强[1,2,5]噻二唑并[3,4-g]喹喔啉受体上的单硼配位实现用于光声成像引导光热治疗的强NIR-II吸收

《Aggregate》：Single Boron Coordination on a Strong [1,2,5]Thiadiazolo[3,4-g]Quinoxaline Acceptor Enables Intense NIR-II Absorption for Photoacoustic Imaging-Guided Photothermal Therapy

　　

强近红外二区（NIR-II，1000–1700 nm）吸收体具有高光热效率，对于深层组织光声成像和光热治疗非常理想。然而，同时实现结构稳健性和强NIR-II吸收的给体-受体（D–A）分子设计策略仍然稀缺。在此，研究人员证明，单硼配位可以在本质上强的受体[1,2,5]噻二唑并[3,4-g]喹喔啉（TQ）上实现，这是先前报道的基于较弱缺电子受体的硼工程策略未能实现的领域。单分子内N→B–N配位将TQ转化为比广泛使用的苯并双(噻二唑)（BBT）受体更强的缺电子单元。通过给体工程和平面性调控，所得硼化TQ衍生物BLD3在甲苯中于1000 nm附近表现出强NIR-II吸收，具有高摩尔消光系数（ε > 3 × 10⁴ M^?1 cm^?1）。具有2.1 ps超快非辐射衰变特征的BLD3纳米颗粒（NPs）在1060 nm激光照射下显示出68%的高光热转换效率，以及在1064 nm激发下稳健的光声（PA）输出。结合优异的光/热稳定性、良好的肿瘤富集和良好的生物相容性，BLD3 NPs实现了有效的NIR-II PA成像引导的光热治疗，具有显著的肿瘤消融效果。这项工作扩展了硼配位化学的强受体库，为构建强大的缺电子构建块和高性能NIR-II光诊疗材料提供了通用平台。

**研究背景与问题**

有机近红外二区（NIR-II，1000–1700 nm）吸收体在深层组织光声成像（PAI）和光热治疗（PTT）中具有重要应用前景，但现有给体-受体（D–A）分子设计策略在同时实现结构稳健性和强NIR-II吸收方面存在显著挑战。传统强受体如苯并双(噻二唑)（BBT）化学稳定性差且吸电子能力不足，需引入高度氧敏感的强给体；而[1,2,5]噻二唑并[3,4-g]喹喔啉（TQ）类受体虽然稳定性优异，但电子亲和力较弱，其D–A体系吸收主要局限于近红外一区（NIR-I），仅能延伸至1000 nm以上微弱吸收。已有硼配位策略多用于弱受体，尚未在强受体上实现单硼配位以获得与BBT相当甚至更强的缺电子单元。因此，研究人员旨在通过单硼配位增强TQ的电子亲和力，设计并合成具有强NIR-II吸收的D–A分子，以实现高效的光声成像引导光热治疗。

