光熱治療是將光熱轉(zhuǎn)換劑富集于腫瘤組織，并在外部光源的照射下將光能轉(zhuǎn)化為熱能產(chǎn)生局部高溫，從而殺死腫瘤細(xì)胞的一種新興治療方法。光熱轉(zhuǎn)換劑的性能對(duì)光熱治療的效果至關(guān)重要，其要求生物安全性好，光熱轉(zhuǎn)換效率高，并具有近紅外生物窗口吸收以便于深層組織穿透。
近年來，含有未配對(duì)電子的有機(jī)自由基在光熱轉(zhuǎn)換材料的研究中引起廣泛關(guān)注。和常規(guī)閉殼層分子相比，開殼層自由基通常具有更小的最高占據(jù)-最低未占據(jù)軌道能級(jí)差和基態(tài)-激發(fā)態(tài)能級(jí)差，其特殊的電子結(jié)構(gòu)特性促進(jìn)了長(zhǎng)波長(zhǎng)吸收及吸收光子后的非輻射能量釋放過程。然而，自由基一般合成分離困難, 且大多壽命較短，在光或熱的作用下無法存活。如何通過合理的設(shè)計(jì)合成來調(diào)控自由基的光物理性質(zhì)，以滿足在生物體系中光熱穩(wěn)定等特定性能要求，依然極具挑戰(zhàn)性。
近日，南京大學(xué)沈珍教授團(tuán)隊(duì)通過芳環(huán)稠合的分子調(diào)控策略，合成了高度穩(wěn)定的，在可見至近紅外區(qū)域具有優(yōu)異光吸收能力的鎳咔咯自由基，實(shí)現(xiàn)了基于自由基納米粒子的高效近紅外光聲成像和光熱治療。
作者通過逆Diels-Alder反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了咔咯 β 位放射狀苯環(huán)、萘環(huán)和蒽環(huán)稠合。隨著 π 共軛擴(kuò)展程度的增強(qiáng)，咔咯自由基的最長(zhǎng)波吸收帶從苯并的紅光區(qū)（693 nm）紅移至萘并的近紅外一區(qū)（800 nm）和蒽并的近紅外二區(qū) （1024 nm）?；谧杂苫鶑?fù)雜的電子躍遷，萘并和蒽并咔咯自由基具有寬廣的吸收帶，展現(xiàn)出了可見至近紅外光的全色吸收。萘并和蒽并化合物均為優(yōu)異的電子供體，并具有可逆氧化還原能力，其一價(jià)陽離子也展現(xiàn)出擴(kuò)展至近紅外區(qū)域的強(qiáng)吸收帶。
理論計(jì)算表明，萘并和蒽并咔咯自由基的最低二重激發(fā)態(tài)和基態(tài)的能級(jí)差極小，這極大促進(jìn)了光激發(fā)后能量的非輻射耗散，從而有效地產(chǎn)生熱量。作者將長(zhǎng)鏈烷基功能化的萘并咔咯自由基通過兩性聚合物封裝為水溶性納米粒子Na-NPs。該納米粒子保持了有機(jī)分子的光吸收能力和自由基特性，并在近紅外激光（808 nm, 1.0 W· cm-2）照射下展現(xiàn)出優(yōu)異的光熱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)化效率。光聲成像研究表明，通過小鼠尾靜脈注射，Na-NPs 能有效地被動(dòng)富集在腫瘤部位，并于 5 小時(shí)左右抵達(dá)峰值。在808 nm 激光照射下，藥物富集的腫瘤部位溫度快速升高至 ≈ 48 ℃，實(shí)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞的消融。通過體外細(xì)胞和小鼠動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，Na-NPs 展現(xiàn)出了良好的生物相容性和光熱治療效果。
該研究為自由基的光物理性質(zhì)調(diào)控提供了新策略，并為高效近紅外光熱轉(zhuǎn)換劑的構(gòu)建提供了新的設(shè)計(jì)平臺(tái)。
論文信息
Molecular Engineering of Corrole Radicals by Polycyclic Aromatic Fusion: Towards Open-Shell Near-Infrared Materials for Efficient Photothermal Therapy
Hu Gao+, Xu Zhi+, Fan Wu,* Yue Zhao, Fangjian Cai, Pengfei Li, and Zhen Shen*
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202309208
