内容提要
方酸菁染料以其具有缺电子中心四元环的两性离子结构而闻名，在光热诊疗领域极具吸引力。这些染料可通过缩合反应轻松合成，并具有出色的光学性能，如在可见光到近红外（NIR）区域有强烈的吸收和发射、较高的荧光量子产率以及卓越的光稳定性，这使得它们成为光热诊疗的理想选择。本综述概述了方酸菁染料的主要合成策略和光物理性质，接着讨论了其在生物成像、光动力疗法（PDT）和光热疗法（PTT）中的最新应用。
对称方酸菁染料
合成对称方酸菁染料时，通常以方酸作为受体，亲核试剂如吡咯、酚类以及活化的亚甲基杂环等则作为供体。该反应一般在芳烃与高沸点醇的混合溶液中进行，比如苯或者毒性较低的甲苯，这种混合溶液能够通过共沸除去唯一的副产物水，从而显著提高反应产率。通常情况下，方酸先被醇活化，然后被富电子的前体进攻，生成半方酸酯。在受到亲核试剂的再次进攻后，对位的醇或酸发生消除反应，进而生成对称方酸菁染料。由于方酸菁染料具有平面疏水结构，在极性溶液中易发生聚集，导致荧光猝灭，因此通常将其包裹在胶束或脂质体中，以防止亲核进攻和聚集现象的发生。
不对称方酸菁染料
与对称方酸菁染料相比，不对称方酸菁染料的合成通常从方酸衍生物开始，如方酸酯和方酸二氯，且该合成路线相对复杂。不对称方酸菁染料的合成主要涉及半方酸的形成，以及半方酸与富电子芳香化合物或杂环之间的缩合反应。在半方酸的形成阶段，方酸酯或方酸二氯与等比例的亲核试剂缩合，形成半方酸酯或半方酸氯。经过碱或酸处理得到半方酸后，另一种亲核试剂与半方酸缩合，生成不对称方酸菁染料。2015 年提出了一种微波辅助快速合成不对称方酸菁染料的方法，该方法反应时间短且产率有所提高。不对称方酸菁染料通常具有供体 - 受体 - 供体（D-A-D）分子结构，比对称方酸菁染料具有更显著的分子内电荷转移（ICT）特性，这导致其吸收 / 发射带发生红移，且摩尔消光系数更高。杂环部分或末端芳香单元的供电子能力决定了不对称方酸菁染料的吸收波长。然而，对称方酸菁染料通常具有较窄的吸收 / 发射光谱，有着明显且精确的吸收峰。这一特性赋予了其在光吸收方面较高的选择性，确保在目标波长处具有出色的效率。由于结构不对称，不对称方酸菁染料的分子间相互作用往往较弱，在有机溶剂中的溶解性更好，使其适用于更广泛的溶剂体系。
核心取代方酸菁染料
制备核心取代的方酸菁染料主要有三种途径。氨基方酸菁是一种方酸菁染料，其中心环上的一个氧原子被氨基取代。氨基方酸菁是在最终方酸菁分子的形成阶段合成的，在方酸核心上引入烷基氨基进行功能化修饰。第二种方法是对半方酸的方酸核心上的电子受体进行功能化修饰。受体取代的半方酸比方酸的亲电性更强，因此它能轻易地与另一种亲核试剂发生强烈的缩合反应，这有利于不对称核心取代方酸菁染料的合成。此外，辅助受体官能团可以引入方酸酯中，形成核心取代的半方酸菁，最后与亲核试剂缩合得到核心取代的方酸菁染料。由于具有很强的电子亲和性，二氰基亚甲基是最具通用性的受体基团，它使得方酸菁骨架对各种亲核亚甲基结构单元的反应活性比其他方酸衍生物更高。此外，引入二氰基亚甲基会导致吸收带发生显著的红移，因为它会使中心方酸部分锁定为顺式构型。
光热诊疗中的应用
方酸菁染料常通过修饰官能团来构建诊疗纳米平台，凭借其出色的光物理性质，在肿瘤光热诊疗领域展现出广泛的应用前景。方酸菁染料被广泛用于构建生物医学成像的荧光团，涵盖光声成像（PAI）和荧光成像（FLI）。理论上，在传统近红外窗口（700 - 900nm）之外的扩展光谱范围内进行成像，能够提供更高的分辨率，并增强对深层组织的穿透深度。方酸菁染料还分别得益于高效的振动弛豫或促进的系间窜越，被应用于光热疗法（PTT）和光动力疗法（PDT）。
荧光成像和光声成像的方酸菁染料
