性能优异的NIR-II型试剂通过成像引导光热溶栓治疗
时间：2024-10-16 阅读：98
本文要点：近红外二区（NIR-II）成像和光热疗法在生物体内的精准诊断和治疗中具有巨大的潜力。目前缺乏同时具有高光热转换效率（PCE）和荧光量子产率（ΦF）的NIR-II荧光探针。本文中，通过将一个大的共轭吸电子核心、多个转子和多个烷基链整合到一个分子中，成功构建了一种NIR-II试剂4THTPB，其具有优异的PCE（87.6%）和高ΦF（3.2%）。4THTPB显示出在1058 nm的zui大发射峰，其发射尾部可延伸至1700 nm。这些特性使其纳米颗粒（NPs）在NIR-II高分辨率血管造影中表现良好，从而通过NIR-II成像实现对血栓的精确诊断，并实现高效的光热溶栓。这项工作不仅提供了一种性能优异的NIR-II试剂，还为高性能NIR-II试剂的设计提供了宝贵的指导。
在此，研究者通过将一个大的共轭受体多个转子和四个烷基链整合到一个分子中，制备了一种名为4THTPB的NIR-II试剂，其具有高PCE和可观的ΦF（图1）。烷基链为多个转子的分子内运动提供了充足的空间。这一设计策略最终使4THTPB在制备成纳米颗粒（NPs）时的PCE达到87.6%。此外，引入烷基噻吩单元确保了分子内的显著扭曲，从而有效防止了由π–π堆积引起的聚集诱导淬灭（ACQ）效应。同时，大共轭刚性单元与适当的烷基长度减少转子运动空间以通过非辐射失活过程消耗所有能量。因此，测得4THTPB NPs的ΦF为3.2%。光物理测量显示，4THTPB NPs在1058 nm处显示出zui大发射，并且发射尾部延伸至1700 nm，这表明其在NIR-II区域具有出色的荧光成像能力。4THTPB是综合性能（PCE和ΦF）以及最长波长方面报告的好试剂之一。因此，4THTPB NPs可用于小鼠血管成像并准确识别血栓位置。此外，由于其高PCE，4THTPB NPs可用于光热溶栓和治疗后血管重连的可视化。
图1. 4THTPB的化学结构、设计策略和性能示意图
接下来，用DSPE-PEG2000包封4THTPB，研究了其聚集状态下的性能。通过动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）表征，获得的4THTPB NPs的流体动力学直径为102.8 nm（图2.A）。此外，磷酸缓冲溶液（PBS）中的4THTPB NPs非常稳定，在环境条件下30天内没有观察到粒径变化。与在THF溶液中的吸收不同，4THTPB NPs在732 nm处显示红移峰，并显示延伸到NIR区域（>900 nm）的宽吸收带（图2.B）。此外，4THTPB NPs在793 nm处的分子消光系数也高于TT1-oCB NPs。在水中，4THTPB NPs的PL在1058 nm处达到峰值，尾部为1700 nm。1400nm以上拖尾发射强度的急剧下降可归因于1450nm附近的水对光的强烈吸收。在没有水干扰的情况下，处于聚集状态的4THTPB的PL信号在1400至1550 nm的范围内逐渐下降，与水溶液中观察到的PL信号形成鲜明对比。以1,2-二氯乙烷中的IR-26（ΦF=0.5%）为参考，计算出4THTPB NPs在水中的ΦF为3.2%，远高于THF中的ΦF。这些结果进一步表明，4THTPB具有AIE特性，其NPs非常适合NIR-II荧光成像。
图2. 4THTPB NPs的表征
在NIR激光（808 nm）照射下对4THTPB NPs在水中的光热效应进行了体外研究。结果表明，NPs的光热效应取决于激光的强度和持续时间，以及它们的浓度，从而可以精确控制热量的产生（图2C）。值得注意的是，在808 nm激光照射（1 W cm–2）5分钟后，4THTPB NPs（100μM）水溶液的温度迅速达到约70°C，而在相同条件下，纯水的温度变化很小。即使在0.3 W cm–2808 nm激光照射下，4THTPB NPs也表现出明显的热效应，并在5分钟内温度升高到45°C。4THTPB中转子和烷基链的数量比之前报道的试剂多，例如转子和烷基链路较少的2TT-oC6B，这使得NPs在聚集状态下具有更多的非辐射失活过程，ΦF低于2TT-oC6A NPs就证明了这一点。经计算，PCE高达87.6%，几乎超过了之前报道的所有NIR-II发射光热材料。此外，4THTPB NPs具有很高的光热稳定性，即使在五次加热-冷却循环后也没有衰减。4THTPB NPs凭借其优异的荧光和光热特性，在NIR-II成像引导的微小病变PTT（如溶栓）方面具有潜力。
图3. 全身成像和脑血管显微成像
