本文要點：近紅外二區（NIR-II）熒光成像是近年來發展起來的一種新型體內成像技術，具有穿透深度深、空間分辨率高、成像速度快等優點。該技術與在NIR-II窗口中的發光的熒光團相結合，可應用于腫瘤成像、引導手術和藥理學療效評估等眾多研究，在生物醫學領域具有巨大潛力。

半導體聚合物（SP）是最近開發的一類性能優異的NIR-II熒光團，具有強大的光捕獲能力、光學性能的靈活可調性、優異的生物相容性以及新功能引入的可能性。然而，目前的SP還存在著分子量和結構不明確，體內代謝緩慢等問題。其中，（SO）是一類由π-共軛支架組成的小分子，通過碳-碳偶聯反應合成。SO除了有一般SP的優點外，還具有較好的光穩定性，并且由于分子量較小，易于在體內代謝，在各種生物醫學研究中具有良好的應用前景。
 

 

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本研究通過受體工程方法設計和合成了三種D-A-D型低聚物，并制備成納米顆粒（NP）。其中基于噻二唑苯并三唑（TBZ）受體的低聚物3納米顆粒（O3 NP）具有最高的NIR-Ⅱ熒光亮度，可用于體內NIR-II成像和光熱治療（PTT）。

方案1. 三種低聚物（O1、O2和O3）的合成

 

三種SO分子的最高占據分子軌道（HOMO）分布在整個分子骨架中，而最低未占據分子軌道（LUMO）主要集中在受體上。這種HOMO-LUMO分離將導致分子內電荷轉移（ICT），HOMO-LUMO間隙越小，分子就越容易被激發，表現為SO的吸收和發射帶紅移。

O1到O3的HOMO-LUMO間隙從1.27eV逐漸增加到1.53 eV，這可歸因于其受體的吸電子能力逐漸降低。密度泛函理論（DFT）和時間相關DFT（TDDFT）計算結果顯示，從O1到O3，λmax逐漸藍移，而振子強度不斷增加，與HOMO-LUMO間隙的變化趨勢和光譜測定結果非常一致。

簡而言之，由于TBZ是三種受體中吸電子能力最弱的，抑制了ICT效應，從而反過來提高了低聚物的NIR-II熒光強度。因此，當吸收強度相同時，O3的熒光性能最強。

 

圖1. 三種低聚物的光譜性質、化學結構和電子性質

 

為了提高低聚物的溶解度和生物相容性，采用納米沉淀法將其用F127聚合物包封，形成水分散性納米顆粒。與O1 NP和O2 NP相比，O3 NP在水中表現出最高的NIR-Ⅱ熒光亮度，且與濃度之間存在良好的線性關系。此外，O3 NP的斯托克斯位移計算值高達213 nm，可有效減少分子自吸收引起的自猝滅。

圖2. O3 NP的形態與大小、光譜性質、體外熒光及信號量化

 

在體外對O3 NP的光熱性能與光熱穩定性進行評估。用不同濃度的O3 NP在808nm下照射，可見隨著暴露時間的延長，O3 NP經歷了明顯的溫度升高，呈現出濃度依賴的趨勢，表現出良好的光熱效應。經過幾個加熱-冷卻循環后，O3 NP的最高溫度沒有明顯變化，表明O3 NP具有顯著的光熱穩定性。

圖3. O3 NP的光熱性能與光熱穩定性

 

體外細胞實驗進一步展示了O3 NP優異的PTT潛力。即使O3 NP濃度達到200μg/mL，3T3細胞在O3 NP孵育后仍表現出較高的細胞存活率，表明O3 NP具有良好的生物相容性。然而，當在808nm激光照射下用O3 NP處理HeLa細胞時，觀察到HeLa細胞活力呈現出O3 NP濃度依賴性的降低，凋亡顯著增加。

圖4. O3 NP在有/無激光照射下的細胞毒性

 

使用O3 NP對攜帶HeLa腫瘤的小鼠進行體內成像。O3 NP靜脈注射3分鐘后，腹部和后肢的血管立即清晰可見。來自腫瘤部位的熒光強度從隨時間逐漸增加，并在36小時達到最高值。證明O3 NP具有良好的腫瘤積聚能力和活體NIR-Ⅱ光熱治療潛力。

離體主要器官NIR-Ⅱ熒光信號顯示，O3 NP主要通過肝膽系統清除。腫瘤顯示出除肝臟外最高的NIR-II信號，進一步驗證了O3納米粒子優異的腫瘤積聚能力。

圖5. O3 NP小鼠體內腫瘤成像

 

總之，本工作通過選擇不同的受體成功構建了三種具有D-A-D結構的低聚物。所制備的O3納米粒子不僅具有明亮的NIR-II發射，而且具有優異的光熱性能，實現了高效的NIR-II成像和光熱治療。合成O3所使用的TBZ單元是構建明亮的功能性NIR-II染料的一種很有前途的電子受體。這種通過調節受體結構來降低ICT效應，從而提高低聚物NIR-II亮度的策略將為開發具有優異NIR-II性能的臨床治療探針提供了啟示。

 

參考文獻

LIANG X, CHEN L, WANG Y, et al. Acceptor engineering of semiconducting oligomers for improved NIR-II fluorescence imaging and therapy [J]. Dyes and Pigments, 2023, 220: 111756.

 

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