【人物与科研】北化梁瑞政副教授＆北师大闫东鹏教授：基于层状双氢氧化物和间苯二甲酸的纳米光敏剂用于单线态氧的产生和光动力治疗

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导语

目前，在光动力治疗中，光敏剂受限于激发光穿透性等因素，其¹O₂产生效率及治疗效果受到限制。纳米材料的出现为解决这一问题提供了新思路，近日，北京化工大学梁瑞政副教授＆北京师范大学闫东鹏教授报导了一种近红外光激发的超分子光敏剂，利用二维限域效应增强长寿命三线态激发，实现有效的双光子光动力学治疗（Nat. Commun. 2018, 9, 2798）。北京化工大学博士生高瑞和梅旭安为本文共同一作。

梁瑞政副教授简介

梁瑞政，北京化工大学副教授。2009年6月于广西大学获学士学位，2014年于牛津大学进行博士联合培养，2015年6月于北京化工大学（段雪院士课题组）获博士学位。2015年7月开始任北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室副教授。主要研究兴趣为二维插层复合材料的制备及其在生物医药领域的性能研究。目前以第一或通讯作者身份在 Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Biomaterials, Chem. Sci., Chem. Mater. 等期刊发表SCI收录研究论文25篇，受邀撰写综述3篇，其中IF>10的5篇，10>IF>6 的14篇，他引400余次。作为负责人承担国家自然科学基金、北京市自然基金等5项，参与“973计划“课题2项。荣获北京化工大学“青年英才百人计划”首批入选者。

闫东鹏教授简介

闫东鹏，北京师范大学教授。2007年和2012年先后在北京化工大学获得理学学士和工学博士学位，师从段雪院士。2012年7月留校任教，被聘为副教授。2014年受聘北京师范大学化学学院教授，博士生导师。研究领域为无机超分子化学、自组装有序功能薄膜、分子晶态材料的光电功能调控等。近5年来，以通讯作者身份在Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Chem. Sci., Mater. Horiz., Nano Energy, Small, Chem. Commun.等刊物发表SCI论文80余篇（IF>5的论文59篇，18篇被期刊推选为文章封面或插图）。文章他引超过2800次，H-index为36。研究工作被Nature Chemistry, Nature China, ACS Noteworthy Chemistry, Chemistry Views, Materials Views和Science Daily等以“News and Views”和“Research Highlight”等形式进行评论和报道。担任无机和结构化学领域知名学术丛书Structure and Bonding第166卷"Photofunctional Layered Materials"共同卷主编，我国《应用化学》和《中国化学快报》等期刊青年编委，40余种国际学术刊物的审稿人或仲裁人，CryEngComm期刊评选的2016年Top 10审稿人。授权美国发明专利2项，国家发明专利18项。先后主持国家自然基金3项，北京市自然基金1项，参与科技部重大研究计划项目，入选北京市科技新星。获得北京市教委授予的北京市优秀博士论文，"北京市高校成才表率"，北京高校优秀共产党员等荣誉。

前沿科研成果

基于层状双氢氧化物和间苯二甲酸

的纳米光敏剂用于单线态氧的

产生和光动力治疗

单线态氧（¹O₂）具有极高的活性和氧化性，在光动力治疗及光氧化催化领域中具有巨大的应用潜力。光敏剂是实现O₂到¹O₂转换的重要试剂。近年来，科研人员以石墨烯、硅材料和黑磷等为光敏剂来产生¹O₂，但这些光敏剂的吸收范围通常在700 nm以下，这将导致激发光组织穿透性较差，进而限制了¹O₂的产生效率。因此，开发近红外光激发的光敏剂用于生物诊疗极其重要且极具挑战。

近日，北京化工大学段雪院士、卫敏教授课题组的梁瑞政副教授和北京师范大学闫东鹏教授等人报道了一种近红外光激发的超分子光敏剂，利用二维限域增强的长寿命三线态激发，实现有效的双光子光动力学治疗。该纳米复合物的单线态氧产率高达0.74。体外细胞实验结果表明该纳米复合物的抗肿瘤效果良好，IC₅₀为0.153 μg/mL。在小鼠实验中，该纳米复合物表现出了很强的组织穿透能力、极低的生物毒性和很强的肿瘤抑制能力。该项工作为双光子激发的光敏剂的设计提供了新思路。

图1. 纳米复合物作为双光子光敏剂产生¹O₂

（来源：Nat. Commun.）

首先，作者选取二维层状复合氢氧化物（LDHs）作为主体，五种有机小分子作为客体，利用共沉淀方法制备了插层的水滑石纳米复合材料。通过水滑石的层间以及空间限域效应，将有机磷光单元固定于刚性二维空间中，极大地抑制了有机磷光体因转动和振动而产生的能量损失，从而提高了三线态发光寿命。

图2. ¹O₂的产生和光谱表征

（来源：Nat. Commun.）

在相同功率的双光子光源激发下，间苯二甲酸（IPA）插层的水滑石纳米复合材料表现出最强的发光强度，表明其具有极高的三重激子量子产率。同时，作者通过不同表征手段，如检测¹O₂在1270 nm处的荧光发射峰，测定¹O₂使1,3-二苯基异苯并呋喃 （DPBF）紫外吸收下降程度，以及电子自旋共振（ESR）谱图，证明了间苯二甲酸插层的水滑石纳米复合材料具有最强的¹O₂产生能力，可以进一步用作光敏剂。

图3. 纳米复合物的结构表征和¹O₂的产生效率

（来源：Nat. Commun.）

接着，作者对间苯二甲酸插层的水滑石纳米复合材料进行形貌表征，发现其具有二维片层结构，厚度在4 nm左右。当间苯二甲酸的插层比例达到100%时，其¹O₂产生效率达到最高。随后，作者以玫瑰红为标准试剂测定了该纳米复合材料的¹O₂量子产率，结果显示该光敏剂的¹O₂量子产率高达0.74（玫瑰红为0.76），高于目前大部分常见的光敏剂。

图4. IPA/LDH在Hela细胞中的光动力学治疗效果

（来源：Nat. Commun.）

接下来，作者选取Hela细胞进行细胞实验，发现间苯二甲酸插层的水滑石纳米复合材料在没有光照的情况下表现出良好的生物相容性。在光照条件下，作者用2',7'-二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）指示剂检测细胞内的活性氧，结果表明细胞内有明显的¹O₂产生，MTT实验结果显示该纳米复合材料的IC₅₀为0.153 μg mL⁻¹，具有优异的光动力治疗效果。Calcein-AM/PI染色结果可观察到较多的死亡细胞（红色荧光），进一步验证了其光照后的优异治疗效果。

图5. 体内生物分布和药物代谢动力学结果

（来源：Nat. Commun.）

为了进一步研究该光敏剂在生物体内的代谢行为，作者利用近红外染料Cy5.5对光敏剂进行标记，对光敏剂的药代动力学及体内分布进行了研究。结果表明，光敏剂在小鼠体内的半衰期高达9.71±0.93 h，利于其在体内的循环及肿瘤部位的积累。近红外荧光成像结果表明：由于EPR效应的存在，注射后12 h，光敏剂在肿瘤部位达到最大积累量，并且高于其他组织器官。

图6. IPA/LDH的体内光动力学治疗效果

（来源：Nat. Commun.）

最后，作者通过尾静脉注射的方式将该光敏剂注入小鼠体内，跟踪观察了16天内小鼠的肿瘤生长情况。肿瘤照片以及切片结果表明，间苯二甲酸插层的水滑石纳米复合材料对肿瘤具有显著的抑制作用，证明了其优异的光动力治疗效果。

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