給大家分享的是一篇發(fā)表在Advanced Science上的文章，標題為AIE Multinuclear Ir(III) Complexes for Biocompatible Organic Nanoparticles with Highly Enhanced Photodynamic Performance，通訊作者是來自東北師范大學的朱東霞教授，朱東霞教授在材料化學研究領域建樹頗豐，多年來一直致力于高性能的過渡金屬配合物材料的設計與合成,獲得系列高選擇性，高靈敏度的熒光及磷光探針，并將其應用于光動力治療癌癥，生物成像以及生物細胞中的離子檢測等。
基于光動力治療（Photodynamic therapy，PDT）的無創(chuàng)性、高選擇性、可控性及不明顯的副作用，近年來對PDT的研究相當熱門。目前，絕大多數(shù)的光敏劑（photosensitizers PSs）都是基于有機染料，但有低摩爾消光系數(shù)、低水溶解性、低穩(wěn)定性、不理想的聚集的缺點。作者團隊開發(fā)了一系列含有1-3個金屬銥中心的紅光聚集誘導發(fā)射（red-emitting aggregation-induced emission AIE）的金屬銥配合物，紅光激發(fā)能夠減少背景及自熒光的干擾且增加組織的穿透。多中心的銥配合物有更高單線態(tài)氧產(chǎn)率、更好的生物相容性、更長的熒光壽命、更好的細胞吸收的優(yōu)點。
作者團隊使用三苯胺（triphenylamine ，TPA）作為橋梁獲得Schiff配體，該Schiff配體可以電耦合一到三個金屬中心。由此獲得了一系列紅光發(fā)射的單核，雙核和三核AIE Ir(Ⅲ)配合物（下圖A），分別命名為PS1，PS2和PS3。以Ir(Ⅲ)配合物PS為核,通過聚合物包封方法用生物相容性好的磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇2000-馬來酰亞胺（1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[maleimide(poly(ethyleneglycol))-2000] DSPE-PEG-MAL）作為原料獲得PS1 NPs，PS2NPs和PS3 NPs納米顆粒，同時用HIV-1反式激活因子（RKKRRQRRRC）對表面進行修飾（下圖B）。該反式激活因子是一種穿透細胞的肽，可以有效地將納米顆粒轉(zhuǎn)運到細胞中。
作者團隊對PS1，PS2，PS3及其對應的納米顆粒的紫外—可見吸收光譜和光致發(fā)光（photoluminescence，PL）光譜進行了探究。在250-350 nm附近的強吸收帶歸因于配體的自旋允許（π-π*）躍遷。從370到520 nm的弱吸收帶表現(xiàn)出金屬到配體的電荷轉(zhuǎn)移（3MLCT）和配體到配體的電荷轉(zhuǎn)移（1LLCT）特征（下圖A-C）。在純四氫呋喃（THF）溶液中，PS1，PS2和PS3的PL能力幾乎為零，當水-THF溶液的水含量分別達到60％，80％和60％時，PS1，PS2和PS3的PL強度顯著增強，表現(xiàn)出明顯的AIE效應。PS1，PS2,PS3的PL強度最大值分別位于652、671和690nm，即隨著金屬中心數(shù)量的增加紅移。較大的斯托克位移和紅光發(fā)射能夠通過減少來自背景的干擾來改善信號背景比。此外 PS1 NPs，PS2 NPs和PS3 NPs的光致發(fā)光量子產(chǎn)率（photoluminescence quantum yields ， PLQYs）（33％，15％和35％，水中）分別高于THF-水混合物中相應的PS（分別為11％，5％和8％）。此外，PS NPs激發(fā)態(tài)壽命也有所延長。
為探究納米顆粒的1O2產(chǎn)生能力，通過測量光照射下吲哚菁綠（ICG）的吸光度，在光照射含PS1，PS2和PS3的ICG（6.5 nmol）溶液以及相應的NPs（10 nmol）時觀察到790nm處吸光度連續(xù)下降（下圖D），而對照組吸光度變化可忽略不計，表明PS及PS NPs在照射時產(chǎn)生1O2且穩(wěn)定性良好。PS及納米顆粒于1O2的生成符合一級動力學規(guī)律（下圖E），斜率的增加與PS中金屬中心的數(shù)量一致，并且納米顆粒對應斜率比Ir(Ⅲ)配合物的斜率高得多，PS3 NPs產(chǎn)生1O2能力最強（斜率最大為0.00502），對于PDT增強作用最大。
通過透射電子顯微鏡（TEM）和動態(tài)光散射（dynamic light scattering ，DLS）比較PS NPs的形態(tài)、大小和穩(wěn)定性，電鏡下平均直徑分別為44、47和45nm；水體系中形成水合層平均直徑為73、83和79nm尺寸小于100 nm的納米顆粒更容易被細胞內(nèi)吞。此外，DLS在水中收集了14 d的PS1 NPs，PS2 NPs和PS3 NPs的大小和大小分布幾乎沒有變化。這樣的高穩(wěn)定性有利于血液中顆粒的循環(huán)。因此，PS1 NPs，PS2 NPs和PS3 NPs具有球形形態(tài)，適當?shù)拇笮『透叻€(wěn)定性。這些性質(zhì)將有助于它們隨后在活細胞和動物中的應用。
