三峡大学杨威副教授、杨昌英教授/武汉大学龚少龙教授《AFM》：近红外多重共振分子首次作为I型光敏剂在生物医学光治疗中的应用

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-25 08:04

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光动力（PDT）与光热治疗（PTT）凭借微创性和精准疗效，成为肿瘤治疗研究热点。PTT通过光敏剂将光能转化为局部高温直接杀伤肿瘤。PDT则依赖光敏剂产生细胞毒性的活性氧（ROS），其光敏化机制分为I型（生成H₂O₂、O₂⁻•或•OH）和II型（生成¹O₂）。当前临床光敏剂以II型为主，但其疗效受限于乏氧的肿瘤微环境。而I型光敏剂通过多步级联电子转移过程，在低氧条件下仍可高效生成ROS，更适用于低氧肿瘤的治疗。此外，结合PDT和PTT协同治疗，其对肿瘤的疗效可达到更好效果。截至目前，报道的I型光敏剂常为给/受体结构（D-A或D-π-A）分子，这类光敏剂通常面临单/三线态能级差大、吸收弱、发光性能差等问题，导致生成ROS的效率较低。因此，急需开发高性能新I型光敏剂。

近日，三峡大学杨威副教授、杨昌英教授和武汉大学龚少龙教授团队首次报道了基于多重共振策略构筑近红外新I型光敏剂。基于该策略设计的MR分子NIR-BN，其摩尔消光系数达到10 ⁴ M ^-1 cm ^-1 数量级，Δ E _ST 低于0.3 eV，且经光照射可生成O₂⁻•，同时光热转换效率高达50.1%，并将其成功用于小鼠体内肿瘤的光动力和光热协同治疗。该研究以题为“Near-Infrared Multiple-Resonance Polycyclic Aromatic Hydrocarbon as Type I Photosensitizer Toward High-Performance Synergistic Phototherapy”的论文发表在《 Advanced Functional Materials 》。

图1. NIR-BN的光学性质及生物医学应用。

图2.（a）NIR-BN最优分子结构；（b）电子云分布；（c）静电势；（d）基态和激发态分子结构的变化；（e）重组能；（f）不同振动频率的重组能和黄昆因子；（g）振动模式。

计算表明，NIR-BN的电子云分布呈现出明显的MR轨道分布特征；较小的Δ E _ST 和较大的自旋轨道耦合，利于激子从单线态到三线态的快速系间窜越，促进光敏化过程，进而高效地生成活性氧。基于Marcus理论对重组能进行计算，发现基态与激发态之间的振动耦合，以及激发态的振动弛豫得到适度抑制。并对分子的不同振动模式进行分析，柔性吩噻嗪单元的二面角振动与叔丁基的旋转振动促进了激发态光敏剂与氧之间的碰撞，利于I型ROS的生成。这些振动模式也促进了分子较高的光热转换效率。

图3.（a）NIR-BN的粒径测试；（b）纳米粒子的吸收和发射光谱；（c）稳定性实验；（d-f）纳米粒子的光热实验；（g-i）纳米粒子产活性氧实验。

随后，作者将NIR-BN通过两亲性聚合物包裹，制备成易溶于水的纳米粒子。并对其吸收和荧光光谱进行测试，发现NIR-BN纳米粒子的吸收延伸至700 nm，且摩尔消光系数达到10 ⁴ M ^-1 cm ^-1 数量级，发射光谱到达近红外区。通过660 nm激光照射，纳米粒子产生明显的光热效应。此外，通过活性氧探针检测，发现光照后的纳米粒子溶液可高效地生成超氧阴离子自由基。

图4. 胞内活性氧的检测。

图5. 小鼠体内光热成像以及光治疗。

鉴于NIR-BN纳米粒子优异的光热性能和生成I型ROS，作者研究了纳米粒子在MCF-7肿瘤细胞内产ROS和超氧阴离子自由基情况。此外，还证实了纳米粒子在小鼠体内的光热成像及肿瘤的PDT和PTT协同治疗。并对其生物安全性进行了相关实验的评估。

总结： 作者 首次采用多重共振策略 ，设计合成了新I型光敏剂分子。基于其优异的光热性质和生成I型ROS性能，证实了光敏剂分子在小鼠体内肿瘤的光治疗应用，拓展了I型光敏剂体系。

三峡大学杨威副教授、杨昌英教授/武汉大学龚少龙教授《AFM》：近红外多重共振分子首次作为I型光敏剂在生物医学光治疗中的应用

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