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本文要點(diǎn):近紅外二區(qū)(NIR-II)熒光成像是近年來發(fā)展起來的一種新型體內(nèi)成像技術(shù),具有穿透深度深、空間分辨率高、成像速度快等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)與在NIR-II窗口中的發(fā)光的熒光團(tuán)相結(jié)合,可應(yīng)用于腫瘤成像、引導(dǎo)手術(shù)和藥理學(xué)療效評(píng)估等眾多研究,在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有巨大潛力。
半導(dǎo)體聚合物(SP)是zui近開發(fā)的一類性能優(yōu)異的NIR-II熒光團(tuán),具有強(qiáng)大的光捕獲能力、光學(xué)性能的靈活可調(diào)性、優(yōu)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(jié)構(gòu)不明確,體內(nèi)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(lián)反應(yīng)合成。SO除了有一般SP的優(yōu)點(diǎn)外,還具有較好的光穩(wěn)定性,并且由于分子量較小,易于在體內(nèi)代謝,在各種生物醫(yī)學(xué)研究中具有良好的應(yīng)用前景。
本研究通過受體工程方法設(shè)計(jì)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zui高的NIR-Ⅱ熒光亮度,可用于體內(nèi)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zui高占據(jù)分子軌道(HOMO)分布在整個(gè)分子骨架中,而zui低未占據(jù)分子軌道(LUMO)主要集中在受體上。這種HOMO-LUMO分離將導(dǎo)致分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT),HOMO-LUMO間隙越小,分子就越容易被激發(fā),表現(xiàn)為SO的吸收和發(fā)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(shí)間相關(guān)DFT(TDDFT)計(jì)算結(jié)果顯示,從O1到O3,λmax逐漸藍(lán)移,而振子強(qiáng)度不斷增加,與HOMO-LUMO間隙的變化趨勢和光譜測定結(jié)果非常一致。
簡而言之,由于TBZ是三種受體中吸電子能力zui弱的,抑制了ICT效應(yīng),從而反過來提高了低聚物的NIR-II熒光強(qiáng)度。因此,當(dāng)吸收強(qiáng)度相同時(shí),O3的熒光性能zui強(qiáng)。
圖1. 三種低聚物的光譜性質(zhì)、化學(xué)結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)
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(xiàn)出zui高的NIR-Ⅱ熒光亮度,且與濃度之間存在良好的線性關(guān)系。此外,O3 NP的斯托克斯位移計(jì)算值高達(dá)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(tài)與大小、光譜性質(zhì)、體外熒光及信號(hào)量化
在體外對(duì)O3 NP的光熱性能與光熱穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。用不同濃度的O3 NP在808nm下照射,可見隨著暴露時(shí)間的延長,O3 NP經(jīng)歷了明顯的溫度升高,呈現(xiàn)出濃度依賴的趨勢,表現(xiàn)出良好的光熱效應(yīng)。經(jīng)過幾個(gè)加熱-冷卻循環(huán)后,O3 NP的zui高溫度沒有明顯變化,表明O3 NP具有顯著的光熱穩(wěn)定性。
圖3. O3 NP的光熱性能與光熱穩(wěn)定性
體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步展示了O3 NP優(yōu)異的PTT潛力。即使O3 NP濃度達(dá)到200μg/mL,3T3細(xì)胞在O3 NP孵育后仍表現(xiàn)出較高的細(xì)胞存活率,表明O3 NP具有良好的生物相容性。然而,當(dāng)在808nm激光照射下用O3 NP處理HeLa細(xì)胞時(shí),觀察到HeLa細(xì)胞活力呈現(xiàn)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(xì)胞毒性
使用O3 NP對(duì)攜帶HeLa腫瘤的小鼠進(jìn)行體內(nèi)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(qiáng)度從隨時(shí)間逐漸增加,并在36小時(shí)達(dá)到zui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(hào)顯示,O3 NP主要通過肝膽系統(tǒng)清除。腫瘤顯示出除肝臟外zui高的NIR-II信號(hào),進(jìn)一步驗(yàn)證了O3納米粒子優(yōu)異的腫瘤積聚能力。
圖5. O3 NP小鼠體內(nèi)腫瘤成像
總之,本工作通過選擇不同的受體成功構(gòu)建了三種具有D-A-D結(jié)構(gòu)的低聚物。所制備的O3納米粒子不僅具有明亮的NIR-II發(fā)射,而且具有優(yōu)異的光熱性能,實(shí)現(xiàn)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(gòu)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(diào)節(jié)受體結(jié)構(gòu)來降低ICT效應(yīng),從而提高低聚物NIR-II亮度的策略將為開發(fā)具有優(yōu)異NIR-II性能的臨床治療探針提供了啟示。
參考文獻(xiàn)
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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近紅外二區(qū)小動(dòng)物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS
NIR-II in vivo imaging system
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