氮雜吲哚菁J-聚集體紅移160 nm，實(shí)現(xiàn)近紅外二區(qū)光熱腫瘤治療

本文要點(diǎn)：具有超大紅移（>150 nm）特性的有機(jī)生色團(tuán)J聚集現(xiàn)象，為在第二近紅外（NIR-II，1000–1700 nm）波段推進(jìn)腫瘤光熱治療提供了一種潛力的策略。本研究通過引入氮雜吲哚基團(tuán)設(shè)計合成了七甲川菁染料CyN-OMe，該基團(tuán)可精準(zhǔn)調(diào)控分子內(nèi)電子分布與分子間相互作用，促使CyN-OMe在生理鹽水中快速形成電荷轉(zhuǎn)移介導(dǎo)的J-聚集體。該聚集體最大吸收波長紅移至1035 nm（NIR-II窗口），較單體產(chǎn)生160 nm顯著紅移。本文系統(tǒng)探究了CyN-OMe J-聚集體的形成機(jī)制，并評估了其在不同條件下的穩(wěn)定性。該聚集體在1064 nm激光照射下展現(xiàn)出63.7%的高光熱轉(zhuǎn)換效率，成功在小鼠模型中實(shí)現(xiàn)腫瘤消融。本工作為開發(fā)具有超大紅移特性的J-聚集體提供了普適性分子設(shè)計策略。

活體成像

方案1. 從氮雜吲哚菁染料構(gòu)建J-聚集體作為腫瘤NIR-II PTT的PTA

本研究以七甲川菁染料（Cy7）為分子骨架，通過對Cy7類染料IR786的吲哚基團(tuán)進(jìn)行雙邊氮雜吲哚取代（方案1A），開發(fā)出新型衍生物CyN-OMe。CyN-OMe在生理鹽水中自發(fā)形成電荷轉(zhuǎn)移（CT）介導(dǎo)的J-聚集體。相較于有機(jī)溶劑中的單體形態(tài)，CyN-OMe聚集體的光物理性質(zhì)顯著提升，其吸收帶產(chǎn)生160 nm的超大紅移，最大吸收波長（λmax）成功延伸至生物友好的NIR-II窗口（方案1B）。該聚集體還展現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)境穩(wěn)定性和生物穩(wěn)定性，在1064 nm激光照射下實(shí)現(xiàn)63.7%的光熱轉(zhuǎn)換效率（方案1C）。體外和體內(nèi)實(shí)驗均證實(shí)，該系統(tǒng)在安全激光劑量下即可實(shí)現(xiàn)有效腫瘤消融，展現(xiàn)出顯著的臨床轉(zhuǎn)化潛力（方案1D）。

圖1. 光物理性質(zhì)研究

本研究通過Knoevenagel縮合反應(yīng)引入甲氧羰基功能化氮雜吲哚基團(tuán)，設(shè)計合成了新型Cy7衍生物CyN-OMe，并同步制備對照樣品Cy-OMe和IR786（圖1A）。首先分析了它們的紫外-可見（UV-vis）吸收光譜。在二甲基亞砜（DMSO）和二氯甲烷（DCM）等有機(jī)溶劑中，Cy-OMe的最大吸收波長（λmax）位于796 nm附近，與母體IR786（786 nm）基本一致；而CyN-OMe則展現(xiàn)出約878 nm的顯著紅移（圖1B）。CyN-OMe在DI水（500-900 nm）和PBS（600-1200 nm）中均表現(xiàn)出寬譜帶吸收（圖1C），其在PBS中的λmax精確定位于1035 nm，相較于DMSO中的單體形態(tài)產(chǎn)生160 nm的超常紅移（圖1D）。這種大幅紅移伴隨特征性譜帶展寬，強(qiáng)烈提示CyN-OMe形成了電荷轉(zhuǎn)移（CT）介導(dǎo)的J-聚集體。從單體態(tài)到聚集態(tài)的光譜演變，印證了通過可控超分子組裝實(shí)現(xiàn)NIR-II吸收的分子設(shè)計策略的成功。

圖2. 體外PCE評價

接著系統(tǒng)評估了IR786、Cy-OMe、CyN-OMe及其J-聚集體的光熱轉(zhuǎn)換性能。測試方案如下：IR786和Cy-OMe在PBS中采用760 nm激光照射，CyN-OMe分別在DI水（非聚集態(tài)，860 nm激光）和PBS（J-聚集體，1064 nm激光）中測試。由于顯著的吸收紅移，CyN-OMe J-聚集體在1064 nm處展現(xiàn)出4.83×10? M?1 cm?1的摩爾消光系數(shù)（圖1D），凸顯其在NIR-II窗口光熱治療（PTT）中的應(yīng)用優(yōu)勢。實(shí)驗數(shù)據(jù)顯示，在0.5 W cm?2功率密度激光照射下，PBS中的CyN-OMe J-聚集體5分鐘內(nèi)使體系溫度從23℃急速升至71.3℃，遠(yuǎn)超其在DI水中的升溫幅度（59.6℃）。對比組中，Cy-OMe和IR786的最高溫度分別為49.1℃和39.4℃，證實(shí)甲氧羰基的引入有效提升了光熱轉(zhuǎn)換效率（PCE）。

