本文要点：近红外二区（NIR-II）发射和光热效应之间的矛盾限制了光疗诊断剂（PTAs）在许多新兴前沿应用中的发展。通过操纵分子结构和堆积，有机聚集体为平衡竞争弛豫过程提供了机会。本文提出了侧链苯基异构化诱导的空间共轭策略，用于构建A-D-A型NIR-II PTAs，同时增强荧光亮度和光热性能。设计并合成了三对互变异构的荧光团，它们的苯基分别位于侧链的外部（o系列）和内部（i系列）。o系列晶体的苯基与侧链上的苯基和骨架之间形成了强的空间共轭，以及相互锁定的平面网络，这与i系列观察到的情况不同。因此，所有o系列纳米颗粒（NPs）都表现出红移吸收、增强的NIR-II发射和优于i系列的光热性能。o系列的o-ITNP NPs在NIR-II血管造影、肿瘤定位和NIR-II成像引导的肿瘤光热疗法中表现出良好的效果。侧链苯基异构化策略的成功为精确控制聚集体行为和进一步开发高效的NIR-II PTAs铺平了道路。

方案1. 用于构建高效光疗诊断剂的典型分子侧链工程

有机聚集体因其在生物医学光诊断和光疗中的潜力而受到关注，尤其是在NIR-II窗口（1000-1700 nm）中。传统的A-D-A型NIR-II有机光疗诊断剂（OPTAs）通常具有低发射量子产率（QY < 1%），这是由于聚集引起的猝灭（ACQ）效应。本研究旨在通过侧链苯基异构化策略，同时增强荧光亮度和光热性能。设计并合成了六种A-D-A型荧光团（o-ITNP, i-ITNP, o-ITCT, i-ITCT, o-IDTCT, 和 i-IDTCT），通过金属自由催化的Knoevenagel反应。将这些疏水性A-D-A型荧光团通过纳米沉淀法与1,2-二硬脂酰-sn-甘油-3-磷脂乙醇胺-N[甲氧基（聚乙二醇）-2000]（DSPE-mPEG2000）共组装成脂质体类似的纳米颗粒（NPs）。

图1. 六种荧光团的光物理表征

o系列NPs在水溶液中表现出红移吸收、增强的NIR-II亮度和光热性能。o-ITNP NPs在660 nm激光激发下显示出显著增强的荧光发射，总量子产率为5.6%，是i-ITNP NPs的两倍。o-ITNP NPs在808 nm激光照射下表现出优异的光热性能，温度从20.0 °C升高到61.0 °C，光热转换效率（PCE）为76%。通过单晶分析和理论计算，发现o系列NPs的苯基与侧链上的苯基和骨架之间形成了强的π-π相互作用，导致扩展的相互锁定平面，从而增强了NIR-II发射和光热性能。

图2. o-ITNP NP 的体内NIR-II成像

通过静脉注射o-ITNP NPs后，使用900 nm长通（LP）滤波器（信噪比（SBR）为1.35，半峰全宽（FWHM）为285.1 μm）观察到小鼠腹部的血管结构（图2a和2b）。使用不同的LP滤波片进行了血管成像，将LP滤波片范围从900 nm增加到1300 nm，成像分辨率逐渐提高，使用1300 nm LP滤波片时达到最大SBR（3.84）和FWHM（148.5 μm）。此外，通过时间依赖的血液荧光成像评估了o-ITNP NPs的血液半衰期，结果显示荧光亮度随时间逐渐降低。如图2c所示，在注射o-ITNP NPs之前，小鼠的自发荧光干扰很小，背景信号低。静脉注射o-ITNP NPs后，肿瘤部位的荧光信号逐渐增加，表明其对肿瘤具有特异性富集（图2c）。值得注意的是，注射后24小时观察到峰值荧光强度，随后由于代谢过程逐渐下降（图2d）。通过体内光热成像评估了 o-ITNP 纳米颗粒（NPs）的卓越光热性能。如图2e 和2f所示，在 808 nm 激光照射下，肿瘤部位的温度在 3 分钟内从 34.2 ℃ 迅速上升到 49.7 ℃。随后，在照射 5 分钟后，温度达到约 50.2 ℃ 的稳定状态，这突显了 o-ITNP NPs 可靠的光热转换效率（PCE）。相比之下，在 808 nm 激光照射下，用磷酸盐缓冲液（PBS）处理的小鼠几乎没有温度变化。这些综合研究结果表明，鉴于 o-ITNP NPs 的肿瘤选择性递送和特定部位的光热效应，它有望成为一种用于精准癌症治疗的纳米材料。

