用于疾病成像及成像引导光热治疗的微粘度门控激发态分配近红外二区(NIR-II, 1000–1700 nm)分子转子探针

《Materials Today Bio》：Microviscosity-gated excited-state partitioning in a NIR-II molecular rotor for disease imaging and imaging-guided photothermal therapy

　　

微粘度是一种尚未被充分利用的病理性线索，可用于调控有机近红外二区(NIR-II, 1000–1700 nm)荧光团的激发态能量耗散。本研究引入一种扭曲分子内电荷转移(TICT)分子转子，利用微粘度门控辐射衰减与非辐射衰减之间的竞争：在低粘度环境中荧光处于"关闭"态，而在粘度升高的病理部位产生微弱但足够的NIR-II荧光"开启"信号，同时保留主导性的非辐射耗散用于光热产热。研究人员合成了一个可调节的给体–π–受体(D–π–A)分子库，将吸收/发射推入NIR-II窗口并校准出"暗而热(dim-but-hot)"的光物理特征。分子分散态的FMR-1105-PEG可在非酒精性脂肪肝(NAFLD)及对乙酰氨基酚诱导肝损伤(DILI)模型中实现活体NIR-II成像。用于肿瘤转化时，胶束化保留了可测量的粘度依赖性(F?rster–Hoffmann型)并显著提高表观摩尔消光系数，从而实现高效的1064 nm光热激活、体外免疫原性细胞死亡(ICD)标志物诱导，以及在组织覆盖下仍可实现成像引导的肿瘤消融，且具备良好的生物安全性。

论文解读：微粘度门控NIR-II分子转子用于疾病成像及成像引导光热治疗

该研究针对现有近红外二区(NIR-II, 1000–1700 nm)诊疗体系面临荧光亮度与光热转换效率相互制约——高荧光量子产率(QY)则非辐射衰减弱、光热效果差，强非辐射衰减则荧光淬灭难以成像——以及忽视体内微环境动态变化的局限，提出利用病理部位微粘度(microviscosity)升高这一生物物理特征，通过扭曲分子内电荷转移(TICT, Twisted Intramolecular Charge Transfer)分子转子机制，让低粘度正常组织荧光"关"、高粘度病变区微弱荧光"开"并保留主导非辐射衰减产热，实现同一小分子"暗而热(dim-but-hot)"的NIR-II诊疗一体。研究成果发表于《Materials Today Bio》。研究人员构建D–π–A型硫鎓噻吡喃(thiopyrylium)类NIR-II分子转子库FMRs，经PEG化得FMR-1105-PEG，分子分散态用于肝脏病理微粘度激活NIR-II成像，DSPE-PEG₂₀₀₀胶束化增强吸光用于1064 nm光热治疗(PTT)及成像引导肿瘤消融，证实其保留粘度依赖荧光与粘度不敏感强非辐射产热、诱导免疫原性细胞死亡(ICD)及良好体内生物相容性。

主要关键技术方法

研究人员合成含N/O/S受体杂原子及不同共轭长度的D–π–A分子转子库(FMRs)，选定FMR-1105进行PEG修饰得水溶探针FMR-1105-PEG；采用密度泛函理论(DFT)和含时密度泛函理论(TD-DFT)计算前沿分子轨道及自然跃迁轨道(NTO)；以甘油/水体系标定微粘度响应及F?rster–Hoffmann关系，测定量子产率(QY)、摩尔消光系数(MEC)；制备DSPE-PEG₂₀₀₀胶束并表征粒径与光热转换效率(PCE)；建立地塞米松诱导非酒精性脂肪肝(NAFLD)小鼠模型(含N-乙酰半胱氨酸NAC干预组)、对乙酰氨基酚(APAP)诱导药物性肝损伤(DILI)小鼠模型及4T1荷瘤裸鼠模型，行活体及离体NIR-II荧光成像；以1064 nm激光(对照808 nm)激发光热处理，检测体外细胞活死染色、钙网蛋白(CRT)暴露、高迁移率族蛋白B1(HMGB1)释放及ATP水平；活体行红外热成像监测瘤温、肿瘤生长曲线记录、组织学H&E/Ki67/TUNEL及CD4⁺/CD11c⁺免疫荧光染色、血清生化与血常规评估生物安全性。

Fluorescent molecular rotor design and engineering.

研究人员构建含N型(吲哚盐indolium)、O型(黄盐flavylium)、S型(硫吡喃盐thiopyrylium)受体及不同π共轭双键数目的FMRs分子库(λ_abs716–1007 nm，λ_em745–1105 nm)。结论：硫吡喃受体配合延长共轭使FMR-1015/FMR-1105发射突破1000 nm，FMR-1105具最深NIR-II位移(λ_abs/λ_em=1007/1105 nm)、最高MEC(7.54×10⁴M^?1cm^?1)及极低QY(0.06%)，适合非辐射主导光热操作，选为后续先导分子。

Theoretical calculations

对FMR系列做DFT/TD-DFT计算显示随受体杂原子改变及共轭延长HOMO–LUMO能隙从2.24降至1.69 eV，与红移相符；NTO分析确认S₀→S₁为强分子内电荷转移(ICT)特性。结论：硫吡喃受体FMR-1105具最强激发态电荷分离与最低跃迁能，利于TICT非辐射失活，扭曲转子构型支持低粘度非辐射弛豫及高粘度受限转动后荧光开启。

Microviscosity-responsive NIR-II fluorescence of FMR-1105-PEG.

