本文要點：開發(fā)小分子染料聚集的納米光敏劑（nanoPS）用于協(xié)同光療，是精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)中引人注目的前沿研究。但目前，對分子結(jié)構(gòu)、組裝行為和治療功能之間相互作用的研究有限。在這里，引入了“晶體聚集體中的自旋軌道電荷轉(zhuǎn)移系間躍遷（SOCT-ISC）”的概念，能夠顯著增強小分子nanoPS的光動力（PD）和光熱（PT）特性。具體而言，在含有三氰基呋喃（TCF）陰離子七甲川青（TCF-Cy7-TCF）染料的中位位置引入了一個陽離子吡啶（Py）基團，以構(gòu)建一個正交電荷轉(zhuǎn)移二聯(lián)體（TCF-Cy7(Py)-TCF），通過SOCT-ISC機制增強三重態(tài)的形成以增強PD特性。雙性離子基團賦予TCF-Cy7(Py)-TCF即使在超低濃度下也具有高結(jié)晶度，決定了其在聚集體中的堆積行為，并增強了PT和PD特性。與TCF-Cy7-TCF相比，TCF-Cy7(Py)-TCF納米聚集體表現(xiàn)出更高的單線態(tài)氧量子產(chǎn)率（0.8% vs 0.2%）和光熱轉(zhuǎn)換效率（55.06% vs 7.78%）。令人印象深刻的是，TCF-Cy7(Py)-TCF優(yōu)先積聚在腫瘤部位，在NIR-I和NIR-II窗口中實現(xiàn)了高信噪比的腫瘤成像，并且非特異性結(jié)合極少。最終，體內(nèi)實驗證實TCF-Cy7(Py)-TCF納米聚集體作為協(xié)同光療的nanoPS功能，為設(shè)計單組分PS用于臨床轉(zhuǎn)化提供了一種簡單而有效的策略。

活體成像

研究者提出了一種利用“晶體納米聚集體中的SOCT-ISC”的方法，將SOCT-ISC的優(yōu)勢與PS的超分子組裝結(jié)合到一個統(tǒng)一的納米平臺中。在本研究中，通過將吡啶陽離子（Py）引入到對稱陰離子Cy7（TCF-Cy7-TCF）的中位位置構(gòu)建了一個雙性離子二聯(lián)體（TCF-Cy7(Py)-TCF）。這個二聯(lián)體可以在水溶液中以極低的濃度自組裝成納米聚集體，而不需要穩(wěn)定劑和賦形劑（圖1）。通過這種設(shè)計，由于PS的正交幾何結(jié)構(gòu)的自組裝限制了輻射衰減，TCF-Cy7(Py)-TCF的光熱轉(zhuǎn)換效率和ROS生成顯著優(yōu)于市售的ICG以及類似的TCF-Cy7-TCF。值得注意的是，TCF-Cy7(Py)-TCF在聚集體中松散堆積，這可以優(yōu)化非輻射衰減，并有助于增強PTT和PDT性能。具有雙性離子性質(zhì)的TCF-Cy7(Py)-TCF納米聚集體通過增強了的滲透和滯留（EPR）效應(yīng)表現(xiàn)出超低的非特異性組織攝取和高腫瘤積累。使用皮下腫瘤小鼠模型證實，TCF-Cy7(Py)-TCF納米聚集體不僅提供精確的光聲（PA）和近紅外（NIR）熒光成像，還通過“晶體納米聚集體中的SOCT-ISC”機制表現(xiàn)出PTT/PDT協(xié)同效應(yīng)，為設(shè)計先進的光治療劑提供了新的分子指導(dǎo)。