图3. 体内肿瘤光热治疗

o-ITNP 纳米颗粒（NPs）的出色表现促使研究者进一步在携带 4T1 乳腺肿瘤的小鼠中评估其体内抗肿瘤活性。小鼠被分为一个实验组和三个对照组，对照组分别接受磷酸盐缓冲液（PBS）、PBS+L 和 o-ITNP NPs 处理，而实验组接受 o-ITNP NPs+L 处理。肿瘤进展和体重变化被监测了 14 天（图3a）。在实验组中，明显观察到实体瘤生长抑制，并在 14 天后完全消除了肿瘤。相反，在对照组中观察到肿瘤快速生长且没有受到抑制（图3b 和3c）。所有组的体重损失都很小，这表明 o-ITNP NPs 在体内具有良好的生物相容性（图3d）。此外，在治疗的第 14 天对小鼠进行安乐死，并对肿瘤切片进行了组织学和免疫组织化学分析，以验证 o-ITNP NPs 的体内光疗效果（图3e）。苏木精-伊红（H&E）染色结果显示，在o-ITNP NPs+L 组中肿瘤组织受到了显著损伤，而对照组中的肿瘤细胞仍然存活且密集排列。末端脱氧核糖核酸转移酶 dUTP 缺口末端标记（TUNEL）染色显示，用 o-ITNP NPs+L 处理的肿瘤细胞中出现了明显的凋亡或坏死。通过对主要器官的H&E 染色评估，发现心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏均无病理异常或炎症病变。

本文系统地研究了侧链苯基位置异构化对分子构象、聚集行为和聚集体光物理性质的影响。研究者获得了三对互变异构的 o 系列和 i 系列有机分子，它们的苯基分别位于侧链的外部和内部。所有化合物在纳米颗粒（NPs）状态下均表现出宽广的近红外一区（NIR-I）吸收带和强烈的近红外二区（NIR-II）荧光发射，发射波长可延伸至 1300 nm。值得注意的是，与 i 系列相比，o 系列纳米颗粒（NPs）展现出红移的吸收波长，并在 808nm 处显著提高了摩尔消光系数。特别是在 808nm 激光激发下，o 系列 NPs 显示出比 i 系列更高的 NIR-II 荧光亮度和增强的光热性能。荧光衰减曲线分析表明，o 系列 NPs 的辐射速率常数（kr）和非辐射速率常数（knr）大于其 i 系列对应物，从而提高了荧光强度和光热产生。晶体学分析揭示了 i 系列晶体中侧链苯基与相邻层骨架之间存在 C−H⋅⋅⋅π 相互作用。在同一层内，由于侧链的屏蔽效应，i 系列分子之间的相互作用可以忽略不计。相比之下，o 系列中侧链苯基的位置异构化导致了侧链苯基与共轭骨架之间的空间共轭，以及同一层内分子骨架之间的构象互锁。结果，o 系列聚集体倾向于具有更紧密的分子堆积和扩展的 π-共轭平面，这赋予了它们更强的电子相互作用和更低的 HOMO–LUMO 能隙，显著加速了辐射和非辐射过程，最终导致吸收波长红移、摩尔消光系数增加、NIR-II 发射和光热性能提高。作为 o 系列中的一个候选物，o-ITNP NPs 在 808nm 处展现出高摩尔消光系数，优异的光热性能和令人满意的 NIR-II 荧光亮度。因此，o-ITNP NPs 能够实现高分辨率的 NIR-II 血管造影和 NIR-II 引导的光热疗法，用于乳腺肿瘤的根除。这一创新的侧链苯基异构化策略成功实现了用于生物成像和癌症治疗应用的高性能 NIR-II 光疗诊断剂（OPTAs）的新类别。

参考文献

Li C, Yao M, Jiang G, et al. Side Chain Phenyl Isomerization‐Induced Spatial Conjugation for Achieving Efficient Near‐Infrared II Phototheranostic Agents[J]. Angewandte Chemie, 2024: e202419785.

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