高吸光系數染料協同實現近紅外二區(qū)熒光成像和近紅外一區(qū)光熱療法
本文要點：光治療學是利用光子學的能量產生熒光和光熱效應的一門新興的原位診斷和實時治療技術。由于光穿透更深，在NIR（700-900 nm) 區(qū)域具有吸光度的光熱療法極具吸引力，并且可以有效地將吸收的近紅外光能轉化為 NIR-II(1000-1700 nm) 熒光信號和同時加熱。光熱療法 (PTT) 可以將產生的熱量用于光可控、無創(chuàng)且有效的治療方式。
盡管具有NIR-II 熒光和光熱效應的有機材料已被廣泛研究用于腫瘤的準確診斷和治療，但優(yōu)化兩者的輸出信號仍然具有挑戰(zhàn)性。由于光子吸收的增加可以自然地增強輸出信號，因此在這里作者提出了通過“擴大吸收庫”來合成具有高吸光度和極好的信號輸出的NIR-Ⅱ染料以解決這個問題。作者利用具有強吸光能力的二酮吡咯并吡咯（DPP）衍生物以擴大吸收能力。同時，為了有效防止分子間 π-π 相互作用，將兩個高度扭曲的部分三苯胺（TPA）和烷基噻吩-苯并雙噻二唑-烷基噻吩（AT-B-AT）接枝到 DPP上。隨后，作者為了優(yōu)化吸光度，設計了分別具有一個和兩個DPP單元的共軛熒光團TADAT和 TDADT（如圖2a）。作者通過測量兩者的量子產率和光熱轉變效率（PCE），TDADT顯示出更好的光物理性質。隨后作者通過高斯軟件計算了化合物中不同部位之間的二面角，以證實高度扭曲的結構可以限制分子間相互作用以增強聚集狀態(tài)的熒光量子產率（如圖2b）。
圖1：NIR-II熒光成像引導手術和腫瘤的NIR-I PTT擴大吸收庫的分子設計策略
作者通過UV-vis-NIR和光致發(fā)光光譜來檢測TADAT、TDADT兩個化合物的光物理性質（如圖3）。由于考慮到生物相容性，作者研究了聚集狀態(tài)下的光物理性質。作者通過在兩種化合物的THF溶液中加入不同體積的水以測定不同質量百分比水的溶液中，兩個化合物的光致發(fā)光熒光強度。通過測量，發(fā)現在fw≤30%時，熒光強度隨著fw的增加逐漸減小，當fw＞30%，熒光強度先增加后減小，這是AIE和ACQ效應競爭的結果。通過實驗作者得出結論，在fw為90%時，化合物仍然保持高水平的熒光強度。
圖2：a) TADAT和TDADT的化學式。b)優(yōu)化的基態(tài)(S0)幾何結構。c) B3LYP/6-311g(d, p)理論水平給出的 LUMO 和 HOMO 示意圖
考慮到在生物應用中的水分散性和延長血液循環(huán)時間，作者將兩個化合物與DSPE-PEG2000結合制備成相應的納米顆粒。作者通過測定，發(fā)現TDADT NPs相比于TADAT NPs紅移。作者也測定了DADT NPs和TADAT NPs的光熱性能，兩種納米顆粒在808nm 0.5W/cm2的照射下，5分鐘溫度可以達到81℃，表現出良好的光熱性能。
圖3：TADAT 和 TDADT 的光物理特性。a,d) TADAT 和 TDADT 在 THF 和 THF/H2O 混合物中的摩爾消光系數（fw=95vol%）。b,e)THF/水混合物中PL強度隨 fw 的變化。c,f) 不同峰（1270、1114 和 986 nm）的熒光強度對不同fw 的響應。
為了評估 NPs 在體內的 NIR-II 成像性能，作者進行循環(huán)系統和疾病診斷密切相關的血管造影術。向血液中注射NPs后，在1250nm下進行大腦皮層和后肢成像（如圖5a、5b）。動脈、靜脈和毛細血管都可以通過處理后5分鐘的 NIR-II 熒光信號的方向清晰地顯示出來，從而提供血液循環(huán)系統的準確映射。為了進一步確定NPs的可行性，作者隨后又實施了活體的前哨淋巴結成像（如圖5c）。
