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

本文要點：具有超大紅移（>150 nm）特性的有機生色團J聚集現(xiàn)象，為在第二近紅外（NIR-II，1000–1700 nm）波段推進腫瘤光熱治療提供了一種極具潛力的策略。本研究通過引入氮雜吲哚基團設(shè)計合成了七甲川菁染料CyN-OMe，該基團可精準(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現(xiàn)腫瘤完全消融。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。

---

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的吲哚基團進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激光照射下實現(xiàn)63.7%的卓越光熱轉(zhuǎn)換效率（方案1C）。體外和體內(nèi)實驗均證實，該系統(tǒng)在安全激光劑量下即可實現(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，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現(xiàn)NIR-II吸收的分子設(shè)計策略的成功。

CyN-OMe在室溫PBS中可自發(fā)形成J-聚集體，通過改變PBS鹽組分引發(fā)CyN-OMe最大吸收波長（λmax）偏移，證實無機鹽濃度對分子聚集起主導(dǎo)作用（圖1E）。以NaCl為模型鹽的動力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)兩個關(guān)鍵濃度閾值：>1 mM的活化閾值與>150 mM的飽和閾值（圖1F）。根據(jù)霍夫邁斯特序列，檢測了CyN-OMe在不同陰陽離子溶液中的吸收光譜：相較于小陰離子（F-），大陰離子（I-）顯著降低吸光度，表明其空間位阻阻礙了關(guān)鍵π軌道堆積（圖1G）；而陽離子引起的光譜變化可忽略（圖1H），證實CyN-OMe聚集主要由電荷屏蔽而非特異性離子配對主導(dǎo)。由德拜長度定義的屏蔽范圍決定了表面電荷的空間影響：高離子強度下的短德拜長度會增強電荷屏蔽，顯著降低體系zeta電位。實驗數(shù)據(jù)顯示，提高NaCl濃度會持續(xù)降低CyN-OMe J-聚集體的zeta電位（圖1I），由此提出鹽增強J-聚集的雙重機制：（1）增強的德拜屏蔽克服陽離子染料分子間長程靜電排斥，實現(xiàn)更緊密的分子接近；（2）鹽析效應(yīng)降低水合作用，促進π-π堆積驅(qū)動的"頭對尾"分子排列。這種協(xié)同機制通過電荷調(diào)控與溶劑化控制，從熱力學(xué)上推動有序J-聚集體結(jié)構(gòu)的形成。透射電鏡（TEM）分析顯示，CyN-OMe在PBS中主要自組裝成平均直徑約65 nm的規(guī)則球形納米顆粒（圖1J）。

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4.83×10⁴ 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℃，證實甲氧羰基的引入有效提升了光熱轉(zhuǎn)換效率（PCE）。

所有測試體系均表現(xiàn)出濃度依賴性（圖2B）和激光功率相關(guān)性（圖2C）。光穩(wěn)定性測試表明，CyN-OMe J-聚集體在四次完整升降溫循環(huán)后仍保持結(jié)構(gòu)完整性（圖2D），而對照組水溶液樣品在單次循環(huán)后即喪失再加熱能力（圖2E）。持續(xù)照射下的吸光度測試進一步驗證J-聚集體結(jié)構(gòu)有效緩解了Cy7固有的光漂白現(xiàn)象（圖2F）。PCE測試顯示，CyN-OMe J-聚集體在1064 nm照射下達到63.7%的卓越效率（圖2G），遠超已報道的Cy7衍生物及NIR-II光熱劑。值得注意的是，CyN-OMe在DI水中仍保持31.1%的PCE，較IR786（11.5%）提升2.7倍，與Cy-OMe（30.3%）相當(dāng)（圖2H）。

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)S₁→Sₙ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S₁態(tài)→S₁→S₀（圖3H），其中FC態(tài)弛豫僅需2.6 ps，S₁→S₀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）通過增強振動弛豫、降低S₁能級（符合能隙定律）并誘導(dǎo)吸收紅移，最終實現(xiàn)高效非輻射衰變（kₙᵣ≈1）。對比IR786和Cy-OMe證實CyN-OMe J-聚集體具有三大特征：超快S₁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卓越的光熱轉(zhuǎn)換效率。