使用4THTPB NPs作为探针进行体内和脑血管成像。注射4THTPB NPs后，整个血管系统变得清晰可见。为了评估空间分辨率，通过高斯拟合半峰全宽（fwhm）分析血管的横截面强度分布，测量了血管的表观宽度。结果表明，随着LP滤光片波长分别从1200 nm增加到1300 nm，然后进一步增加到1500 nm，fwhm从0.43 nm下降到0.36 mm，再进一步下降到0.33 nm，从而表明NIR IIb荧光成像可用于精确区分体内的深层细节。
为了进一步验证4THTPB NPs在不同穿透深度下对较小结构的成像能力，对小鼠大脑进行了显微血管造影（图3G-I）。静脉注射4THTPB NPs后，在不同深度可观察到小鼠脑内的血管系统。值得注意的是，穿透深度可达840μm，这使得即使是宽度为3.4 μm的毛细血管，在540μm的深度也能清晰地看到。这些发现表明，4THTPB NPs的NIR-II荧光信号提供了高清晰的深部组织成像。通过NIR-II成像技术实现的高空间分辨率为提供更准确的微小病变诊断信息带来了巨大的希望。
图4. 体外和体内的血栓诊断和治疗
据报道，加热不仅可以提高组织型纤溶酶原激活物的溶栓能力，而且本身也具有溶栓特性。考虑到4THTPB NPs的优异光热效应及其发射特性，进行了NIR-II荧光成像引导的光热溶栓。首先，在没有血流的情况下用4THTPB NPs检查了血栓溶解情况（图4A，B）。不含4THTPB NPs的对照组在0.3 W cm–2的808 nm激光照射60分钟后，PBS（pH=7.4）的颜色变化很小，从而表明凝块溶解不足。相反，当在相同的实验条件下使用4THTPB NPs（15-30μM）时，由于成功溶解凝块，PBS的颜色逐渐变暗（图4A）。通过绘制540和415nm下溶解血液的吸光度与照射时间的关系图，证实了凝块溶解速率随着4THTPB NPs浓度的增加而增加（图4B）。值得注意的是，用苏木精和伊红（H&E）对处理过的血栓进行染色后发现，随着4THTPB NsP浓度的增加，处理过的xue块更容易降解成许多小碎片，导致表面更粗糙（图4D）。血栓的溶解可能不仅与热量有关，还可能与NPs在光照下的运动有关。
图5. 通过治疗和评估溶栓效率来进行血管再通的NIR-II成像。左腿和右腿的NIR-II成像（右腿股动脉血栓模型）
利用NIR-II成像监测血栓溶解过程中的血管再通过程。如图5A所示，在用808nm激光直接照射右腿5分钟，然后静脉注射4THTPB NPs进行NIR-II成像后，有证据表明股动脉仍然被阻断，从而表明在没有4THTPB NPs的情况下很难溶解血栓。然而，在随后的4THTPB NPs照射下，随着累积照射时间的增加，观察到由于血栓形成导致的先前缺失的NIR-II信号显著增强，这表明股动脉逐渐重新连接（图5B-E）。这一结果表明，溶栓效率随着照射时间的延长而提高。为了评估4THTPB NPs的光热溶栓效果并观察血管中的血栓，取下接受不同治疗的小鼠的股动脉切片，用H&E染色（图5F）。观察到在用4THTPB NPs治疗和照射后，血栓大小急剧减小。定量数据还显示，在用4THTPB NPs治疗和照射后，血栓的相对体积减少了约91%。因此，光热溶栓过程的NIR-II成像可以生动地说明4THTPB NPs在诊断和治疗血栓方面的吸引力。为了研究4THTPB NPs的分布和代谢，在体外检测了主要器官的荧光信号，结果表明，4THTPB NPs主要积聚在肝脏和脾脏中，4THTPB NPs的NIR-II信号随着时间的推移逐渐减弱。
在这项工作中，通过在一种化合物中集成大型共轭吸电子核、多个转子和四个烷基链，成功设计了一种高性能的NIR-II试剂4THTPB。多个烷基链和大共轭结构的存在为多个转子的运动提供了适当的空间。因此，4THTPB NPs同时表现出高PCE（87.6%）和ΦF值（3.2%）。同时，4THTPB的强ICT效应使其能够发射NIR-II荧光，其波长可达1700 nm。体内NIR-II成像实验证实，4THTPB NPs能够以高空间分辨率清晰地描绘活体小鼠的血管系统，从而准确诊断血栓的位置。4THTPB NPs在精确光热溶栓中的应用也已成功实现，从而在精确诊断和治疗微小病变方面显示出巨大的潜力。因此，这项工作为同时设计具有高PCE和ΦF以及长波长发射的有机NIR-II试剂提供了一种可行的策略。
参考文献
Zhou D, Zhang G, Li J, et al. Near-Infrared II Agent with Excellent Overall Performance for Imaging-Guided Photothermal Thrombolysis[J]. ACS nano, 2024, 18, 36, 25144–25154.
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