内容摘要
与无机材料相比，有机光热剂具有良好的生物相容性，近年来在生物医学领域的设计和应用方面取得了广泛的进展。有机光热剂进一步发展和应用的一个主要障碍是第二近红外(NIR-II)窗口的高性能材料的稀缺性，该窗口允许深层组织渗透，并使副作用最小化。迄今为止，NIR-II活性光热剂的报道较少，其光热转换效率相对较低。在此基础上，π共轭小分子从第一个近红外窗口到NIR-II窗口的光吸收是通过取代单个原子的分子手术精确调控的。利用该技术，首次展示了吸收峰超过1000 nm的共轭低聚物(IR-SS)，其纳米粒子在1064 nm激发下实现了77%的创纪录高光热转换效率。纳米颗粒具有良好的光声响应、光热治疗效果和体内外生物相容性。这项工作开发了一种策略，以提高癌症治疗的NIR-II窗口的光收集效率，为推进NIR-II光热剂的设计和应用提供了重要的一步。
结果与表征
以扭曲芴为给体单元，噻吩为分子内电子桥，合成了D -π-A -π-D共轭小分子。为了获得较低的能隙，引入强受体苯并[1,2-c:4,5-c ']二([1,2,5]噻二唑)(BBT)构建了NIR吸收化合物(IR-TT)。合成路线、NMR和高分辨率质谱如图所示。IR-TT分子在830 nm处有很好的NIR-I吸收峰。为了进一步红移吸收，作者进一步将BBT单元中的硫(S)原子替换为更重的硒(Se)原子。随着一个和两个S原子的取代，IR-TS和IR-SS的吸收峰分别移至930 nm和1060 nm。减小的能隙与理论计算的前沿分子轨道能级非常吻合。此外，BBT-噻吩与芴的二面角明显升高，表明Se-BBT非常有利于共轭主链扭转。
采用一种流行的纳米沉淀法将这三个分子组装成纳米颗粒(NPs)，其中利用两亲性共聚物DSPE-PEG2000作为涂层基质，以增强稳定性和延长血液循环，包封率为88%。NPs的代表性透射电镜(TEM)图像如图所示。所有NPs均呈均匀的球形，动态光散射(DLS)测量的平均水动力直径约为100 nm，这表明NPs具有通过渗透性和保留(EPR)效应进行肿瘤积累的被动靶能力。值得注意的是，贮存3个月后，NPs的大小几乎没有变化，在不同的介质(纯水、PBS、DMEM、FBS)中具有良好的分散性，表明其稳定性高。IR-TT、IR-TS和IR-SS NPs水溶液的吸收光谱显示，与溶液状态相比，它们的吸收峰分别红移至830、975和1120 nm。然后，作者利用红外摄像机研究了NPs的水分散体(100µg mL−1)的NIR-II光热转换能力。在1064 nm激光照射(1 W cm−2)下，所有NPs的温度呈现出快速上升的曲线。辐照5min后，IR-TT、IR-TS、IR-SS NP水分散体的温度分别达到47.8℃、64.0℃和69.1℃。对应的红外图像如图所示。在IR-SS NPs色散中观测到的最大温度升高归因于其在1060 nm处的吸收峰，该吸收峰最接近激发波长。如预期的那样，在1064 nm激光照射下，IR-SS NPs在温度曲线上表现出明显的浓度依赖性增加。此外，还观察到与激光功率密度相关的温度升高。令人鼓舞的是，经过5次激光开关加热循环后，IR-SS NPs的光热特性没有可见变化。5次激光开关循环后，IR-SS纳米粒子的吸收光谱和尺寸变化很小，进一步证实了纳米粒子的光热稳定性,根据报道的方法，IR-TT、IR-TS和IT-SS NPs的光热转换效率(PCE)分别约为61%、73%和77%。三种NPs的光热性能与最近报道的NIR-II PTT试剂进行了比较。值得指出的是，这三种类型的NPs是第一个小分子PTT药物具有高NIR-II反应的报道。事实上，据作者所知，之前没有任何有机PTT小分子的吸收峰超过1000 nm的报道。IR-SS NPs在1060 nm处的吸收峰与NIR-II窗口中1064 nm处的水的最小吸收峰非常吻合。
在体外光热性能方面，作者评估了NIR-II光照射下的肿瘤细胞消融。在不辐照的情况下，用不同浓度的IR-SS NPs处理人肺癌(A549)细胞，即使在50µg mL−1的高浓度下，对细胞存活的影响也可以忽略不计，表明IR-SS NPs具有良好的生物安全性。然而，在NIR-II光照射下，IR-SS NPs处理的A549细胞表现出明显的光热诱导杀伤作用，且呈剂量依赖性。值得注意的是，在50µg mL−1的IR-SS NPs浓度下，1064 nm激光照射(1 W cm−2)5分钟后，几乎95%的细胞被杀死。在小鼠乳腺癌(4T1)细胞中进一步证实了光消融效应。此外，作者采用活细胞/死细胞染色，利用共聚焦激光扫描显微镜观察IR-SS NPs的体外杀伤效果。IR-SS NPs处理后的A549细胞在1064 nm的照射下呈现出完整的红色荧光图，说明细胞被完全光蚀。相比之下，两种激光单独照射组均不能杀死癌细胞，这验证了IR-SS NPs在黑暗环境下的生物安全性以及在NIR-II照射下的高PTT效能。