圖3. CyN-OMe的飛秒瞬態(tài)吸收光譜

接著研究者深入研究了電荷轉(zhuǎn)移（CT）介導(dǎo)的CyN-OMe J-聚集體激發(fā)態(tài)動力學(xué)。通過飛秒瞬態(tài)吸收（fs-TA）光譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)采用880 nm激光激發(fā)時，PBS中的CyN-OMe在500-700 nm范圍呈現(xiàn)明顯的激發(fā)態(tài)吸收（ESA）帶（對應(yīng)S?→S?躍遷），同時在950-1200 nm出現(xiàn)與穩(wěn)態(tài)吸收峰匹配的基態(tài)漂白（GSB）帶（圖3B）。全局動力學(xué)分析揭示其激發(fā)態(tài)弛豫路徑為：Franck–Condon（FC）態(tài)→弛豫S?態(tài)→S?→S?（圖3H），其中FC態(tài)弛豫僅需2.6 ps，S?→S?恢復(fù)為323.6 ps，且未觀測到中間態(tài)。相較于二氯甲烷（DCM）中575-675 nm的窄ESA帶，PBS體系展現(xiàn)出更寬泛的激發(fā)態(tài)吸收特征（圖3C,F,G）。分子結(jié)構(gòu)修飾（特別是甲氧羰基取代氮雜吲哚的引入）通過增強(qiáng)振動弛豫、降低S?能級（符合能隙定律）并誘導(dǎo)吸收紅移，最終實(shí)現(xiàn)高效非輻射衰變（k??≈1）。對比IR786和Cy-OMe證實(shí)CyN-OMe J-聚集體具有三大特征：超快S?衰變（<1 ns）、可忽略熒光（ΦF<0.1%）及無三重態(tài)生成（kISC≈0），這些特性共同促成了其光熱轉(zhuǎn)換效率。

圖4. CyN-OMe的細(xì)胞毒性和抗腫瘤機(jī)制

為探究CyN-OMe J-聚集體在NIR-II窗口的光熱治療效應(yīng)，研究者通過自組裝方法構(gòu)建了載藥脂質(zhì)體系統(tǒng)（Lipo@CyN-OMe，圖4A）。透射電鏡顯示Lipo@CyN-OMe呈規(guī)則球形，平均直徑160±5 nm（圖4B）；動態(tài)光散射測定其流體力學(xué)直徑為192.7±1.3 nm，多分散指數(shù)0.196±0.012，zeta電位-21.76±0.45 mV（圖4C），證實(shí)脂質(zhì)體在分散介質(zhì)中的均勻性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。體系在4℃下保持14天無聚集，且相較于游離J-聚集體，脂質(zhì)體不僅維持特征吸收峰（λmax=1030 nm），且摩爾消光系數(shù)提升約3倍，同時顯著收窄吸收譜帶半峰寬（圖4D）。

為克服Lipo@CyN-OMe缺乏熒光成像能力的缺陷，引入Cy3作為示蹤熒光團(tuán)以監(jiān)測脂質(zhì)體顆粒的腫瘤細(xì)胞攝取。無光照條件下，0-10 μM濃度范圍內(nèi)細(xì)胞存活率超過80%；而在1064 nm激光（0.5 W·cm-2）照射下，Lipo@CyN-OMe的高光熱轉(zhuǎn)換效率導(dǎo)致細(xì)胞存活率呈顯著濃度依賴性下降（圖4E,F）。為驗證Lipo@CyN-OMe介導(dǎo)的NIR-II光熱治療具有更優(yōu)的組織穿透能力，本文采用不同厚度（0-10 mm）雞胸肉組織模擬屏障進(jìn)行對比研究。1064 nm（NIR-II）照射組始終表現(xiàn)出比860 nm（NIR-I）治療組更顯著的治療效果（圖4G），證實(shí)NIR-II窗口在深部組織光熱應(yīng)用中的獨(dú)特優(yōu)勢。

圖5. CyN-OMe J-聚集體的體內(nèi)治療作用

接著研究者在荷瘤小鼠模型中評估了Lipo@CyN-OMe的光熱治療效果。活體光熱成像顯示：PBS+1064 nm激光組僅出現(xiàn)輕微溫升（ΔT≈7℃），而Lipo@CyN-OMe+1064 nm激光組的腫瘤部位溫度快速升高（ΔT≈21℃）（圖5A,B），證實(shí)了該體系在體內(nèi)的高效光熱轉(zhuǎn)換能力。為系統(tǒng)評估治療效果，在腫瘤體積達(dá)100 mm3時將小鼠隨機(jī)分為四組（n=5）：（i）PBS對照組、（ii）PBS+1064 nm激光組、（iii）Lipo@CyN-OMe組、（iv）Lipo@CyN-OMe+1064 nm激光組（圖5C）。單次給藥6小時后進(jìn)行1064 nm激光照射（1 W·cm?2，10分鐘），隨后14天內(nèi)隔日監(jiān)測腫瘤體積與體重變化。結(jié)果顯示（圖5D-F）：所有組別均未出現(xiàn)顯著體重下降；但相較于前三組腫瘤的快速生長，Lipo@CyN-OMe+激光組抑制了腫瘤進(jìn)展，且后續(xù)觀察期間未見復(fù)發(fā)（圖5G）。

參考文獻(xiàn)

Shi, Tiancong, et al. "Charge Transfer-Mediated J-Aggregates of Azaindole Cyanine with 160 nm Absorption Redshift for Efficient NIR-II Photothermal Tumor Therapy." ACS nano 19.30 (2025): 27845-27859.

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