唐本忠院士团队JACS：位置异构平衡NIR-II AIEgens激发态能量耗散：5BT-PBPT纳米颗粒实现“一体化”肿瘤光诊疗

恶性肿瘤的高发病率和高死亡率亟需有效的抗肿瘤诊疗手段，光诊疗因能在光照下同步实现诊断与治疗而成为重要方向，并具有非侵入性、时空可控、治疗效力强和全身不良反应小等优势；多模态光诊疗还可将荧光成像、光热成像和光声成像与光动力治疗、光热治疗整合，尤其当荧光成像延伸至第二近红外窗口时更具价值。从临床转化看，由单一有机组分聚集体完成多种功能的一体化策略，可克服传统“多合一”平台需整合多个功能模块的固有缺陷。然而，如何平衡激发态能量耗散以同时保证高NIR-II亮度、光热转换和活性氧生成仍是难题。AIEgens虽可缓解聚集导致猝灭并通过调控分子内运动平衡辐射与非辐射衰减，但其高度扭曲结构会降低π共轭程度，不利于发射波长延伸至NIR-II窗口，平面性减弱还会削弱光捕获能力并限制ROS生成；现有NIR-II AIEgens仍存在摩尔吸光系数和ROS产率偏低、构建单元选择有限及缺乏新设计策略等瓶颈。

香港中文大学（深圳）唐本忠院士、深圳大学王东教授、康苗苗助理教授合作，设计并合成了5BT-PBPT和6BT-PBPT两种位置异构体，分别将供体连接在苯并[b]噻吩片段的5位和6位，以研究位置异构对NIR-II AIEgens光诊疗性能的影响。实验和计算结果表明，异构化可显著调控能级、结构构象、聚集行为和激发态能量耗散，并在5BT-PBPT纳米颗粒中实现充分利用激发能的“甜点”：其兼具强NIR吸收、高NIR-II荧光亮度、强ROS产生和优异光热转换效率，在原位乳腺肿瘤一体化光诊疗中表现优越，证明异构工程策略可全面提升NIR-II AIEgens的光诊疗能力，为构建高性能NIR-II一体化光诊疗剂提供了有效途径。相关论文以“Finding the Sweet Spot: Isomerization Strategy Enables Balanced Energy Dissipation of NIR-II AIEgens for “One-for-All” Tumor Phototheranostics”为题，发表在JACS上。

在方法上，研究通过将供体引入苯并[b]噻吩不同位置构建位置异构体，并以DSPE-mPEG₂₀₀₀制备纳米颗粒，使单一有机组分在808 nm光照下整合NIR-II荧光成像、光声成像和光热成像三模态成像与光动力治疗、光热治疗（示意图1）；结论是位置异构化能够平衡激发态能量耗散，并由此提升一体化光诊疗性能。

示意图1：分子设计概念、纳米颗粒制备过程以及用于小鼠肿瘤治疗的一体化光诊疗应用示意图。

为验证位置异构在分子层面的作用，研究合成了BT-PBPT、5BT-PBPT和6BT-PBPT（图1a），结合单晶解析（图1b–d）、吸收光谱（图1e）、光致发光激发映射（图1f）和不同水分数下的AIE测试（图1g）追踪其光物理行为；结果表明位置异构可改变吸收波长、分子构象、聚集行为和AIE活性，5BT-PBPT因更扭曲的供体结构而具有最高AIE因子4.8（图1g），6BT-PBPT晶体则显示高度扭曲骨架及反平行面对面二聚堆积（图1b–d），为后续能量耗散调控奠定结构基础。

图1：分子信息与光物理性质。（A）BT-PBPT、5BT-PBPT和6BT-PBPT的化学结构。（B—D）6BT-PBPT的单晶结构和分子间堆积图。（E）在THF溶液（10 μM）中的吸收光谱。（F）环境条件下5BT-PBPT在甲苯溶液（10 μM）中的光致发光激发映射。（G）所研究分子在0至90 vol%不同水分数（fw）下的AIE曲线，其中I₀和I分别表示纯THF和THF/H₂O混合物中的峰值发射强度。

为进一步揭示能量耗散机制，研究采用DFT/TD-DFT计算（图2a–d）、循环伏安（图2e）、瞬态光电流（图2f）和飞秒瞬态吸收光谱（图2g–i）解析能级、ΔEST、自旋轨道耦合、重组能和激子动力学；结果表明5BT-PBPT具有更合适的能隙、极低ΔEST和快速ISC/三重态衰减（图2a–c、i），可在辐射跃迁、非辐射热耗散和系间窜越之间取得平衡，从而有利于ROS生成和光热转换，而6BT-PBPT虽重组能最大、非辐射过程更强（图2c），但NIR-II亮度明显不足（图3c）。

图2：通过计算、光电化学和飞秒瞬态吸收技术阐释机制。（A）所研究分子的计算能级和能隙。（B）激发能级、ΔEST值和SOC常数。（C）不同波数下的重组能（Er）。插图：二面角、键长和键角对总Er的相对贡献。（D）5BT-PBPT的S₀（蓝色）和S₁（红色）态之间的RMSD。（E）以Ag/AgCl为参比电极的5BT-PBPT循环伏安图。（F）所研究化合物在纯膜中的瞬态光电流响应图。（G）5BT-PBPT在10 μM THF溶液中的二维伪彩色fs-TA映射，以及（H）选定延迟时间下的fs-TA图。（I）激子动力学及相关拟合寿命。