圖2. TCF-Cy7（Py）-TCF及其母體分子TCF-Cy7-TCF的光物理性質(zhì)。

TCF-Cy7(Py)-TCF二聯(lián)體的穩(wěn)態(tài)紫外-可見-近紅外（UV-Vis-NIR）吸收光譜進行了研究（圖2）。在有機溶劑如甲醇（MeOH）中，TCF-Cy7(Py)-TCF二聯(lián)體的吸收（圖2a,b）和熒光（圖2c）光譜與相關(guān)的TCF-Cy7-TCF染料非常相似。具體而言，TCF-Cy7(Py)-TCF二聯(lián)體在甲醇中的吸收光譜在904 nm處顯示出一個強烈的峰值，相比于TCF-Cy7-TCF（888 nm）發(fā)生了紅移（圖2b）。此外，TCF-Cy7(Py)-TCF二聯(lián)體的熒光光譜也相應(yīng)地紅移（圖2c），但其Stokes位移保持不變。對于TCF-Cy7-TCF和TCF-Cy7(Py)-TCF二聯(lián)體的主要發(fā)色團，獲得了類似的ESP分布，負(fù)區(qū)域出現(xiàn)在兩側(cè)的TCF基團中，而正區(qū)域集中在Cy7的多亞甲基橋中，表明它們具有高度對稱的電子結(jié)構(gòu)（圖2d）。值得注意的是，TCF-Cy7(Py)-TCF二聯(lián)體的Py基團上出現(xiàn)了一個極度正的區(qū)域，表明Py基團具有強烈的電子吸引特性（圖2d）。為了進一步可視化電荷轉(zhuǎn)移動力學(xué)，進行了飛秒瞬態(tài)吸收（fs-TA）測量（圖2f，g）。在780 nm的脈沖激光激發(fā)下，水中的TCF-Cy7-TCF和TCF-Cy7(Py)-TCF二聯(lián)體均在其最大吸收處顯示出明顯的負(fù)吸收帶，這被歸因于基態(tài)漂白（GSB）。對于TCF-Cy7-TCF（40 µm），在≈570 nm處觀察到激發(fā)態(tài)吸收（ESA）帶（圖2f），這歸因于1TCF-Cy7-TCF態(tài)，其衰減時間僅為≈96 ps（圖2h）。相比之下，TCF-Cy7(Py)-TCF二聯(lián)體（40 µm）在1.11 ps內(nèi)在≈600 nm處呈現(xiàn)出一個特別顯著的峰值，這可以歸因于CTS（TCF-Cy7-TCF–Py+?，圖2g）。其衰減動力學(xué)在納秒時間尺度上（>3 ns）未顯示出恢復(fù)，這表明具有慢電荷重組的長壽命CTS可以優(yōu)先松弛到激發(fā)的T1態(tài)（圖2h）。

圖3. TCF-Cy7（Py）-TCF 在水溶液中的自組裝和光療性能

使用動態(tài)光散射（DLS）對水中的明顯聚集體進行表征，發(fā)現(xiàn)TCF-Cy7-TCF僅表現(xiàn)出有限的聚集，未形成納米聚集體。相比之下，TCF-Cy7(Py)-TCF形成了平均水動力直徑約為155 nm的納米聚集體。這樣的納米聚集體非常穩(wěn)定，在水或補充血清的細胞培養(yǎng)基中孵育24小時后不會沉淀或形成大塊（圖3a）。透射電子顯微鏡（TEM）和掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示TCF-Cy7(Py)-TCF納米聚集體的形態(tài)為規(guī)則的球形納米粒子，平均大小約為140 nm（圖3b）。使用高倍TEM進一步研究了納米粒子中TCF-Cy7(Py)-TCF分子的堆積模式，顯示存在一些小的超分子晶體域（圖3c）。TCF-Cy7(Py)-TCF納米粒子的粉末X射線衍射圖譜顯示了與其單晶相似的圖譜，表明TCF-Cy7(Py)-TCF分子的排列方式類似于其單晶中的排列（圖3d）。此外，原子力顯微鏡（AFM）顯示納米粒子具有清晰的圓形邊緣，其厚度/直徑比遠小于1，表明其結(jié)構(gòu)類似于二維結(jié)構(gòu)的納米碟（圖3e）。值得注意的是，TCF-Cy7(Py)-TCF能夠在低至35 nm的濃度下形成這樣的納米碟，這種超低臨界膠束濃度（CMC）表明納米碟在臨床相關(guān)濃度下可能比商業(yè)膠束更穩(wěn)定。

接著研究了TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟在激光照射下產(chǎn)生高熱或ROS的能力。在近紅外（NIR）照射下（808 nm, 1.0 W cm?2）10分鐘，TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟的溶液溫度分別在10、20和40 µm的濃度下增加到47.6、54.0和59.5 °C（圖3f）。TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟的光熱轉(zhuǎn)換效率（η）值為55.06%，顯著高于TCF-Cy7-TCF（7.78%）（圖3g）。TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟的產(chǎn)熱能力在連續(xù)五次輻照-冷卻循環(huán)后保持一致（圖3h），表明其光熱穩(wěn)定性優(yōu)于TCF-Cy7-TCF。如圖3i所示，DPBF在NIR照射（808 nm，0.3 W cm?2）下迅速降低吸收，表明TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟產(chǎn)生了ROS，而單獨的DPBF在相同照射5分鐘內(nèi)保持穩(wěn)定（圖3j）。然后確定DPBF的分解速率常數(shù)（圖3k），計算出TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟在水中的Φ?為0.8%，是ICG的四倍。同時，在水中具有有限聚集但缺乏正交Py的TCF-Cy7-TCF的Φ?測量值為0.21%，略高于相同條件下的ICG。使用 “聚集體中的SOCT-ISC”機制，該機制將SOCT-ISC的益處與PS的超分子組裝集成到一個平臺中，實現(xiàn)高效的PTT/PDT。

圖4. TCF-Cy7（Py）-TCF 納米碟在腫瘤細胞中的光療性能