用于近红外II荧光成像引导的光疗及肿瘤免疫激活的非融合环A-D-A型染料

《Biochemical and Biophysical Research Communications》：Non-Fused Ring A-D-A-Type Dyes for Near-Infrared II Fluorescence Imaging Guided Phototherapy and Immune Activation of Tumour

　　

Jing Wang|Xintong Chen|Yuanyu Tang|E. Pang|Duo Xia|Yongzhi Chen|Dan He|Kuansong Wang

中国湖南省长沙市中南大学湘雅基础医学学院病理学系，邮编410008

摘要

光疗在癌症治疗中受到了广泛关注。那些具有较强近红外吸收特性的分子在激光诱导光疗中尤为有用，因为其近红外吸收特性能够深入组织内部，同时减少对健康组织的损伤。在本研究中，我们合理设计并合成了一种非稠环A-D-A型染料（T8IC4F），该染料兼具近红外吸收和荧光特性。通过T8IC4F与DSPE-PEG-NH₂的自组装，我们制备出了名为C4@PEG的水分散性纳米粒子。这些C4@PEG纳米粒子不仅具有近红外吸收和近红外二区荧光特性，还展现出显著的治疗效果。在808纳米激光照射下（功率为1 W·cm^-2），这些纳米粒子的单线态氧生成量子产率为25.9%，光热转换效率为61%。这些特性使得它们既能用于光动力疗法，也能用于光热疗法，从而发挥强大的抗肿瘤作用。此外，C4@PEG纳米粒子还能引发免疫原性细胞死亡，促进肿瘤抗原的释放，并激活抗肿瘤免疫反应。这些研究结果表明，C4@PEG纳米粒子有望应用于癌症的光疗和免疫疗法中。

引言

手术、放疗和化疗是传统的癌症治疗方法，但它们都存在一定的局限性[1]。手术主要适用于早期疾病患者，而其他治疗方法则常常受到药物耐药性、严重副作用以及肿瘤特异性不足的限制[2]、[3]。近红外染料在生物医学领域有着广泛的应用，包括光声成像[4]、荧光引导手术[5]、荧光探针[6]以及光疗[7]、[8]。光疗包括光动力疗法和光热疗法，由于其高选择性、快速的治疗效果、无药物耐药性以及较低的副作用，在肿瘤学领域越来越受到重视[9]。在光动力疗法中，光激活会使光敏剂与环境中的氧气发生反应，产生活性氧物种，这些活性氧能够直接破坏细胞的各个组成部分，如细胞膜、线粒体和DNA，最终导致细胞死亡[10]。在光热疗法中，光照会使光热剂将光能转化为热能，从而在局部产生高温，进而杀死肿瘤细胞[11]。细胞热应激引发的热休克蛋白会降低光热疗法的效果[12]。值得注意的是，光动力疗法过程中产生的活性氧能够破坏热休克蛋白，从而使肿瘤细胞对热量更加敏感，进一步提升光热疗法的治疗效果[13]、[14]。因此，将光动力疗法和光热疗法相结合被认为是一种能够提升整体抗肿瘤效果的协同策略。

目前临床上使用的光敏剂，如卟啉衍生物、酞菁、花青素染料及其类似物，通常具有较弱的近红外吸收和发射能力，且光热转换效率较低[15]。尽管基于金属的纳米材料[16]、[17]、金属硫属化合物[17]以及二维纳米材料具有较强的近红外吸收能力和较高的光热转换效率，但由于它们的生物降解性较差且产生的活性氧较少，限制了其应用前景[18]。因此，设计出既具有高近红外光热转换效率又能有效产生活性氧的生物相容性光敏剂，既是研究的重点，也面临诸多挑战。开发新型近红外光敏剂的常见策略包括延长共轭结构、巧妙运用缺陷色团以及在荧光团核心引入原子替代基团[19]、[20]。

那些具有较长共轭结构且存在明显分子内电荷转移效应的分子，通常具备适合光疗的优良特性，包括：（1）较强的近红外吸收能力，这有助于提升光热转换效率；（2）近红外荧光特性，便于进行荧光成像；（3）最低激发单线态和三线态能量差较小，这有利于生成单线态氧。这些特性使得这类分子成为先进光疗领域的理想候选者。Niu等人设计了一种A-D-A结构的纳米组装体，专门用于通过单一近红外光源实现光动力疗法和光热疗法的双模式治疗。由于该A-D-A纳米组装体具有明显的分子内电荷转移效应，它在近红外区域具有较宽的吸收范围，同时荧光强度较低，为早期和晚期宫颈癌的临床治疗提供了新的思路[21]。Li等人合成了一种名为IDCIC的A-D-A结构化合物，该化合物具有较强的近红外吸收能力。为了提高其水溶性和生物相容性，他们将IDCIC封装在DSPE-PEG2000-NH2中，制成了纳米粒子。这些IDCIC纳米粒子具有较强的近红外吸收能力和近红外二区荧光特性，荧光量子产率为1.2%。这些特性使得这些纳米粒子具备出色的光声成像和近红外二区荧光成像能力。此外，在808纳米激光照射下，这些纳米粒子不仅能以9.1%的量子产率生成单线态氧，还能产生用于光热疗法的热量。这些特性使得IDCIC纳米粒子成为一种极具潜力的多模态成像引导联合治疗平台，可同时结合光动力疗法和光热疗法[22]。因此，为了最大限度地利用光子能量，并通过结合光动力疗法和光热疗法实现最佳治疗效果，开发具有更长共轭结构的新材料至关重要。

