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多芳基吡咯近红外光敏剂:通过给体设计策略实现高效光热治疗恶性肿瘤

中国科学:化学 中国科学化学 2022-06-22
北京理工大学石建兵、郑小燕、董宇平教授和南方科技大学李凯教授合作,通过多芳基吡咯分子中的给体优化,获得了新型近红外光敏剂,并实现了长波长、高效率的光热效果。初步研究结果表明,该光敏剂对小鼠乳癌细胞(4T1)有明显的消融效果。

癌症已经成为威胁人们健康、降低幸福指数的无形杀手。目前,针对癌症的治疗方法有手术、化疗、放疗等。其中,光热疗法(PTT)正在成为浅表癌的有效治疗方法,而具有长波长、高光热转换效率的光敏剂的开发对PTT的发展至关重要。一般来说,要想获得长波长吸收/发射的光敏剂,要么延长分子的共轭结构,要么引入给体(D)-受体(A)形成推-拉结构。由于大共轭结构往往带来溶解性难题,因此,D-A结构设计是合成近红外吸收/发光染料的常用策略。

在已有的研究工作中,通过加强拉电子效果来红移近红外波长是主流,而探索供体效应对近红外波长以及光热转换效率影响的工作很少。此外,给电子基团中氮原子的杂化状态以及基团大小对光敏剂的光热效率研究也鲜有报道。

最近,董宇平教授等在前期积累工作的基础上,将不同杂化状态的含氮取代基作为给体引入到多芳基吡咯2,5位上的苯环对位上,合成了四种不同结构的D-A多芳基吡咯分子MAP1-FEMAP4-FE1。对种分子的光物理性能研究表明,不同的含氮给体基团对目标分子的给电子贡献明显不同,如图2所示,以DPADMA为给体时,MAP3-FEMAP4-FE在近红外区域具有较强的吸收,溶液中的长波长吸收能达到700 nm,固态时能达到800 nm。将MAP4-FE制备成纳米粒子后表现出了良好的光热效果,光热转换效率能达到72%,是潜在的高效PTT光敏剂。


1. 多芳基吡咯分子的化学结构式。

2. 多芳基吡咯分子的紫外-可见吸收光谱和荧光光谱。(AMAPs-FETHF溶液中的归一化紫外-可见光谱。(BMAPs-FETHF溶液中的归一化荧光光谱。(CMAPs-FE粉末的归一化紫外-可见光谱。(DMAPs-FE粉末的归一化荧光光谱。

为了进一步阐明机制,作者基于通过非共价键弱相互作用的协同效应,对自发聚集的动力学过程和聚集体构象的变化等进行了系统的研究。结果表明,MAP3-FEMAP4-FE在聚集状态下的松散排列为分子提供了更多的运动空间(图3)。与MAP3-FE相比,具有小取代基的MAP4-FE表现出更高的键旋转自由度,从而表现出了更好的光热转换效率。

3.分子动力学模拟获得的MAP3-FEMAP4-FE聚集体的快照和代表性二面角的统计分布。(AMAP3-FE和(DMAP4-FE的无定形聚集体的快照。(BMAP3-FE和(EMAP4-FE的分子结构。(CMAP3-FE和(FMAP4-FE在聚集状态下的代表性二面角分布。 

为了更好评价PTT效果,作者使用两亲性聚合物DSPE-PEG2000MAP4-FE制备为具有较好水溶性和良好生物相容性的光敏剂纳米颗粒MAP4-FENPs并由尾静脉注射到小鼠体内。利用660 nm的激光对聚集在小鼠肿瘤部位的MAP4-FE NPs进行照射,取得了良好的光热治疗效果。通过对照组实验,4天后肿瘤基本消失(图4),而该光敏剂对小鼠的生长以及各项生理指标几乎没有影响。该结果表明多芳基吡咯类光敏剂在PPT领域具有潜在的应用前景。

4.A)不同治疗组的小鼠相对肿瘤体积变化,插图为MAP4-FENPs+Laser治疗后收集的肿瘤图像。(B)不同治疗组的小鼠体重,经不同治疗未见明显副作用。

该工作为开发高光热转化效率的光敏剂提供了新视角,并为癌症的有效光热治疗提供新材料。详见Ren F, Li Z, Li K, Zheng X, Shi J, Zhang C, Guo H, Tong B, Xi L, Cai Z, Dong Y. Donor strategy for promoting nonradiative decay to achieve an efficient photothermal therapy for treating cancer. Sci. China Chem., 2021, 64, 1530-1539.

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