為定量測定PDT作用，采用MTT法測定PS1、PS2、PS3及相應NPs對HeLa細胞的細胞毒性。將PS1 NPs、PS2 NPs、PS3 NPs ( 0-20 μg mL -1) 與HeLa細胞孵育24小時后，細胞存活率仍高于95%(下圖A)，表明細胞相容性良好，暗毒性可忽略。經(jīng)20 mW cm -2光照射30 min，細胞存活率明顯降低(下圖B)，表明光毒性很強。作者接著測定Ir(Ⅲ)復合物PS1、PS2和PS3的PDT效應。如下圖C、D所示，它們表現(xiàn)出一定的暗毒性，但光毒性較弱。這些結(jié)果表明，聚合物包封是解決生物相容性問題的有效方法，PDT效應可以通過增加PSs中的金屬中心數(shù)量來提高。
作者進一步研究PS3 NPs的細胞內(nèi)行為。利用共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)研究了PS3和PS3 NPs在HeLa中的細胞攝取情況（用 DAPI染色）。如下圖E所示，經(jīng)PS3NPs處理的細胞發(fā)出紅色熒光，熒光強度明顯強于僅用PS3處理的細胞，細胞攝取能力的增強對改善PDT效應非常有效。用 DCFH-DA作為指示劑，研究了細胞內(nèi)1O2的生成(下圖F)。在光照射前，所有細胞幾乎觀察不到綠色熒光，說明沒有產(chǎn)生1O2。相反，在光照下，PS3和PS3 NPs均可觀察到綠色熒光，其中PS3 NPs的綠色發(fā)射明顯強于PS3，說明NPs的1O2生成能力高于純Ir(Ⅲ)配合物。此外，通過活/死細胞染色實驗，也驗證了PS3和PS3 NPs的PDT效應。照射后，幾乎所有細胞都被PS3 NPs殺死，PS3 NPs誘導細胞死亡的效率高于PS3，結(jié)果與MTT法測定結(jié)果一致。
作者選擇細胞實驗結(jié)果較好的PS3 NPs進一步在動物體內(nèi)研究了PS3 NPs抑制腫瘤的能力。在小鼠右大腿皮下注射H22細胞建立小鼠模型。研究PS3 NPs在活體內(nèi)最佳光照射時間，將IR780裝載在PS3 NPs中。結(jié)果表明，腫瘤內(nèi)NPs的熒光強度在12h內(nèi)逐漸升高，然后降低，說明注射后12h是光照的最佳時間。小鼠模型被隨機分為4組：靜脈注射生理鹽水(組1), 靜脈注射生理鹽水和光照(450nm，200 mW cm-2,20 min)(組2), 注射PS3 NPs(100 μg mL?1, 100 μL)(組3),和注射PS3 NPs和光照(4組)。每2周對小鼠的腫瘤體積和體重進行測量。如下圖A-C所示，在1、2、3組中，14 d后腫瘤體積增加了8-9倍，說明僅光照或僅使用PS3 NPs對腫瘤生長無影響。與此相反，實驗組（4組）小鼠腫瘤體積減小，說明PS3 NPs在光照下具有良好的抗腫瘤能力，與對照組有顯著差異。此外，通過小鼠的體重變化和組織學切片來評估各種治療方法的全身毒性。與第1組相比，第2、3、4組的體重下降可以忽略不計(下圖D)。在上述實驗第14天殺死小鼠，收集主要器官和腫瘤，用蘇木精和伊紅(H&E)染色，PS3 NPs在照射下導致腫瘤細胞壞死，腫瘤細胞嚴重損傷，四組小鼠肝、心、脾、腎、肺無明顯病理改變，說明PS3 NPs在體內(nèi)毒性不明顯。這些結(jié)果表明PS3 NPs適合于體內(nèi)PDT應用。
綜上所述，作者首次證實了PDT的效率可以通過增加光敏劑內(nèi)金屬中心的數(shù)量來提高。作者設計并合成了三種金屬中心數(shù)不同的AIE Ir(Ⅲ)配合物及其相應的納米顆粒。摩爾吸光系數(shù)隨金屬中心數(shù)的增加而增加，導致光敏劑產(chǎn)生1O2的能力顯著提高。納米顆粒的制備也進一步提高了吸光度和1O2的產(chǎn)生。特別是PS3 NPs具有卓越的PDT性質(zhì): λmaxem at ≈690 nm，高磷光量子產(chǎn)率(35%)，長激發(fā)態(tài)壽命 (4.61 μs)，高摩爾吸光系數(shù)(?= 72 935 m-1 cm-1)，良好的1O2生成能力以及微弱的暗毒性。此外，靜脈注射PS3 NPs后經(jīng)光輻照能有效抑制小鼠腫瘤的生長。本研究為臨床治療中的PDT高效光敏劑的設計提供了新的思路。作者團隊未來的工作將包括開發(fā)具有長激發(fā)波長的多核Ir(III)配合物，用于體內(nèi)成像和PDT。但金屬配合物的代謝排出本身存在困難，多核金屬配合物是否會更難排出體內(nèi)，產(chǎn)生體內(nèi)聚積，開發(fā)相對容易代謝的配合物也是未來發(fā)展的思路。
作者：LTX LJY WGQ
原文鏈接：https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201802050