多路复用生物成像在报告基因相关的生物发光成像发展中起着不可或缺的作用，这需要具有更广泛波长范围的荧光染料，以便在多个器官、组织和生物标志物中进行多通道监测。人们开发了一系列具有不同外围官能团的近红外方酸菁染料，它们具有不同的吸收和发射带，用于体内多路复用 FLI。具体来说，将聚乙二醇（PEG）与 SQ672 结合，磺酸基团与 SQ939 结合，分别形成自组装的 SQ710 - 5k 和 H 聚集体 SQ905。然后，使用无光谱串扰的水溶性 SQ710 - 5k 和 SQ905 来识别肿瘤和淋巴结。通过硅（Si）和铟镓砷（InGaAs）相机分别捕获近红外 I 区和近红外 II 区的荧光，小鼠体内的肿瘤和淋巴结分别呈现绿色和红色荧光，对应于染料 SQ710 - 5k 和 SQ905。此外，以 BALB/c 小鼠为模型，可以捕获来自标记有各种荧光团（包括 SQ672、SQ905、mCherry、miRFP718、荧光素酶和绿色荧光蛋白（GFP））的 MM - 231 细胞在五个不同位点的荧光信号，且没有任何信号干扰。这种方法可用于研究疾病发展过程中各个器官之间的相互作用。体内高灵敏度的近单细胞成像对于阐明肿瘤迁移和转移机制至关重要。基于近红外 II 区方酸菁染料 SQ964，通过将 SQ964 非共价封装到 DNA 框架内的疏水纳米腔中制备了荧光 DNA 框架（FDF）点。FDF 点的发射波长与 SQ964 几乎相同，这表明 DNA 框架几乎不影响 SQ964 的荧光特性。FDF 点具有出色的光稳定性、高稳定性以及在近红外 II 窗口的尾发射，能够实现约 1 厘米的深层组织穿透。在 808nm 激光照射下，在小鼠注射部位周围观察到明显的荧光，仅注射约 40 个标记细胞就能产生可见的近红外 II 区斑点，突出了体内 FLI 的高灵敏度。植入的肿瘤细胞发出的荧光信号可观察到持续超过 11 天。
光热治疗的方酸菁染料
光热治疗（PTT）凭借其无创性和恢复时间短的内在优势，利用光热剂将吸收的光能转化为热能，从而消融实体肿瘤 。与光动力治疗相比，PTT 的治疗效果受肿瘤缺氧微环境的限制较小，其疗效主要受光热剂的光热转换效率（PCE）、浓度和消光系数等因素影响。方酸菁染料是具有扩展 π 共轭结构和强烈近红外吸收的功能分子，已被广泛用作 PTT 的光热剂。诸如愈创蓝油烃之类的薁衍生物，通常具有违反卡莎规则和弱荧光发射的特点，能够显著促进光子吸收，并有助于将光子能量转化为热能 。鉴于薁衍生物增强的非辐射特性，设计了两种含有愈创蓝油烃单元和 D - A - D 分子骨架的方酸菁染料 Az - SQ1 和 Az - SQ2，用于光声成像引导的 PTT（图 2A）。由于在周边位置引入了愈创蓝油烃单元，Az - SQ1 和 Az - SQ2 在有机溶剂和水分散液中几乎没有荧光。此外，嵌入额外吡咯单元的 Az - SQ2 表现出极高的摩尔消光系数（ε780nm），约3.0×105M−1cm−1 ，几乎是其对应物 Az - SQ1 的三倍。在 808nm 光照下，Az - SQ1 纳米颗粒和 Az - SQ2 纳米颗粒的光热转换效率分别达到了 47.3% 和 53.2%，并且展现出优异的光热稳定性，荧光漂白现象极小。此外，Az - SQ2 纳米颗粒在注射后 8 小时显示出最大的光声信号强度，约为背景信号的 15.1 倍，并且在光照下比 Az - SQ1 纳米颗粒表现出更有效的肿瘤抑制效果。构建 D - A - D 结构是一种典型的分子工程策略，通过精细调节分子带隙，使吸收和发射向近红外区域红移，这有利于构建用于 PTT 的近红外 II 区荧光团 。利用 D - A - D 分子工程策略，开发了具有 D - A - D 骨架的两亲性含方酸菁聚合物 PSQP，用于近红外 II 区荧光成像引导的近红外 II 区 PTT。纳米颗粒 PSQP NPs 在 1064nm 处具有显著的光吸收，最大发射峰位于 1290nm，从而产生极高的荧光成像信号与背景比（SBR）。在 1064nm 连续照射下，PSQP NPs 表现出优异的光热稳定性和 33.4% 的良好光热转换效率。此外，由于进行了生物正交标记修饰以增强肿瘤靶向性能，PSQP NPs 在活体小鼠模型中的近红外 II 区荧光成像质量和近红外 II 区 PTT 疗效都得到了显著提升。
