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唐本忠院士團隊/南科大李凱教授課題組 ACS Nano:用于提高診療效果的“一體式”近紅外發(fā)光納米聚集體
2023-03-04  來源:高分子科技

  集成診斷和治療功能的光療劑在精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域非常有前途,因為它們充分利用光能進行能量轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)導(dǎo),具有多功能、低成本和便捷使用的優(yōu)勢。從診斷的角度來看,近紅外熒光成像(FLI)對自發(fā)熒光的干擾較低,相比可見光區(qū)域的常規(guī)成像,成像深度得到改善,靈敏度更高。另一方面,光熱治療(PTT)和光動力治療(PDT)因其無創(chuàng)、可控、耐藥性低等特點,得到了極大的研究關(guān)注。其中,PTT利用分子激發(fā)態(tài)的非輻射躍遷將光能轉(zhuǎn)化為熱能進行治療,而PDT則涉及激發(fā)態(tài)分子的能量轉(zhuǎn)移過程,產(chǎn)生高反應(yīng)性的活性氧,從而誘導(dǎo)細胞損傷和凋亡。但是單一進行PTT或PDT治療有時并不能完全消除腫瘤,例如,升高的溫度可能不足以消除病變,而腫瘤組織的缺氧微環(huán)境也可能限制活性氧的產(chǎn)生。因此,若能在熒光定位病灶的同時結(jié)合PTT和PDT兩種療法,將會得到更有好的診療效果。然而,由于分子競爭性的能量弛豫途徑難以調(diào)節(jié),并且很多平面有機分子在聚集時熒光會發(fā)生猝滅,真正同時實現(xiàn)高效FLI、PTT和PDT的報道很少。


  聚集體科學(xué)為解決這一難題提供了更多機會,因為聚集體可以表現(xiàn)出與其單個分子不同的特性。聚集體的能量耗散途徑更加多元,這為構(gòu)建“一體式”光療劑及實現(xiàn)其多功能性提供了更多可能;诖,唐本忠院士團隊和南方科技大學(xué)李凱教授課題組合作,報道了一個具有近紅外發(fā)光,兼具高熒光量子產(chǎn)率、活性氧產(chǎn)生效率和光熱轉(zhuǎn)換效率的多功能診療平臺。體內(nèi)研究表明,該平臺使用的TPA-TBT納米聚集體可使小鼠腫瘤顯示明亮的熒光,同時表現(xiàn)出良好的光動力和光熱治療效果,并最終完全消除腫瘤(圖1。這項工作對合理設(shè)計和合成具有高能量耗散利用率的“一體式”近紅外光療聚集體用于腫瘤的精確診斷和有效治療具有重要意義。相關(guān)工作以“Design of One-for-All Near-Infrared Aggregation-Induced Emission Nanoaggregates for Boosting Theranostic Efficacy”為題發(fā)表在ACS Nano上。 


圖1. TPA-TBT納米聚集體的設(shè)計和應(yīng)用示意圖


  這項工作的研究內(nèi)容和亮點主要包括:


  1)通過調(diào)節(jié)不同的供電子基團,并通過π橋連接吸電子基團TBT,研究者構(gòu)建了兩個具有明顯聚集誘導(dǎo)發(fā)光(AIE)性質(zhì)的分子TPE-TBT和TPA-TBT。其中TBT核具有很強的吸電子能力,可使熒光發(fā)射波長紅移,且其具有烷基側(cè)鏈,可增加空間位阻防止分子間π-π堆疊并使分子具有扭曲構(gòu)象。此外,TBT在化學(xué)反應(yīng)和處理過程中表現(xiàn)出良好的溶解度和穩(wěn)定性。隨后,研究者分別以甲氧基TPE和TPA基團為供電子和轉(zhuǎn)子單元,以烷基化噻吩為π橋,賦予分子扭曲主鏈以獲得更好的AIE特性和增強的溶解度(圖 2)。 


圖2.TPE-TBT和TPA-TBT的合成路徑以及優(yōu)化的計算模擬幾何結(jié)構(gòu)和前沿分子軌道


  2)TPE-TBT和TPA-TBT均具有近紅外區(qū)域的吸收和發(fā)光,并且兩個分子均顯示明顯的AIE性質(zhì)。其中,TPE-TBT表現(xiàn)出非;钴S的輻射躍遷,因而熒光量子產(chǎn)率很高,但卻犧牲了非輻射躍遷,導(dǎo)致其光熱轉(zhuǎn)換效率和活性氧產(chǎn)生效率低。相比之下,TPA-TBT具有更紅移的吸收和發(fā)射光譜,其熒光量子產(chǎn)率雖略低于TPE-TBT,但得益于豐富的分子內(nèi)轉(zhuǎn)子、高供體-受體強度和扭曲構(gòu)象,TPA-TBT納米聚集體表現(xiàn)出明亮的熒光,顯著的光熱轉(zhuǎn)換效率和活性氧生成效率(圖3)。這些奇妙的特性允許其在輻射和非輻射能量耗散之間取得平衡,使得熒光成像/光熱療法/光動力療法協(xié)同診斷和治療成為可能。并且,所有功能均集成在TPA-TBT納米聚集體,該“一體化”的光療劑對于后續(xù)應(yīng)用具有低成本性、易制備性以及高簡便性。 


圖3.TPE-TBT和TPA-TBT及其納米聚集體的光物理性質(zhì)


  3)研究者通過巧妙的實驗設(shè)計,在細胞層面區(qū)分了光熱療效和光動力療效,證明了TPA-TBT納米聚集體同時具有兩種治療效果。隨后研究者探究了單一使用光熱治療或光動力治療的效果,并證明在本研究中,集成PTT和PDT兩種治療方式的實際效果會遠高于僅使用其中一種。


  4)通過小鼠實驗,研究者證實了所述TPA-TBT納米聚集體可以進行腫瘤部位成像,并且在有效消除腫瘤的同時,對生物其他部位具有良好的生物相容性(圖4)。此研究報道的“一體式”光療平臺拓寬了多功能聚集體的設(shè)計和構(gòu)建思路,并促進了納米聚集體材料在多模態(tài)成像引導(dǎo)協(xié)同治療領(lǐng)域的發(fā)展。 


圖4.TPA-TBT納米聚集體用于小鼠腫瘤消除治療


  以上研究成果近期發(fā)表在ACS nano上。其中材料設(shè)計與表征由香港科技大學(xué)謝會琳博士完成,生物實驗則主要由南方科技大學(xué)畢震宇同學(xué)完成;唐本忠院士(現(xiàn)為香港中文大學(xué)(深圳)理工學(xué)院院長),南方科技大學(xué)李凱教授和香港科技大學(xué)郭子健助理教授為本文通訊作者。


  論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c10661

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