圖4：TADAT 和 TDADT NPs 的光物理特性。a）制備NIR-II NPs的圖示。所得納米顆粒具有 NIR-II 熒光和光熱特性，其中黃色暈圈和火焰圖案分別代表 NPs 產生 NIR-II 熒光和熱的能力。b）NP的吸光度和熒光光譜。c) NPs (1000-1400nm)的積分熒光光譜隨 808 nm 處不同吸光度的變化。d) 具有不同 LP 濾光片（左）和不同組織深度（右）的NPs(50 µM) 的體外 NIR-II 熒光圖像。e) TADAT、TDADT NPs和ICG(50 µM)在808nm激光照射(0.5 W cm−2)下的溫度變化。f)TADAT、TDDDT NPs 和 ICG (50 µM) 在加熱-冷卻過程（五次循環(huán)）下的抗光漂白特性。g) TDADT NPs 在不同濃度的 808 nm 激光照射下的光熱特性。
基于TDADT NPs出色的體內NIR-II成像能力，作者想要發(fā)現在術前評估和術中觀察中容易被忽視的微小腫瘤結節(jié)。作者通過將TDADT NPs靜脈注射進腹膜癌病模型的小鼠體內并在12h后進行成像，腫瘤的生物發(fā)光信號與 NIR-II 熒光信號完全重疊，表明 NPs 在腫瘤部位有效積累（如圖6a）。通過4T1荷瘤小鼠的抗腫瘤生長實驗，作者評估了TDADT-NPs的體內光熱性能。作者對“鹽水+激光”、“TDADT NPs+激光”兩組的小鼠進行熱成像觀察，TDADT NPs 組小鼠的腫瘤顯示出從37°C到68°C 的顯著的溫度升高，而從“鹽水”組觀察到的溫度變化可以忽略不計。通過監(jiān)測16天的腫瘤體積變化，作者進一步研究了TDADT NPs的體內光熱治療能力。實驗表明“TDADT NPs + laser”組的腫瘤幾乎被消除，而其他三組的腫瘤生長速度呈穩(wěn)步上升趨勢，隨后通過H&E染色證實了TDADT NPs有良好的生物相容性。
圖5：使用TDADT 和TADAT NP（500 µM，200 µL）（1250 nm LP,600ms，20mW cm-2）進行體內NIR-II熒光成像。分別在 5 分鐘、5 分鐘和8小時施用NPs 后，a) 腦血管、b) 后肢血管和 c) 淋巴結的熒光成像。
圖6：未使用和使用 TDADT NPs（500 µM，200 µL）熒光引導手術進行腫瘤切除。a)手術前后腹腔腫瘤的生物發(fā)光和NIR-II熒光成像數據。b)非引導和圖像引導組切除結節(jié)的生物發(fā)光和 NIR-II成像。c)切除的結節(jié)直徑的統計數據。
圖7：a) 在激光照射（808nm，0.75 W cm-2）下不同時間施用 TDADT NPs的4T1荷瘤小鼠的紅外熱成像。分別為靜脈注射NPs（500 µM，200 µL）和生理鹽水12h后，進行激光照射。b)腫瘤部位溫度隨808nm激光 (0.75 W cm-2)的照射時間而變化，這是 (a) 數據的反映。c) 不同治療組小鼠的腫瘤生長曲線。d) 不同治療組小鼠體重隨治療后時間的變化。
參考文獻
Li Y, Zhang J, Liu S, et al. Enlarging Reservoir: High Absorption Coefficient Dyes Enable Synergetic Near Infrared‐II Fluorescence Imaging and Near Infrared‐I Photothermal Therapy[J]. Advanced Functional Materials, 2021.
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紅外二區(qū)小動物活體熒光成像系統 - MARS
NIR-II in vivo imaging system
高靈敏度 - 采用Princeton Instruments深制冷相機，活體穿透深度高于15mm
高分辨率 - 定制高分辨大光圈紅外鏡頭，空間分辨率優(yōu)于3um
熒光壽命 - 分辨率優(yōu)于 5us
高速采集 - 速度優(yōu)于1000fps （幀每秒）
多模態(tài)系統 - 可擴展X射線輻照、熒光壽命、一區(qū)熒光成像、原位成像光譜，CT等
顯微鏡 - 紅外二區(qū)高分辨顯微系統，兼容成像型光譜儀