光动力治疗的方酸菁染料
提高单线态氧（1O2）量子产率是提升光动力疗法（PDT）整体效率的关键因素。与靶向基团或化疗药物偶联的功能性荧光染料，也成为了推动光疗发展的有效策略。为了优化光动力疗法的疗效，以精氨酸 - 甘氨酸 - 天冬氨酸（RGD）肽作为靶向部分，喜树碱（CPT）作为抗癌药物，通过对 ICy5 染料进行共价功能化修饰，开发出了基于方酸菁的纳米药物 PTN。由于基于方酸菁的染料具有相当高的聚集程度，PTN 表现出显著的 26.2% 的单线态氧（1O2）量子产率，比前体 ICy5-CPT-RGD 高出 10 倍，显示出聚集增强的光动力治疗效果。在氧气（O2）的触发下，纳米药物 PTN 的尺寸急剧减小，以便于深入渗透到肿瘤组织中，并在肿瘤部位长时间停留，促使后续化疗药物 CPT 释放，从而增强了对肿瘤的靶向治疗效果。经过 20 天的治疗后，在 660 纳米光照下接受 PTN 治疗的荷 BEL-7402 肿瘤小鼠表现出高达 77.5% 的肿瘤抑制效率，验证了一种用于联合化疗和光动力疗法的实用纳米工程策略。纤连蛋白水平升高是三阴性乳腺癌（TNBC）的一个生物标志物，它与肿瘤侵袭性和转移潜力的增加密切相关，并且可以用 CREKA 肽进行特异性靶向。组织蛋白酶 B（CTSB）是一种溶酶体蛋白酶，在三阴性乳腺癌中活性增强，有助于肿瘤的侵袭和转移，它能够识别并切割肽序列甘氨酸 - 苯丙氨酸 - 亮氨酸 - 甘氨酸（GFLG）。基于超小超顺磁性氧化铁（USPIO）以及经 CREKA 肽修饰的方酸菁 Pep-SQ，设计出了可被 CTSB 激活的纳米探针 Pep-SQ@USPIO，用于三阴性乳腺癌的多模态成像引导的光动力治疗（PDT）。静脉注射后，由于 CREKA 配体的主动靶向能力，纳米探针 Pep-SQ@USPIO 在三阴性乳腺癌部位富集。这种在体内的积累情况可以借助作为磁共振成像（MRI）造影剂的 USPIO 来追踪。与此同时，GFLG 肽被组织蛋白酶 B 切割，从而释放出方酸菁 Pep-SQ，恢复了强烈的近红外 I 区（NIR-I）荧光，并产生大量的活性氧（ROS），以实现高效的光动力治疗。这种新型的靶向纤连蛋白且可被 CTSB 激活的纳米探针设计实现了近红外荧光成像（NIR FLI）的开启以及磁共振成像引导的光动力治疗，为三阴性乳腺癌的靶向治疗提供了一种开创性的方法。
光热治疗（PTT）和光动力治疗（PDT）协同治疗的方酸菁染料
为了提高治疗效果，光热治疗（PTT）与光动力治疗（PDT）的协同联合疗法已成为一个关键的研究领域。此外，这种联合疗法常常与化疗相结合，形成一种全面的三合一治疗策略，旨在提高治疗效果的同时，将对健康组织的不良影响降至最低。联合治疗已被广泛研究和应用，以提高治疗效果，特别是将小分子化疗药物与染料相结合的方式。考虑到胰腺癌化疗存在的耐药性和特定副作用，设计了多功能的 SQ33 纳米颗粒，用于化疗与光热治疗的协同治疗，其中 SQ33 作为光热剂，吉西他滨（GEM）作为化疗药物，POSS-SH（八巯基多面体低聚倍半硅氧烷）作为药物载体。由于引入了 POSS-SH 来抑制 SQ33 的分子聚集，SQ33 纳米颗粒表现出强烈的吸收性和增强的荧光性。