肿瘤学领域正在从传统的化疗和放疗向新型免疫疗法转变[23]。癌症生物学的研究进展表明，某些类型的细胞死亡不仅仅是为了避免免疫抑制，它们还能主动促进适应性抗肿瘤免疫，这一过程被称为免疫原性细胞死亡[24]。与非免疫原性凋亡不同，免疫原性细胞死亡会引发一系列分子事件，从而产生长期的全身性免疫记忆，有助于防止肿瘤复发。免疫原性细胞死亡的一个关键特征是其独特的信号传导途径，这些途径能够促使损伤相关分子模式的释放，包括ATP、HMGB1和钙网蛋白[25]。越来越多的证据表明，某些传统的抗癌治疗方法，如化学治疗药物（例如蒽环类、奥沙利铂）、放疗以及某些病毒感染，都能引发免疫原性细胞死亡[26]。然而，如何将能够引发免疫原性细胞死亡的机制有效地融入新型癌症疗法的设计中，仍然是研究的重要课题。材料科学在这一领域发挥着至关重要的作用，因为经过精心设计的载体或纳米平台能够提高药物的靶向性和递送效率，增强治疗效果，同时减少不良反应。因此，开发出能够有效引发免疫原性细胞死亡的新型材料或复合系统，对于推进个性化癌症治疗具有重要意义。

我们设计并合成了一种光疗剂，即噻吩并噻吩-苯并吡喃衍生物（T8IC4F），该物质具有较强的近红外吸收能力和荧光特性。A-D-A结构的染料被用于光疗，是因为它们能够产生活性氧，并将光能转化为热能，从而通过局部高温杀死肿瘤细胞。然而，现有的A-D-A结构染料通常具有较大的光学带隙和/或较低的消光系数（小于10⁵ M^-1 cm^-1），这限制了它们的光捕获能力。此外，本研究所使用的T8IC4F具有非稠环共轭骨架，其分子骨架可以一定程度上旋转，这有助于将吸收的光能转化为热能，进而杀死肿瘤细胞。T8IC4F具有较小的带隙和较长的A–D–A共轭结构，它与DSPE-PEG-NH2结合后形成了水分散性纳米粒子，这些纳米粒子被命名为C4@PEG。它们不仅可以实现近红外荧光成像，还能通过同时应用光动力疗法和光热疗法，实现协同的肿瘤治疗。如图1所示，在808纳米激光照射下，C4@PEG纳米粒子的单线态氧生成量子产率为25.9%，光热转换效率为61%，光子能量利用效率高达99%。这些特性使得它们在光动力疗法和光热疗法中都具有很高的应用价值。与此同时，在808纳米激光照射下，C4@PEG纳米粒子还能引发免疫原性细胞死亡，从而导致树突状细胞成熟，减少髓系来源的抑制细胞的浸润，同时使M2型巨噬细胞向M1型表型转变。此外，CD8⁺ T细胞的浸润增加、肿瘤相关抗原的释放以及活化的抗肿瘤免疫反应，也都进一步增强了协同的抗肿瘤效果。

章节节选

材料

乙酸钯(II)（Pd(OAc)₂，分子量：224.49，纯度：99.9%）、3,6-二溴噻吩[3,2-b]噻吩（分子量：328.06，纯度：97%）、叔丁醇钠（NaO(t-Bu)，分子量：96.10，纯度：98%）、三叔丁基膦（P(t-Bu)₃，分子量：202.32，纯度：98%）、1,4-二氧六环（分子量：88.11，纯度：99.5%，无水）、N-溴代琥珀酰亚胺（NBS，分子量：177.98，纯度：99%）、无水硫酸钠（Na₂SO₄，分子量：142.04，纯度：99.9%）、四(三苯基膦)钯（Pd(PPh₃)₄，分子量：1155.56，纯度：99%）、甲苯（分子量：92.14，

T8IC4F的合成

在本研究中，我们通过将两个强吸电子基团——2-(5,6-二氟-3-氧代-2,3-二氢-1H-吲哚-1-亚基)丙二腈，引入到非稠环供体结构中，合成了非稠环A-D-A型染料T8IC4F（见图1）。T8IC4F的分子结构通过核磁共振波谱和质谱得到了确认。如图S1和S2所示，T8IC4F具有1.876电子伏特的窄带隙，在290-700纳米范围内具有强烈的吸收特性，

结论

本研究报道了一种新型非稠环A–D–A型染料T8IC4F的设计与合成，该染料具有近红外吸收和荧光特性。显著的分子内电荷转移效应使得T8IC4F具有较窄的光学带隙，从而提升了它的光捕获能力。此外，柔性烷基链的引入提高了该染料的水溶性，同时减少了分子的过度聚集，进而提升了其光热转换效率。较低的ΔE_ST

CRediT作者贡献说明

Dan He：验证、监督、资源提供、项目管理、概念构思。Yongzhi Chen：验证、监督、资源提供、项目管理、概念构思。KuanSong Wang：验证、监督、资源提供、项目管理、资金获取、概念构思。Jing Wang：原文撰写、可视化处理、验证、方法设计、实验分析、数据整理、概念构思。Yuanyu Tang：可视化处理、验证、方法设计。Xintong

数据可用性

本研究分析的数据和结果，可在合理请求下向相应作者获取。

资助情况

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：81972490）以及湖南省工程研究中心——传统中医与西医联合诊疗与康复精准医疗研究中心的资助。

利益冲突声明

所有作者均声明没有竞争性财务利益。所有作者均已同意最终稿件的内容。