内容摘要
作者报道了一种超分子萘二亚胺(NDI)阴离子，具有高效的NIR-II光热转化作用，用于大肠杆菌响应光热治疗。超分子自由基阴离子(NdI-2CB[7])·-是由大肠杆菌诱导中性络合物NdI-2CB通过主客体相互作用形成的，在水溶液中表现出惊人的近红外吸收和显著的光热转化能力。NIR-II吸收是由于NDI自由基阴离子在水溶液中自组装形成超分子二聚体自由基引起的，这一结果得到了理论预测光谱的支持。(ndi-2CB[7])·-具有优良的近红外光热抗菌活性(>99%)。这项工作为构建NIR-II光热剂和非接触性治疗细菌感染提供了一种新的方法。
结果与讨论
为了表征NDI-2CB[7]的结构，进行了核磁共振氢谱和等温滴定量热(ITC)实验。将NDI和CB[7]以1：2的摩尔比在水中混合，制备了主客体配合物NDI-2CB[7]。，在主客体络合物形成后，归因于烷基链和N-甲基的峰变钝并前移，表明烷基链和N-甲基被包裹在CB[7]的空腔内。相反，归属于萘二亚胺部分的峰向下场移动，这意味着它不被CB[7]包裹。用ITC定量表征了结合化学计量学和结合常数。ITC曲线在摩尔比2.0附近出现突变，表明NDI和CB[7]在溶液中形成主客体络合物，结合比为1：2。通过对ITC曲线的拟合，计算出每一步的结合常数为1.29×105 M-1，这与典型的烷基链与CB[7]之间的结合常数一致。因此，NDI和CB[7]可以形成1：2的高结合常数的主客体络合物。
为了探索NDI和NDI2CB[7]的氧化还原性质，首次用循环伏安法测定了它们的氧化还原电位。NDI的电化学还原呈现两步氧化还原过程，还原峰分别位于-340 mV和-598 mV(相对于Ag/AgCl电极)。与NDI相比，NDI-2CB[7]的两步还原电位正移至-228 mV和-552 mV。这一结果表明，与CB[7]结合后，NDI更容易被减少，这可能是由于CB[7]的入口静电效应所致。
为了确定两步还原产物的结构，用次亚硫酸钠(Na2S2O4)对NDI进行了化学还原，并用UV/Vis-NIR吸收光谱对还原过程进行了监测。当Na2S2O4溶液加入到脱氧的NDI溶液中时，溶液的颜色迅速从无色变为棕色。如UV/VIS-NIR吸收光谱(Na2S2O4的逐渐加入，NDI在363 nm和383 nm处的吸收峰显著降低，而在450 nm附近出现了一个强吸收峰，这是NDI自由基阴离子的典型吸收峰。令人惊讶的是，还出现了从1000到1400 nm的NIR-II吸收带。通过电子顺磁共振(EPR)对第一步还原产物进行了表征。检测到一个g因子为2.0037的强信号，证实了NDI自由基阴离子的形成。过量的Na2S2O4可以进一步降低NDI·-。随着Na2S2O4的加入，450 nm处的吸收峰和NIR-II吸收带都逐渐减小，在约400 nm和580 nm处形成了新的吸收峰。吸收光谱的变化表明，NDI·-进一步被化学还原为NDI2-。此外，当NDI·-或NDI2-溶液暴露在空气中时，所有新的吸收峰逐渐消失，最终完全恢复到NDI的原始吸收光谱，表明NDI的还原是一个可逆的过程。由此可以得出结论：在水溶液中，Na2S2O4可以化学还原NDI，第一步还原产物NDI·-表现出近红外吸收。
(NdI-2CB[7]) ·-在1104 nm处的摩尔吸光系数达5.52×103 L mol-1 cm-1，比NDI·-的摩尔吸光系数高83%。因此，(NdI-2CB[7]) ·-在水溶液中具有较强的近红外吸收。
我们推测NDI可能由于疏水作用在水中聚集或自组装，导致NIR-II的异常吸收。为了验证这一猜测，二甲基亚砜被用作良好的溶剂来抑制(NDI-2CB[7]) ·-的自组装。随着DMSO含量的增加，近红外吸收逐渐降低。在DMSO：H2O=8：2(v/v)的混合溶剂中，1104 nm处的吸收几乎完全消失。而NDI自由基阴离子在450 nm处的典型吸收峰红移且略有增强，表明NDI自由基阴离子没有被降解或猝灭。因此，NIR-II的吸收可能是由于NDI阴离子在水溶液中的自组装造成的。
为了进一步揭示NIR-II吸收异常的机制，我们通过量子理论计算探讨了NIR-II区吸收光谱中可能的化学物种和相应的电子跃迁。显示了在TDDFT Soap/DZP水平上模拟的NDI、NDI·-、NDI2-和[2NDI]·-的UV/VIS-NIR光谱。在这些物种中，只有二聚体自由基[2NDI]·-有近红外吸收。自然跃迁轨道分析表明，主要的跃迁α-SOMO→α-LUMO是π→π*类型的，占近红外-II吸收带(λmax=1137 nm)。对于NDI二聚体自由基，二聚的驱动力包括两个萘环之间的π-π堆积和四个弱氢键(C-H···O)。此外，使用TGMIN编码对NDI-2CB[7]形成的二聚体自由基的构象搜索表明，在(NDI-2CB[7])2·-的蝶形构型中，两个萘环之间有更稳定的π-π堆积，其中NDI自由基阴离子与CB[7]的络合稳定了具有显著较大结合能的NDI自由基阴离子，并防止了NDI自由基阴离子与其他自由基的猝灭，从而导致了与NDI自由基阴离子相比，增强的NIR-II吸收。因此，理论结果证实了NIR-II吸收是由NDI阴离子在水溶液中自组装形成超分子二聚体自由基所带来的。