在 808 纳米激光照射下，SQ33 纳米颗粒的光热转换效率（PCE）高达 49.5%，能够迅速升温至 60.7 摄氏度，大大超过了仅含 SQ33 的溶液的升温效果。此外，体内研究表明，SQ33 纳米颗粒引发的光热效应可以增加肿瘤细胞对化疗药物吉西他滨的摄取，并增强化疗效果，通过化疗与光热治疗的协同作用，显著抑制了 PANC-1 肿瘤小鼠模型的肿瘤生长。硒（Se）是硫族元素中的一种半金属元素，与硫（S）相比，具有不同的原子半径和特殊的电负性。因此，通过用两亲性的PEG114−b−PCL60进行包裹，开发出了含硒的方酸菁衍生的 SQ34 纳米颗粒，用于光声成像（PAI）引导的光热治疗 / 光动力治疗协同疗法（。硒的引入促进了分子内电荷转移（ICT）效应，使得 SQ34 的近红外吸收显著增强，从而使 SQ34 纳米颗粒在 700 至 900 纳米范围内表现出明显的吸收性。在 808 纳米激光照射下，SQ34 纳米颗粒表现出高达 66.6% 的出色光热转换效率，且具有优异的光稳定性。此外，以吲哚菁绿（ICG）为标准计算，SQ34 纳米颗粒的单线态氧（1O2）量子产率约为 0.03。而且，通过检测光声信号发现，SQ34 纳米颗粒能够在肿瘤区域积聚，并在注射后 8 至 12 小时内达到最大富集量。
总结
这篇综述总结了方酸菁染料在制备以及光热诊疗应用方面的最新进展。方酸菁染料具有合成简便、化学结构可调控以及优异的光学性能等特点，在生物成像和光疗领域备受关注。由于其分子设计具有显著的灵活性，尤其是对方酸菁核心结构的修饰，这些染料在 II 型光动力治疗（PDT）中表现出色，具有较高的单线态氧量子产率，在临床应用方面展现出巨大的潜力。然而，要推动其实际应用，仍面临一些挑战。
首先，要开发具有近红外 II 区（NIR-II）荧光发射的方酸菁染料。大多数用于光声成像（PAI）和荧光成像（FLI）的方酸菁染料局限于近红外 I 区（NIR-I）窗口，这限制了它们的组织穿透能力和成像分辨率。为了实现更出色的成像性能和更深的组织穿透效果，设计能够使荧光发射红移至近红外 II 区窗口的分子至关重要。一种很有前景的方法是开发不对称的方酸菁染料，与对称的方酸菁染料相比，它们表现出更强的分子内电荷转移（ICT）效应。此外，扩展 π 共轭体系可以拓展近红外吸收范围，而通过供体 - 受体 - 供体（D-A-D）分子工程提高光热转换效率则是另一种可行的策略。其次，要改善方酸菁染料的光物理性质和水溶性。聚集诱导猝灭（ACQ）在生物成像应用中是一个重大挑战，因为它会损害染料的光学性能。克服聚集诱导猝灭的策略包括调节分子间相互作用、设计具有聚集诱导发光（AIE）性质的染料，以及将染料与蛋白质或其他稳定剂进行共组装。此外，方酸菁染料倾向于以各种形式聚集，这使得对其光学性质的调控变得复杂，因此精确调节它们的聚集状态以实现最佳的光物理性能至关重要。第三，要开发基于方酸菁的 I 型光敏剂。虽然大多数基于方酸菁的光敏剂通过 II 型光动力治疗（PDT）来消融肿瘤细胞，但其疗效受到肿瘤缺氧微环境的限制，这会减少单线态氧（1O2）的产生。相比之下，I 型光动力治疗会产生超氧阴离子和羟基自由基等活性氧（ROS），能够在低氧条件下有效发挥作用，为提高治疗效果提供了一条途径。
参考文献
Squaraine-based NIR dyes for phototheranostics，Anqing Mei , Xiaoyu He , Dan Lei , Leichen Wang , Weili Wang , Jinjun Shao **, Qian Shen **, Feng Jiang **, Xiaochen Dong *，Coord.Chem.Rev.527 (2025) 216419，https://doi.org/10.1016/j.ccr.2024.216419
