南开大学熊虎课题组 Small: 用于PDT和PTT协同治疗的新型NIR-II半花菁光敏剂

癌症光疗，主要包括光动力疗法（PDT）和光热疗法（PTT），因具有非侵袭性、高选择性和低耐药性等优点，已成为原位肿瘤消融的有效治疗方法。半花菁类材料具有大的消光系数、可调的吸收和发射波长、较好的光热转换效率和生物相容性，被广泛应用于生物成像和医学诊断。然而，极低的1O2量子产率限制了它们在协同PDT/PTT中的进一步应用，半花菁光敏剂的开发一般依赖于重原子的引入促进系间窜越（ISC），但重原子的引入会导致分子暗毒性增加、三重态寿命缩短，因此，设计无重原子的半花菁光敏剂不仅有利于促进其临床应用，而且对进一步丰富半花菁种类也具有重要意义。

近日，南开大学化学学院熊虎研究员课题组设计了一种新型的无重原子半花菁光敏剂（BHcy），其具有更平面的结构和更大的π共轭体系，基于BHcy的纳米粒子表现出高效的1O2产生效率（12.9%）和光热转换效率（55.1%），在808 nm激光照射下成功实现了NIR-II荧光成像引导的PDT和PTT协同治疗效果。相关成果以标题“Three Birds with One Stone: Acceptor Engineering of Hemicyanine Dye with NIR-II Emission for Synergistic Photodynamic and Photothermal Anticancer Therapy”发表在期刊《Small》上。

图1.（a）先前报道的用于NIR-I荧光成像的无PTT和PDT效果的半花菁染料Hcy。（b）无重原子半花菁BHcy用于NIR-II荧光成像引导的PDT/PTT癌症治疗。文章要点：1. 与Hcy相比，新型半花菁BHcy具有更长的荧光发射波长，尾峰可达到近红外二区，同时具有更为优异的光热转换效率和1O2产生能力。

2.利用Gaussian 和ORCA对分子进行了理论计算。Hcy表现出高度扭曲的构象，供体和受体之间的扭转角度为44°，而BHcy的分子骨架扭转角度只有12°，BHcy的平面结构增强了分子间的π-π相互作用，从而产生了更好的光热效果。为了进一步研究在ROS产生过程中起关键作用的ISC过程，计算了分子的ΔES-T和SOC值。ΔES-T越小，SOC越大，1O2生产效率越高。Hcy显示出1.35 eV的大ΔES1-T1和0.13 cm−1的小SOC值，不利于其PDT效果。而BHcy的ΔES1-T2仅有0.05 eV，SOC值为0.35cm−1，这可以显著加速ISC过程并促进1O2的产生。

3.将BHcy包封为纳米粒子，BHcy-NPs表现出高效的1O2产生效率（12.9%）和光热转换效率（55.1%）。

4.BHcy-NPs表现出较低的暗毒性和剂量依赖的光毒性，在细胞当中可以高效产生单线态氧并表现出协同治疗效果。

5.在808 nm激光照射下，BHcy-NPs可以使肿瘤完全消融，在体内表现出优异的抗癌效果。

论文第一作者为南开大学化学学院硕士研究生曹文文，论文通讯作者为南开大学化学学院熊虎研究员。南开大学化学学院为论文第一完成单位。

导师简介

熊虎，南开大学化学学院特聘研究员。2014年7月于中国科学院上海有机化学研究所获得博士学位，导师为谢作伟院士与唐勇院士。2014年9月至2018年11月在美国德克萨斯大学西南医学中心从事博士后研究，合作导师为Daniel J. Siegwart。2018年12月就职于南开大学。研究领域包括：(1) 近红外一区/二区有机小分子荧光探针的设计及在深部疾病诊断中的应用研究。 (2) 基于mRNA的器官选择性生物发光探针的构建及应用研究。

Cao, W., Zhu, Y., Wu, F., Tian, Y., Chen, Z., Xu, W., Liu, S., Liu, T.*, Xiong, H.* Three Birds with One Stone: Acceptor Engineering of Hemicyanine Dye with NIR-II Emission for Synergistic Photodynamic and Photothermal Anticancer Therapy.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202204851

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