如前所述，IR-SS NP在1064 nm附近有一个吸收峰与水的吸收谷非常匹配。因此，预计IR-SS NP和NIR-II激发能够在生物组织深处很好地工作。为了证实这一点，采用IR-SS NP作为探针进行了光声成像实验。1064辐照下，IR-SS NPs的水分散PA信号随纳米颗粒浓度呈线性增加。然后将IR-SS NP (100 mg mL−1)的水分散液填充到内径0.3 mm的毛细管中。然后将毛细管浸泡在低于水面1厘米处的室温水浴中。显示了不同波长、强度为10 mJ cm−2的激光激励下毛细管的PA图像。提取的PA信号的最高强度作为激励波长的函数如图所示。正如预期的那样，在1064 nm激发下的PA图像对比度最好，信号最高，因为激发波长与纳米颗粒吸收匹配最好。为测量PA成像穿透深度的实验装置。将一块鸡胸肉放在PA成像系统下。然后分别用808或1064 nm的激光从左右两侧照射鸡胸肉，从样品顶部采集PA信号。将填满NP的毛细血管置于鸡胸组织下不同深度处拍摄PA图像。PA图像(红色)与超声图像(黑白)叠加。显示了不同厚度鸡胸组织下的毛细管PA强度，显示了IR-SS NPs在NIR-II PA性能上的优势。作者还对在尾静脉注射分散在PBS(100µL, 1 mg mL−1)中的IR-SS NPs的肿瘤移植小鼠进行了体内PA成像。 PA信号从肿瘤增加最大12 h接受然后降低24小时后回到背景水平。这些结果表明,IR-SS NPs拥有良好的肿瘤EPR的性能,因为它们的大小合适的效果。
作者进一步探讨了IR-SS NPs在肿瘤移植小鼠体内的光热治疗能力。当肿瘤达到约80 mm3大小时，将肿瘤移植小鼠静脉注射PBS缓冲液(10 mg kg−1)中的IR-SS NPs。注射后12小时，给予小鼠1064 nm激光照射(1 W cm−2)麻醉。激光治疗5 min后，肿瘤处温度从≈34°C迅速上升到≈63°C，说明光化学IR-SS NPs的高温远远超过了肿瘤热疗的要求。与此相反，PBS处理小鼠在1064 nm激光照射下5 min的温度仅略有升高。在体内，进一步研究了IR-SS纳米粒子的光热治疗性能。肿瘤大小达到约80mm3后，将荷瘤小鼠分为4组(PBS组、仅NPs组、仅激光组、NPs +激光组)。注射IR-SS NPs后12 h, 1064nm激光照射5min。肿瘤在PBS组、仅激光组和仅NPs组的生长速度相似。然而，NPs +激光组小鼠在治疗后的14天内几乎完全抑制了肿瘤进展，没有出现任何肿瘤复发。作者还通过苏木精和伊红(H&E)染色分析肿瘤活检和TUNEL检测肿瘤凋亡。结果表明，IR-SS NPs的光热效应可有效触发肿瘤细胞凋亡，而其他处理均无影响。这些结果证实了肿瘤定位的IR-SS NPs具有较高的PTT疗效。接下来，作者研究了IR-SS NPs在注射24 h后的生物安全性。在整个治疗期间，包括给予NPs和激光照射在内的这些治疗对移植瘤小鼠的体重分布没有影响，表明具有良好的生物安全性。此外，通过标准H&E染色检测了移植瘤小鼠的心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏等器官的组织学变化。各器官经不同处理后组织形态正常，无明显变异。然后，作者也使用血液学标记和分析来研究体内对主要器官的副作用。主要血液学指标如红细胞(RBC)、血红蛋白(HGB)、平均血红蛋白浓度(MCHC)、红细胞压积(HCT)、平均血红蛋白浓度(MCH)、平均红细胞体积(MCV)等，，这些结果发现IR-SS NPs对治疗小鼠的感染和炎症情况没有明显影响。并对主要包括天冬氨酸转氨酶(AST)、谷丙转氨酶(ALT)、肌酸激酶(CK)和血总尿素氮(BUN)在内的血液生化指标进行分析。结果表明，IR-SS NPs加1064 nm激光照射对小鼠血液生化指标及肝肾功能无显著影响。以上结果清楚地证明了IR-SS NPs具有较高的生物安全性。
结论
综上所述，作者通过一种分子外科方法，在原子水平上精确地修改了一个小分子，使其从NIR-I区到NIR-II区光吸收调谐。得到的IR-SS分子在1060处有一个吸收峰，其纳米粒子的光热能量转换效率高达77%。IR-SS NP在1064 nm辐照下具有良好的光声信号和组织穿透深度。体外和体内实验都证实了IR-SS NP具有较高的PTT有效性和生物安全性，在NIR-II窗口的高分辨率PA成像为在精确的成像指导下观察肿瘤靶向光治疗性能提供了强有力的工具。据作者所知，这是第一个有机PTT小分子吸收峰超过1000 nm的报道，从而为NIR-II纳米医学的发展迈出了重要的一步。
参考文献
Rational Design of Conjugated Small Molecules for Superior Photothermal Theranostics in the NIR-II Biowindow. Li, S., Deng, Q., Zhang, Y., Li, X., Wen, G., Cui, X., Wan, Y., Huang, Y., Chen, J., Liu, Z., Wang, L., Lee, C.-S. Adv. Mater. 2020, 32, 2001146. https://doi.org/10.1002/adma.202001146