在纳米颗粒层面，研究通过DLS/TEM（图3a）、吸收与发射光谱（图3b）、NIR-II亮度测定（图3c）、DCFH/HPF/DHR 123/ESR探针（图3d–g）及光热转换效率计算（图3h）评估三种NPs；结果显示5BT-PBPT NPs粒径约88.24 nm（图3a），NIR-II亮度达34.30 M⁻¹ cm⁻¹（图3c），ROS产生强（图3d–g），光热转换效率（η）达62.0%（图3h），在吸收/发射、亮度、ROS和光热之间取得最佳综合平衡（图3i），因而被选为后续一体化光诊疗剂。

图3：相应纳米颗粒的光物理性质。（A）5BT-PBPT NPs的DLS结果。插图：TEM图像。（B）吸收和归一化发射曲线。（C）NIR-II亮度比较。插图：NIR-II荧光图像。（D）所研究NPs（2 μM）在808 nm激光照射（0.8 W cm⁻²）下由DCFH指示的总ROS产生能力；数值以平均值±标准差表示，5BT-PBPT NPs的n=3。（E）在5BT-PBPT NPs和6BT-PBPT NPs存在下HPF的PL强度变化，其中I₀和I分别表示激光照射前和照射后的最大PL信号。（F）DHR 123在525 nm处的相对强度变化。（G）5BT-PBPT NPs的ESR谱，其中DMPO用于捕获·OH和O₂•⁻，TEMP用作¹O₂捕获剂。（H）5BT-PBPT NPs的光热转换效率计算。（I）总结5BT-PBPT NPs吸收/发射峰、NIR-II亮度、ROS生成和光热转换的雷达图。

在体外和体内成像评价中，研究通过细胞毒性（图4a）、细胞内ROS（图4b）、活/死染色（图4c）、流式凋亡分析（图4d）以及NIR-II FLI（图4e）、PAI（图4f）和PTI（图4h）考察5BT-PBPT NPs；结果表明其在暗条件下毒性低，808 nm照射后100 μM时细胞死亡超过90%（图4a），凋亡比例达87.3%（图4d），静脉给药后36 h肿瘤成像达峰（图4e–g），肿瘤温度由30.1℃升至63.9℃（图4h–i），且5BT-PBPT NPs的NIR-II荧光明显强于6BT-PBPT NPs，而后者光热和光声信号略高，与其光物理特征一致。

图4：5BT-PBPT NPs的体外光治疗能力评估和体内多模态成像。（A）4T1细胞与不同浓度5BT-PBPT NPs孵育24 h后，在有或无激光照射（808 nm，0.8 W cm⁻²）下的相对细胞活力评估（平均值±标准差，n=6），p<0.001（原文以双星号标注）。（B）不同处理后4T1细胞内ROS生成和（C）活/死细胞染色。（D）通过FACS分析不同制剂处理4T1细胞的凋亡。（E）静脉给予5BT-PBPT NPs后4T1原位乳腺肿瘤小鼠随时间变化的NIR-II FLI和（F）PAI。（G）定量肿瘤NIR-II FLI和PAI强度（与E和F相关）。（H）注射后36 h激光照射（808 nm，0.8 W cm⁻²）期间的实时PTI。（I）与（H）和图S43相关的照射区域（肿瘤部位）随时间升温曲线。

在治疗效力评价中，研究建立原位4T1乳腺肿瘤小鼠模型，设置PBS、PBS+激光、5BT-PBPT和5BT-PBPT+激光组，于给药36 h后以808 nm、0.8 W cm⁻²照射10 min并观察14天，结果见图5b–c，同时进行H&E、TUNEL、CD31、Ki-67染色（图5d）及肝肾功能和溶血安全性评估（图5e–g）；结果显示5BT-PBPT NPs+激光组肿瘤早在第2天即不可测并持续至终点（图5a–b），组织学显示凋亡增强、血管生成受抑和增殖受抑（图5d），且安全性良好（图5e–g），头对头比较亦优于6BT-PBPT NPs。

图5：5BT-PBPT NPs对4T1肿瘤-bearing BALB/c小鼠模型的治疗效力。（A）第14天各治疗组代表性小鼠和肿瘤照片，其中I：PBS，II：PBS+L，III：5BT-PBPT，IV：5BT-PBPT+L。（B）14天治疗期间肿瘤进展（体积对时间）和（C）体重变化（n=5）。（D）各治疗组代表性样本的H&E、TUNEL、CD31和Ki-67染色图像。比例尺：100 μm。（E）肝功能标志物和（F）肾功能标志物（平均值±标准差，n=8）。（G）相对溶血率及经不同浓度5BT-PBPT NPs处理的红细胞插图图像。

综上，该研究以苯并[b]噻吩位置异构策略找到了NIR-II AIEgens能量耗散通路的“甜点”，将强吸电子NHA受体与供体单元的精准位置操纵结合，使5BT-PBPT NPs兼具高NIR-II亮度、优越Type-I ROS产生和良好光热能力，并实现NIR-II FLI-PTI-PAI三模态导航的协同PTT-PDT肿瘤治疗。该异构工程方法规避了提升NIR-II AIEgens整体光诊疗性能的结构限制，有效解决了激发态能量的复杂衰减过程，为开发高性能一体化NIR-II光诊疗剂提供了有力而通用的范式。