唐本忠院士团队/南科大李凯教授课题组 ACS Nano：用于提高诊疗效果的“一体式”近红外发光纳米聚集体

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集成诊断和治疗功能的光疗剂在精准医学领域非常有前途，因为它们充分利用光能进行能量转换或转导，具有多功能、低成本和便捷使用的优势。从诊断的角度来看，近红外荧光成像(FLI)对自发荧光的干扰较低，相比可见光区域的常规成像，成像深度得到改善，灵敏度更高。另一方面，光热治疗(PTT)和光动力治疗(PDT)因其无创、可控、耐药性低等特点，得到了极大的研究关注。其中，PTT利用分子激发态的非辐射跃迁将光能转化为热能进行治疗，而PDT则涉及激发态分子的能量转移过程，产生高反应性的活性氧，从而诱导细胞损伤和凋亡。但是单一进行PTT或PDT治疗有时并不能完全消除肿瘤，例如，升高的温度可能不足以消除病变，而肿瘤组织的缺氧微环境也可能限制活性氧的产生。因此，若能在荧光定位病灶的同时结合PTT和PDT两种疗法，将会得到更有好的诊疗效果。然而，由于分子竞争性的能量弛豫途径难以调节，并且很多平面有机分子在聚集时荧光会发生猝灭，真正同时实现高效FLI、PTT和PDT的报道很少。

聚集体科学为解决这一难题提供了更多机会，因为聚集体可以表现出与其单个分子不同的特性。聚集体的能量耗散途径更加多元，这为构建“一体式”光疗剂及实现其多功能性提供了更多可能。基于此，唐本忠院士团队和南方科技大学李凯教授课题组合作，报道了一个具有近红外发光，兼具高荧光量子产率、活性氧产生效率和光热转换效率的多功能诊疗平台。体内研究表明，该平台使用的TPA-TBT纳米聚集体可使小鼠肿瘤显示明亮的荧光，同时表现出良好的光动力和光热治疗效果，并最终完全消除肿瘤（图1）。这项工作对合理设计和合成具有高能量耗散利用率的“一体式”近红外光疗聚集体用于肿瘤的精确诊断和有效治疗具有重要意义。相关工作以“Design of One-for-All Near-Infrared Aggregation-Induced Emission Nanoaggregates for Boosting Theranostic Efficacy”为题发表在ACS Nano上。

图1. TPA-TBT纳米聚集体的设计和应用示意图

这项工作的研究内容和亮点主要包括：

１）通过调节不同的供电子基团，并通过π桥连接吸电子基团TBT，研究者构建了两个具有明显聚集诱导发光（AIE）性质的分子TPE-TBT和TPA-TBT。其中TBT核具有很强的吸电子能力，可使荧光发射波长红移，且其具有烷基侧链，可增加空间位阻防止分子间π-π堆叠并使分子具有扭曲构象。此外，TBT在化学反应和处理过程中表现出良好的溶解度和稳定性。随后，研究者分别以甲氧基TPE和TPA基团为供电子和转子单元，以烷基化噻吩为π桥，赋予分子扭曲主链以获得更好的AIE特性和增强的溶解度（图 2）。

图２.TPE-TBT和TPA-TBT的合成路径以及优化的计算模拟几何结构和前沿分子轨道

２）TPE-TBT和TPA-TBT均具有近红外区域的吸收和发光，并且两个分子均显示明显的AIE性质。其中，TPE-TBT表现出非常活跃的辐射跃迁，因而荧光量子产率很高，但却牺牲了非辐射跃迁，导致其光热转换效率和活性氧产生效率低。相比之下，TPA-TBT具有更红移的吸收和发射光谱，其荧光量子产率虽略低于TPE-TBT，但得益于丰富的分子内转子、高供体-受体强度和扭曲构象，TPA-TBT纳米聚集体表现出明亮的荧光，显著的光热转换效率和活性氧生成效率（图３）。这些奇妙的特性允许其在辐射和非辐射能量耗散之间取得平衡，使得荧光成像/光热疗法/光动力疗法协同诊断和治疗成为可能。并且，所有功能均集成在TPA-TBT纳米聚集体，该“一体化”的光疗剂对于后续应用具有低成本性、易制备性以及高简便性。

图３.TPE-TBT和TPA-TBT及其纳米聚集体的光物理性质

３）研究者通过巧妙的实验设计，在细胞层面区分了光热疗效和光动力疗效，证明了TPA-TBT纳米聚集体同时具有两种治疗效果。随后研究者探究了单一使用光热治疗或光动力治疗的效果，并证明在本研究中，集成PTT和PDT两种治疗方式的实际效果会远高于仅使用其中一种。

４）通过小鼠实验，研究者证实了所述TPA-TBT纳米聚集体可以进行肿瘤部位成像，并且在有效消除肿瘤的同时，对生物其他部位具有良好的生物相容性（图４）。此研究报道的“一体式”光疗平台拓宽了多功能聚集体的设计和构建思路，并促进了纳米聚集体材料在多模态成像引导协同治疗领域的发展。

图４.TPA-TBT纳米聚集体用于小鼠肿瘤消除治疗

以上研究成果近期发表在ACS nano上。其中材料设计与表征由香港科技大学谢会琳博士完成，生物实验则主要由南方科技大学毕震宇同学完成；唐本忠院士（现为香港中文大学（深圳）理工学院院长），南方科技大学李凯教授和香港科技大学郭子健助理教授为本文通讯作者。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c10661

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