分享一篇2024年發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition上的文章，題目是“Thiophene π-Bridge Manipulation of NIR-II AIEgens for Multimodal Tumor Phototheranostics”。文章的通訊作者是深圳大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王東教授。
癌癥是一個全球性的健康問題，長期以來一直威脅著全人類的生命安全，開發(fā)有效的癌癥治療手段勢在必行。傳統(tǒng)的手術(shù)、化療、放療方案存在復(fù)發(fā)率高、副作用大、治療有創(chuàng)性等缺點，在一定程度上制約了其進(jìn)一步推廣。光治療學(xué)是指在光誘導(dǎo)下對疾病進(jìn)行同時診斷和治療的學(xué)科，由于其治療效果滿意、給藥可控、無創(chuàng)治療等令人贊嘆的優(yōu)點，正引起人們越來越多的研究興趣。有必要構(gòu)建在近紅外二區(qū)(NIR-II, 1000-1700 nm)具有發(fā)射或吸收的試劑，因為它允許弱的自動熒光，較低的照片散射和最小的光損傷。在本研究中，作者探討了不同π橋之間的細(xì)微差別，以指導(dǎo)NIR-II AIEgens的設(shè)計。通過巧妙地調(diào)節(jié)π橋，首先得到了5個AIEgens(方案1A)。在實驗與計算相結(jié)合的基礎(chǔ)上，對其吸收/發(fā)射波長、AIE特性、熒光量子產(chǎn)率(QY)、活性氧(ROS)生成效率、光熱轉(zhuǎn)換效率(PCE)等治療性能進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究。在660 nm近紅外激光照射下，含苯并噻吩的BT-NS NPs具有優(yōu)異的摩爾吸收系數(shù)、良好的NIR-II熒光功效、出色的ROS生成能力和良好的光熱轉(zhuǎn)換能力，具有顯著的治療效果。最終，具有良好生物相容性的BT-NS NPs在NIR-II FLI/PAI/PTI三模成像引導(dǎo)的PDT/PTT腫瘤上表現(xiàn)良好(方案1B)。
方案1 具有多模態(tài)光療性能的NIR-II AIEgens π橋工程示意圖。
硒二唑[2,3-c][1,2,5]作為電子受體片段，考慮到硒的重原子效應(yīng)通過促進(jìn)系統(tǒng)間交叉(ISC)過程有利于擴(kuò)增ROS的產(chǎn)生。此外，與含硫的萘[2,3-c][1,2,5]噻二唑相比，其更強(qiáng)的吸電子能力使其更容易在NIR-II區(qū)發(fā)射。叔丁基二苯胺的扭曲分子結(jié)構(gòu)作為分子轉(zhuǎn)子，保證了AIE屬性的表現(xiàn)，同時作為電子給體促進(jìn)了ICT。合理設(shè)計連接電子給體和電子受體單元的π橋，可以共價連接具有不同光物理性質(zhì)的熒光團(tuán)。作者首先選擇苯基作為π橋得到P-NS。為了延長吸收/發(fā)射波長，采用含噻吩、正烷基噻吩、3,4 -乙烯二氧噻吩、苯并[c]噻吩的各種噻吩基π橋分別合成了T-NS、C6T-NS、OT-NS和BT-NS（圖1A）。為了深入了解它們的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，對上述分子在基態(tài)(S0)下的優(yōu)化幾何形狀進(jìn)行了密度函數(shù)理論(DFT)模擬。當(dāng)苯環(huán)被噻吩取代后，由于噻吩的位阻較小，π橋與電子受體之間的二面角從54.6°減小到38.6°/ 49.2°(圖1B)。為了扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)構(gòu)象，在噻吩部分安裝了不同的取代基。正如預(yù)期的那樣，大團(tuán)的存在使得二面角范圍從51.4°到75.7°更大，表明扭曲的結(jié)構(gòu)主干有利于減輕分子間π -π相互作用(圖1C)。值得注意的是BT-NS顯示出最窄的能帶隙為1.74 eV，表明吸收波長延長，這是由于苯并[c]噻吩單元的共軛長度增加所致。
圖1：化合物的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)
為了進(jìn)一步了解其光物理特性，采用紫外-可見-近紅外光譜和光致發(fā)光光譜進(jìn)行了嚴(yán)格的研究。如圖2A所示，在577、661、589、601和662 nm處測得THF中所得產(chǎn)物的最大吸收波長，在660 nm處的摩爾系數(shù)值(η)分別為0.18×104、1.0×104、0.5×104、0.56×104和0.76×104 M -1 cm -1。這些化合物的標(biāo)準(zhǔn)化PL光譜顯示出非常寬的發(fā)射光譜，最大發(fā)射波長分別為789、990、896、941和1003 nm(圖2B)。值得注意的是，BT-NS具有超過1000 nm的最長發(fā)射波長，Stokes位移高達(dá)343 nm，顯示出典型的NIR-II發(fā)射，這允許高分辨率NIR-II FLI，特別是在深位置。為了確定其AIE特性，我們測試了五種染料在劣質(zhì)溶劑水含量為0 ~ 90%的THF/水混合物中的熒光光譜。如圖2C所示，所有化合物作為單體在THF溶液中都有微弱的發(fā)光。然而，隨著水含量逐漸增大形成聚集體，分子的自由運動受到限制，發(fā)射強(qiáng)度增強(qiáng)，表現(xiàn)為典型的AIE性質(zhì)。如圖2F-G所示，激光持續(xù)照射5min后，BTNS的溫度在60℃左右達(dá)到最大值，顯示出出色的產(chǎn)熱效率。相比之下，其他四種分子表現(xiàn)出令人不滿意的升溫結(jié)果，這可以部分解釋為在660 nm處缺乏光捕獲能力。然后，作者研究了BT-NS在非輻射衰減通道中的能量耗散途徑。計算出BT-NS的總重組能為4152 cm-1，表明單分散狀態(tài)下分子內(nèi)運動劇烈。屬于二面體扭轉(zhuǎn)的低頻模態(tài)占總貢獻(xiàn)的65.66%，表明脊柱扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度較大(圖2H)。如圖2I所示，BT-NS的S0和激發(fā)態(tài)(S1)差異明顯，均方根位移(RMSD)值為1.135 ?，激發(fā)態(tài)構(gòu)象變化明顯。
圖2：化合物的性質(zhì)研究
為了使BT-NS具有良好的水分散性，作者采用DSPE-mPEG2000作為基質(zhì)對BT-NS進(jìn)行封裝，形成均勻的NPs(圖3A)。動態(tài)光散射(DLS)和透射電子顯微鏡(TEM)檢查所制備的NPs具有均勻的球形形態(tài)，直徑約為67 nm(圖3B)，這是通過增強(qiáng)滲透性和滯留性(EPR)效應(yīng)在腫瘤中積累的最佳選擇。與THF溶液相比，BT-NS NPs的UV-Vis-NIR吸收光譜和PL光譜呈現(xiàn)紅移趨勢，峰值分別位于