PEG化后FMR-1105-PEG在水中有NIR-II发射及长波吸收尾，甘油/水体系呈明显粘度依赖荧光增强并符合F?rster–Hoffmann关系；pH及常见生物离子/活性分子干扰小，极性变化影响弱于粘度。毛细管深埋脂肪乳模拟组织，1064 nm激发较808 nm有更高信噪比(SNR)及更窄半高宽(FWHM)。结论：FMR-1105-PEG是水溶、微粘度特异性激活NIR-II探针，高粘度下开启荧光并提升穿透与对比度。

In vivo viscosity measurement in NAFLD model and therapy intervention.

NAFLD小鼠(iv, FMR-1105-PEG)肝区NIR-II信号显著高于健康对照，NAC干预后信号回落；离体肝成像及肝外观、H&E验证脂质沉积及NAC缓解效应与之吻合。结论：分子分散FMR-1105-PEG可反映NAFLD进展及干预响应，符合微粘度门控感应原理。

Viscosity activation imaging in acetaminophen-induced DILI model.

APAP剂量依赖性致肝损伤伴随肝区NIR-II荧光梯度增强，离体肝、ALT/AST及H&E与之匹配。结论：FMR-1105-PEG对不同肝病理(代谢性与急性药源性)具普适微粘度耦合NIR-II成像能力。

SLN-Relevant NIR-II Lymphatic Mapping and Intervention.

皮下注射FMR-1105-PEG可实时示踪淋巴管及哨兵淋巴结(SLN)，同侧腹股沟LN切除后下游腋窝肿瘤区信号降低。结论：该探针可用于NIR-II淋巴管及SLN相关绘图，具手术导航潜力。

FMR-1105-PEG Micelles for Tumor NIR-II Imaging and Photothermal Performance.

DSPE-PEG₂₀₀₀胶束(~133 nm)使表观MEC增至10.93×10⁴M^?1cm^?1(~20倍)，QY降至0.002%，保留弱粘度依赖(F?rster–Hoffmann型)；1064 nm照射下PCE=56.5%，多次开/关循环稳定，升温不受介质粘度影响；6 mm鸡胸组织覆盖时1064 nm仍可高效深部加热而808 nm明显衰减。结论：胶束强化光子捕获与1064 nm光热转换，热输出粘度不敏感，适合成像引导PTT。

NIR-II Photothermal Cytotoxicity and ICD Induction in living Cells

胶束无暗毒性，1064 nm照射(含6 mm组织覆盖)致4T1细胞大量死亡，伴HMGB1胞浆/外释、CRT膜暴露及胞外ATP升高、胞内ATP耗竭；808 nm无论有无覆盖均无显著杀伤。结论：1064 nm触发光热细胞毒并诱导免疫原性细胞死亡(ICD)特征。

Tumor-Localized NIR-II Photothermal Heating by Probe Drives Efficient Tumor Ablation In Vivo.

荷4T1瘤小鼠iv胶束后1064 nm照射瘤内温升至~49.6℃(PBS对照组仅至~37.4℃)，肿瘤近完全抑制，单照或单探针组无效，体重稳定。结论：探针介导1064 nm瘤内光热转换可有效消融肿瘤。

Tissue-Barrier Evaluation Validates the Deep-Penetration Benefit of NIR-II Photothermal Activation in vivo.

MPE限定功率密度下(808 nm: 0.33 W cm^?2; 1064 nm: 1.0 W cm^?2)，6 mm组织覆盖致808 nm PTT失效但1064 nm维持瘤温升高及治疗效。结论：NIR-II激发具深部组织穿透优势，保障覆盖下有效PTT。

Immunostaining Suggests Treatment-Associated Immune-Cell Presence in the Tumor Microenvironment.

Probe+1064 nm组成像见H&E广泛坏死、Ki67↓、TUNEL↑，CD4⁺T细胞及CD11c⁺树突状细胞浸润较对照组增多。结论：NIR-II PTT可引发原位免疫相关微环境重塑迹象。

Biosafety

第14天血清肝酶(ALT, AST, ALP)、肾功(CREA, UA, UREA)及血常规(WBC, HGB, MCH, RBC)各组无差异，主要脏器H&E无异常。结论：该探针及1064 nm PTT方案具良好体内生物相容性。

讨论与结论翻译

研究人员提出了一种微粘度门控策略以解决单一有机NIR-II荧光团中荧光–产热矛盾，通过重定向激发态能量耗散实现二者平衡。经系统的结构设计构建了可调D–π–A分子转子家族，通过杂原子修饰受体及共轭长度控制将光学跃迁推入NIR-II区，并有意维持低辐射效率以 favoring非辐射衰减。水溶性探针FMR-1105-PEG基于TICT转子架构提供微环境响应的NIR-II输出——低粘度介质基本关闭，粘度升高病理部位开启——实现病灶识别与纵向监测，并在NAFLD及DILI模型中以强对比区分且支持实时评估疾病状态与干预效果。肿瘤治疗中，治疗优化的胶束制剂增强光子捕获并实现高效1064 nm光热激活；包封削弱但仍保留F?rster–Hoffmann型粘度依赖NIR-II荧光，产热基本不受粘度影响，符合受限疏水核内主导非辐射弛豫。1064 nm照射下该制剂体外产生活性光热细胞毒及ICD特征，体内引起局部瘤内升温与显著肿瘤抑制，MPE相关条件下透过组织屏障仍有效，病理、免疫染色及系统安全性指标显示良好耐受性。综上，本工作阐明了一条机制统一的诊疗路径，将微粘度关联的NIR-II报告功能与制剂放大光热消融相耦合，为微环境耦合型NIR-II分子诊疗剂提供可推广的设计指南。