由于(NdI-2CB[7])·-具有较强的近红外吸收，我们想知道它是否具有近红外光热转化的能力。测试了(NdI-2CB[7])·-在波长为1064 nm、激光功率密度为2.0 W cm-2的条件下的光热转换性能。通断开关照射下的加热和冷却曲线。0.20 mm的(NdI-2CB[7])·-水溶液在10min内升温40℃以上。相比之下，在相同的辐照条件下，NDI-2CB[7]和磷酸盐缓冲盐水的温度变化很小。计算出(NdI-2CB[7])·-的光热转换效率(NdI-2CB[7])约为66.9%，这对于近红外光热治疗来说是足够高的效率。此外，我们还进行了多次光致加热-降温实验来研究(NdI-2CB[7])·-的光热稳定性。经过多次加热循环后，(NdI-2CB[7])·-溶液在照射下仍可显著升高温度，而不会出现明显的光漂白或分解。此外，吸收光谱没有表现出明显的衰减，表明(NdI-2CB[7])·-在辐照下的加热-冷却循环后保持相对稳定。因此，(NdI-2CB[7])·-具有优异的光热转换效率和良好的光热稳定性，是一种很有前途的近红外光热治疗试剂。
众所周知，一些细菌具有显著的还原能力，因为原核生物的呼吸涉及电子转移到细胞外产生跨膜氧化还原电位。我们想知道NDI-2CB[7]是否可以被细菌还原，从而实现细菌响应的光热治疗。为了回答这个问题，使用了具有还原能力的具有代表性的兼性厌氧菌--大肠杆菌。含有NDI-2CB[7]的培养基经37℃低氧培养12小时后，颜色由无色变为淡棕色，与化学还原后的(NDI-2CB[7])·-溶液的颜色相似。同时用UV/Vis-NIR吸收光谱记录了大肠杆菌的还原过程。UV/Vis-NIR吸收光谱表明，萘二亚胺发色团在363 nm和383 nm处的吸收峰逐渐减小，而(NDI-2CB[7])·-在450 nm和1000-1400 nm处的特征吸收峰出现并逐渐增加，表明NDI-2CB[7]被大肠杆菌还原为(NDI-2CB[7])·-。电子顺磁共振证实了(NDI2CB[7])·-的形成。在含有NDI-2CB[7]和大肠杆菌的抗磁试管中的培养基有很强的EPR信号，g因子为2.0037。上述细菌还原实验表明，大肠杆菌能有效还原NDI-2CB[7]生成(NDI-2CB[7])·-。
基于大肠杆菌原位产生的(NDI-2CB[7])·-及其优异的近红外光热转化特性，我们进一步评价了大肠杆菌响应性近红外光热疗法的抗菌活性。首先，将大肠杆菌与NDI-2CB[7]共培养24小时，以确保完全还原，然后进行NIR-II光热抗菌实验。在1064nm NIR-II照射下，含有(NDI-2CB[7])·-和大肠杆菌的培养基温度在15分钟内从33.7°C显著上升到54.5°C，超过了蛋白质变性的临界温度。相比之下，在相同的照射条件下，含有不含NDI2CB[7]的大肠杆菌的对照组只显示出轻微的温度上升。通过平板包衣实验测定其定量抑菌活性。经1064nm光照射15min后，(NDI-2CB[7])·-对大肠杆菌的抑制率可达99%以上。此外，为了体现NIR-II激发的优势，还进行了辐照穿透4 mm厚的猪里脊肉的光热抗菌实验。照射15min后，即使存在较厚的肌肉组织屏障，抑制率仍高达98.4%。这一结果表明，大肠杆菌响应型NIR-II光热疗法具有良好的组织穿透性。因此，NDI-2CB[7]对NIR-II光热处理的大肠杆菌具有显著的抑菌活性。
为了探索NDI-2CB[7]作为生物材料的潜在应用，研究了NDI-2CB[7]对人细胞的细胞毒性。当NDI-2CB[7]处理大肠正常细胞株NCM460时，即使在相对较高的0.40 mM浓度下，细胞存活率也在90%左右，而NDI本身在相同条件下也表现出相当大的细胞毒性。其原因可能是CB[7]将疏水链带上正电荷，阻碍了细胞膜的破坏。因此，NDI-2CB[7]表现出良好的生物相容性，使其成为一种潜在的安全的NIR-II光热抗菌剂。
结论
我们构建了一种超分子NDI阴离子，具有高效的NIR-II光热转化能力，可用于大肠杆菌响应性光热治疗。超分子自由基阴离子(NDI-2CB[7])·-表现出较强的近红外吸收和显著的光热转化能力，这归因于NDI阴离子在水溶液中的自组装。此外，NDI-2CB[7]可以被大肠杆菌原位还原生成(NDI-2CB[7])·-，从而获得了具有良好活性(>99%)和良好生物相容性的细菌响应性近红外光热疗法。这条研究路线为构建基于没有大π共轭结构的芳香族染料的NIR-II光热剂开辟了一条新的途径，并为细菌感染的非接触性治疗提供了一种简便的方法。
参考文献
A Supramolecular Naphthalene Diimide Radical Anion with Efficient NIR-II Photothermal Conversion for E. coli-Responsive Photothermal Therapy. Hao Hu , Yang-Yang Zhang , He Ma, Yuchong Yang, Shan Mei, Jun Li, Jiang-Fei Xu,* and Xi Zhang. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202308513. https://doi.org/10.1002/anie.202308513
