。通过将螺旋桨状聚集诱导发光（AIE）基团作为扭曲单元，调节平面 π- 共轭长度以平衡分子的扭曲与平面几何结构，可有效调控其聚集行为。其中，具有最佳扭曲平面 π- 相互作用的 MTSIC 分子倾向于形成 J-聚集体，而缩短 π- 平面性会导致无定形聚集体，延长 π- 平面性则促进电荷转移耦合的 J-聚集体（CTJ-聚集体）形成。超声处理被证明是诱导 J-聚集的有效手段，该过程涉及从无定形聚集体到 H-聚集体中间体，最终形成稳定 J-聚集体的转变。通过优化超声诱导 J-聚集过程的关键参数，首次实现了同一分子（MTSIC）的三种不同稳定聚集态（无定形、H-和 J-聚集体）的可控制备。进一步通过 DSPE-PEG 2000 包封制备的 J-点（J-dots），相较于无定形聚集体纳米点（A-dots）展现出更优异的光物理性能：吸收带显著红移（从 620 nm 至 790 nm）、摩尔消光系数提升 1.6 倍、荧光强度增强 20.5 倍、活性氧（ROS）生成能力提高 6.9 倍，且在 808 nm 激光照射下光热转换效率达 40.67%。体外和体内实验均证实，J-点具有显著的抗肿瘤光疗效果，可高效诱导肿瘤细胞凋亡并抑制肿瘤生长，且对正常组织无明显毒性。
参考文献
Twisted-Planar Molecular Engineering with Sonication-Induced J-Aggregation To Design Near-Infrared J-Aggregates for Enhanced Phototherapy,Yubo Liu , Yuchen Song , Zhong-Hong Zhu, Chao Ji, Jianqing Li, Hanyu Jia, Yang Shi* ,Fang Hu,* Zujin Zhao, Dan Ding, Ben Zhong Tang, and Guangxue Feng*,Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202419428,http://doi.org/10.1002/anie.202419428