圖4. CyN-OMe的細胞毒性和抗腫瘤機制

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作為示蹤熒光團以監(jiān)測脂質(zhì)體顆粒的腫瘤細胞攝取。無光照條件下，0-10 μM濃度范圍內(nèi)細胞存活率超過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NIR-II窗口在深部組織光熱應(yīng)用中的獨特優(yōu)勢。

進一步通過Calcein AM/PI雙染驗證NIR-II照射的治療效果：綠色熒光（Calcein AM）標(biāo)記活細胞，紅色熒光（PI）指示死細胞。如圖4H所示，僅Lipo@CyN-OMe孵育后經(jīng)1064 nm激光照射的細胞呈現(xiàn)強烈紅色熒光，證實有效細胞殺傷。AV-FITC/PI染色實驗（圖4I）顯示：4T1細胞在Lipo@CyN-OMe處理并接受1064 nm光照后2小時出現(xiàn)早期凋亡特征，6小時后呈現(xiàn)顯著晚期凋亡/壞死。這些結(jié)果證明脂質(zhì)體封裝不僅能維持CyN-OMe J-聚集體的光熱性能，更能通過級聯(lián)凋亡通路實現(xiàn)高效的NIR-II光介導(dǎo)腫瘤細胞消融。

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�；铙w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100 mm³時將小鼠隨機分為四組（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+激光組完全抑制了腫瘤進展，且后續(xù)觀察期間未見復(fù)發(fā)（圖5G）。

研究者通過在Cy7骨架中合理引入甲氧羰基取代的氮雜吲哚基團，成功構(gòu)建了CyN-OMe的J-聚集體支架，實現(xiàn)了吸收光譜至NIR-II窗口的超大紅移。研究表明：氮雜吲哚結(jié)構(gòu)可有效擴展Cy7體系的π共軛，顯著降低次甲基鏈區(qū)域的靜電勢，并通過吲哚氮原子促進強分子間氫鍵形成。這些因素的協(xié)同作用賦予CyN-OMe非凡的聚集傾向，使其在生理鹽水中低濃度下即可自發(fā)形成電荷轉(zhuǎn)移介導(dǎo)的J-聚集體。該J-聚集體展現(xiàn)出顯著紅移的吸收特性，在NIR-II生物窗口的吸收λmax達1035 nm，相較于單體形式產(chǎn)生160 nm紅移，同時保持優(yōu)異的光穩(wěn)定性與生物穩(wěn)定性。值得注意的是，甲氧羰基-氮雜吲哚結(jié)構(gòu)增強了分子內(nèi)振動弛豫，使CyN-OMe J-聚集體在1064 nm激發(fā)下獲得63.7%的高效光熱轉(zhuǎn)換效率，從而實現(xiàn)卓越的光熱治療性能。本研究通過精確調(diào)控有機光熱劑的分子間相互作用，為構(gòu)建高性能J-聚集體確立了普適性設(shè)計原則。未來工作將聚焦吸收紅移>300 nm的染料J-聚集體開發(fā)，這將為開發(fā)具有優(yōu)化性能的先進NIR-II光熱劑開辟新途徑。

 

參考文獻

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.

 

⭐️ ⭐️ ⭐️

動物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS 

In Vivo Imaging System

高靈敏度 - 采用深制冷相機，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(tǒng) - 可擴展X射線輻照、熒光壽命、光聲和光熱成像、原位成像光譜，CT等
顯微鏡 - 高分辨顯微成像系統(tǒng)，兼容成像型光譜儀
 

⭐️ ⭐️ ⭐️

 恒光智影

上海恒光智影醫(yī)療科技有限公司，被評為“國家高新技術(shù)企業(yè)”、“上海市專精特新中小企業(yè)”，獲批主持“科技部重大儀器專項”子課題，榮獲上海市“科技創(chuàng)新行動計劃”科學(xué)儀器項目、上海市2025年度關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)計劃“計算生物學(xué)”項目。

恒光智影，致力于為生物醫(yī)學(xué)、臨床前和臨床應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域的研究提供先進的、一體化的成像解決方案。

專注動物活體成像技術(shù)，成像范圍覆蓋 400-1700 nm，同時可整合CT, X-ray，超聲，光聲，光熱成像等技術(shù)。

可為腫瘤藥理、神經(jīng)藥理、心血管藥理、大分子藥代動力學(xué)等一系列學(xué)科的科研人員提供清晰的成像效果，為用戶提供前沿的生物醫(yī)藥與科學(xué)儀器服務(wù)。