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唐本忠院士/李凱教授合作《ACS Nano》：“一體式”近紅外發(fā)光納米聚集體用于提高癌癥診療效果 | 前沿用戶報(bào)道
熒光引導(dǎo)癌癥光療，主要包括熒光成像(FLI)，光動(dòng)力療法(PDT)和光熱療法(PTT)，因其具有非侵入性和高效性，近年來(lái)逐漸成為研究腫瘤治療的重要手段。但有時(shí)單一模式的治療具有局限性，若能實(shí)現(xiàn)能量的高效分配，結(jié)合PTT和PDT兩種療法，勢(shì)必會(huì)為病灶的消除增加保障。聚集體科學(xué)為腫瘤多模式的聯(lián)合治療提供了新的思路。聚集體可以表現(xiàn)出與其單個(gè)分子不同的特性，其能量耗散途徑更加多元，這為構(gòu)建多功能“一體式”光療劑及實(shí)現(xiàn)腫瘤的臨床治療具有重大意義。
最近，唐本忠院士課題組與南方科技大學(xué)李凱教授課題組合作，設(shè)計(jì)了一個(gè)兼具近紅外發(fā)光、高熒光量子產(chǎn)率、高光熱轉(zhuǎn)換效率和活性氧產(chǎn)生效率的多功能診療平臺(tái)。該研究報(bào)道的納米聚集體能夠高效利用能量，通過(guò)有效的能量耗散調(diào)節(jié)，在小鼠腫瘤部位顯示明亮的熒光，同時(shí)表現(xiàn)出良好的光動(dòng)力和光熱治療效果，并最終消除腫瘤(圖1)。這項(xiàng)工作對(duì)合理設(shè)計(jì)和構(gòu)建具有高能量耗散利用率的“一體式”近紅外光療聚集體用于腫瘤的診斷和治療具有重要意義。相關(guān)工作以“Design of One-for-All Near-Infrared Aggregation-Induced Emission Nanoaggregates for Boosting Theranostic Efficacy”為題發(fā)表在ACS Nano上。
圖1. TPA-TBT納米聚集體的設(shè)計(jì)和應(yīng)用示意圖
分子設(shè)計(jì)與合成
研究者通過(guò)調(diào)節(jié)不同的供電子基團(tuán)，并通過(guò)烷基鏈取代的噻吩連接吸電子基團(tuán)TBT，構(gòu)建了兩個(gè)具有明顯聚集誘導(dǎo)發(fā)光(AIE)性質(zhì)的分子TPE-TBT和TPA-TBT。其中TBT核具有強(qiáng)吸電子能力和化學(xué)穩(wěn)定性，且其具有烷基側(cè)鏈，可使分子具有扭曲構(gòu)象，避免了分子間π-π堆疊。隨后，研究者以甲氧基TPE和TPA基團(tuán)為供電子和轉(zhuǎn)子單元，以烷基化噻吩為π橋，賦予分子扭曲主鏈以獲得更好的AIE特性和增強(qiáng)的溶解度(圖 2)。
圖2.TPE-TBT和TPA-TBT的合成路徑以及優(yōu)化的計(jì)算模擬幾何結(jié)構(gòu)和前沿分子軌道
光物理、光動(dòng)力和光熱特性
TPE-TBT和TPA-TBT均具有近紅外區(qū)域的吸收和發(fā)射，并且兩個(gè)分子都顯示明顯的AIE性質(zhì)。TPE-TBT表現(xiàn)出非常活躍的輻射躍遷，因而熒光量子產(chǎn)率很高，但其非輻射躍遷的能量卻很有限，不利于在光熱和光動(dòng)力治療方面的應(yīng)用；TPA-TBT的吸收光譜和發(fā)射光譜的紅移更大，并且由于其強(qiáng)烈的電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)和扭曲構(gòu)象，它的斯托克斯位移達(dá)到了210 nm，能夠有效提高成像分辨率。制備的TPA-TBT納米聚集體表現(xiàn)出明亮的熒光，顯著的光熱轉(zhuǎn)換效率和活性氧生成效率(圖3)。這些特性允許其在輻射和非輻射能量耗散之間取得平衡，使得PLI/PTT/PDT協(xié)同診斷和治療成為可能。并且，上述所有功能均集成在TPA-TBT納米聚集體，避免了多組分納米粒子的繁瑣制備和復(fù)雜性，具有低成本、易制備以及高簡(jiǎn)便性的優(yōu)勢(shì)。
圖3. TPA-TBT和TPE-TBT及其納米聚集體的光物理、光熱和光動(dòng)力特性
納米聚集體的診療效果
TPA-TBT納米聚集體表現(xiàn)出較低的暗毒性和劑量依賴的光毒性，可以產(chǎn)生活性氧與光熱協(xié)同殺滅癌細(xì)胞。研究者通過(guò)巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，在細(xì)胞層面區(qū)分了光熱療效和光動(dòng)力療效，證明了TPA-TBT納米聚集體同時(shí)具有兩種治療效果。且集成PTT和PDT兩種方式的實(shí)際治療效果會(huì)遠(yuǎn)高于僅使用其中一種。通過(guò)小鼠實(shí)驗(yàn)，研究者證實(shí)了所述TPA-TBT納米聚集體可以進(jìn)行腫瘤部位成像，并且在有效消除腫瘤的同時(shí)，對(duì)生物其他部位具有良好的生物相容性(圖4)。此研究報(bào)道的“一體式”光療平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了熒光引導(dǎo)的PDT和PTT對(duì)腫瘤的協(xié)同診療，拓寬了多功能聚集體的設(shè)計(jì)和構(gòu)建思路，并促進(jìn)了成像引導(dǎo)、多模態(tài)治療領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。
圖4. TPA-TBT納米聚集體體內(nèi)抗癌效果以及腫瘤組織的染色分析
以上研究成果近期發(fā)表在 ACS nan0上。其中材料設(shè)計(jì)與表征由香港科技大學(xué)謝會(huì)琳博士完成，生物實(shí)驗(yàn)則主要由南方科技大學(xué)畢震宇同學(xué)完成；唐本忠院士(現(xiàn)為香港中文大學(xué)(深圳)理工學(xué)院院長(zhǎng))，南方科技大學(xué)李凱教授和香港科技大學(xué)郭子健助理教授為本文通訊作者。
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