南京大学郭子建院士／何卫江教授／陈韵聪副教授《Chem. Sci》：硒代部花菁光

　　

　　部花菁染料(HD)作为一类经典的近红外荧光(NIRF)分子，在生物传感和成像领域具有广阔的应用前景。通过对部花菁结构进行改造和修饰，赋予其光敏性能，推动了其在肿瘤成像和治疗方面的发展。常见的用于增强部花菁光敏性的方法是将重原子引入到荧光团结构上，以提高活性氧(ROS)的产生能力。然而，重原子的引入可能会增大细胞暗毒性，导致对正常组织的毒副作用，过多的基团修饰可能会导致合成步骤繁琐，反应产率低下以及难以避免的水溶性等问题。另外，部花菁结构易被ROS(如1O2)破坏而引起严重的光漂白现象。因此，在扩大部花菁染料的成像窗口和提高其治疗效果的同时避免光漂白和暗毒性仍然存在很大挑战。

　　最近，南京大学郭子建院士、何卫江教授和陈韵聪副教授等通过单原子改造策略构建了一例硒原子取代的部花菁光敏分子CySe-NEt2，并将其应用于荧光/光声双模式成像指导下的肿瘤光疗研究（图1）。该成果以Single-atom engineering of hemicyanine and its amphiphilic derivative for optimized near infrared phototheranostics发表在 Chemical Science上。

　　

　　

　　图1 单原子(氧、硫和硒)类部花菁设计策略及靶向肿瘤光疗示意图

　　与氧代和硫代的部花菁相比，硒代部花菁的吸收和发射光谱都发生了明显的红移，分别可达到776 nm和818 nm。硒原子的引入极大地增强了部花菁的自旋轨道耦合(SOC)常数，提高了单重态到三重态的系间窜越速率( k ISC)，从而增强了光敏性能(图2)，包括 1O 2产率( Φ Δ)增加了15倍以上，光热转换效率(PCE值)增强至42%。在750 nm激光照射下, 线粒体靶向型光敏剂CySe-NEt 2产生的ROS很容易导致线粒体膜电位(MMP)损失，其光毒性指数PI为20.5，明显高于CyO-NEt 2(PI, <3.0)和CyS-NEt 2(PI, 3.7)。硒代部花菁结构作为高效的PDT/PTT光敏剂远胜于其它两类染料，但重原子硒修饰也导致了一定的细胞暗毒性和部花菁结构的光不稳定性。

　　

　　图2 (a) CyX-NEt2(X = O, S或Se)的化学结构;（b）吸收光谱；(c) 发射光谱；（d）1O2降解DPBF的吸光度下降曲线；(e) 理论计算模拟HOMO-LUMO电子云分布和能级差; (f) CyO-NEt2, (g) CyS-NEt2和(h) CySe-NEt2的ISC通道形成过程及SOC值计算

　　为了解决暗毒性和光稳定性的问题，作者将聚乙二醇链通过铜(I)催化的点击化学反应接到CySe-NEt 2上合成了一例宏观诊疗试剂CySe-mPEG 5K，其可以在水溶液介质中自组装形成水合粒径约为100 nm的球形纳米颗粒，有效抑制了分子间的H-聚集，这种纳米颗粒继承了小分子CySe-NEt 2的高 1O 2生成产率( Φ Δ = 14.2%)和高光热转换效率(PCE = 40.5%)，具有优异的光稳定性、光声效应、细胞光毒性、快速/选择性肿瘤富集和最低的暗毒性等优异的性能(图3)。

　　

　　图3 (a) CySe-mPEG5K的化学结构;（b CySe-mPEG5K的DLS粒径分布和TEM图像；(c) CySe-NEt2和CySe-mPEG5K在PBS缓冲液中的归一化吸收和发射光谱；（d）光声光谱；(e) 1O2降解DPBF的吸光度下降曲线；（f）光稳定性实验；(g) 黑暗和 (h) 光照条件下CySe-mPEG5K与4T1细胞共孵育后的细胞存活率；(i)细胞摄取实验

　　最后，在近红外荧光(NIRF)和光声成像(PA)的指导下，CySe-mPEG 5K通过靶向肿瘤并联合光动力疗法(PDT)和光热疗法(PTT)显著抑制了实体肿瘤的生长(图4)。上述结果表明，优异的生物相容性和肿瘤靶向光疗效果使得CySe-mPEG 5K成为一例有潜力的用于肿瘤成像和消融的诊疗试剂。

　　

　　图4 (a) 尾静脉注射CySe-NEt2和CySe-mPEG5K后，不同时间点荷瘤小鼠的侧面及背部荧光成像;（b）光声成像；(c) 不同实验组的肿瘤体积变化曲线；（d）不同实验组体重变化曲线

　　本工作构筑了第一例硒取代的部花菁染料光敏剂分子，为开发多模式成像引导的联合治疗试剂提供了可靠的设计策略。

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　　https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/sc/d2sc05982g

　　来源：BioMed科技

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