**研究内容与结论**

研究人员设计并合成了一系列基于TQ的D–A分子，通过将N→B–N配位引入TQ受体，成功缩小了能带隙，获得了吸收显著红移的硼化衍生物BLD1-3。通过增强给体强度和骨架平面化，吸收最大值从838 nm逐步红移至988 nm，其中BLD3在甲苯中于980 nm处表现出强NIR-II吸收（摩尔消光系数ε = 3.2 × 10⁴ M^?1 cm^?1）。将BLD3封装为纳米颗粒（NPs）后，在1060 nm激光照射下，BLD3 NPs展现出68%的高光热转换效率（PCE）以及2.1 ps的超快非辐射衰减，同时具有优异的光热稳定性和生物相容性。在4T1肿瘤小鼠模型中，BLD3 NPs通过增强渗透与滞留（EPR）效应实现有效肿瘤富集，并在1064 nm激发下产生强光声信号，进而实现NIR-II PAI引导的PTT，显著消融肿瘤。该研究首次在强受体TQ上实现单硼配位，扩展了硼配位化学的受体库，为构建高性能NIR-II光诊疗材料提供了通用平台。论文发表在《Aggregate》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用以下关键方法：(1) 硼配位合成：通过BPh₃与含吲哚基团的TQ前体加热反应，形成N→B–N配位键。(2) 密度泛函理论（DFT）计算：评估B–N键解离自由能（ΔG_diss）、前沿分子轨道能级、芳香性变化（通过核独立化学位移NICS计算）。(3) 循环伏安法（CV）测量：测定还原电位以评估电子亲和力。(4) 飞秒瞬态吸收（fs-TA）光谱：探测激发态非辐射衰减动力学。(5) 纳米沉淀法：利用两亲性聚合物DSPE-mPEG₂₀₀₀将分子封装为水分散性纳米颗粒。(6) 体外细胞实验：MTT法、FDA/PI共染色、流式细胞术评估细胞毒性和光热杀伤效果。(7) 体内光声成像（PAI）和荧光成像（FLI）：在4T1肿瘤小鼠模型（BALB/c小鼠，来源：实验动物伦理委员会批准）中评估纳米颗粒的肿瘤富集和分布。(8) 体内光热治疗：使用1060 nm激光照射，监测肿瘤体积变化和组织病理学分析（H&E、Ki67、TUNEL、CD31染色）。

**研究结果**

**2.1 分子设计与表征**

通过合成一系列含三苯胺（TPA）给体、吲哚锚定位点的TQ前体LD1-3，并利用BPh₃硼化获得BLD1-3。DFT计算表明，硼配位优先发生在喹啉氮上（ΔG_diss = +19.80 kcal mol^?1），通过NOESY和COSY核磁共振（NMR）实验证实。紫外-可见吸收光谱显示，硼化后所有化合物在二氯甲烷（DCM）中吸收红移超过166 nm，在配位溶剂（如DMSO）中发生蓝移，证实硼配位有效缩小能隙。BLD1-3的摩尔消光系数随给体增强和平面化增加，BLD3在980 nm处ε达3.2 × 10⁴ M^?1 cm^?1。DFT和时间依赖DFT（TD-DFT）计算表明，硼化显著降低LUMO能级，同时HOMO几乎不变，导致带隙缩小；NICS计算显示配位后吡嗪和吡咯环芳香性部分丧失，增强吸电子效应。CV测量显示BLD1-3的第一还原电位（E_red1）分别为?0.82、?0.88和?0.77 eV（vs. Fc/Fc⁺），比典型BBT基D–A–D体系更正，证实硼化TQ比BBT具有更强的吸电子能力。引入噻吩π桥使BLD3中给体与受体间的二面角减小至0.21°，促进了高效电荷转移，从而产生强NIR-II吸收。

**2.2 BLD1-3 NPs的制备与表征**

通过纳米沉淀法将BLD1-3封装于DSPE-mPEG₂₀₀₀中，得到水分散性纳米颗粒，其吸收光谱与在甲苯中相似。BLD3 NPs在1060 nm处的ε为1.6 × 10⁴ M^?1 cm^?1，高于多数报道的NIR-II有机小分子纳米颗粒。动态光散射（DLS）显示粒径分别为58.3、47.5和53.3 nm，透射电镜（TEM）确认均匀球形；ζ电位分别为?0.62、?0.84和?0.70 mV。14天内粒径无显著变化，表明胶体稳定性良好。在0.8 W cm^?2激光（808 nm或1060 nm）照射10 min后，50 μM的BLD1-3 NPs水分散液温度分别升至70.3、69.4和74.0°C；光热转换效率（PCE）分别为59%、46%和68%。BLD3 NPs经5次照射-冷却循环后峰值温度几乎无衰减，而临床用吲哚菁绿（ICG）纳米颗粒则显著下降，且吸收峰强度在连续光照下保持稳定，展现出优异的光热稳定性。

**2.3 激发态动力学研究**

飞秒瞬态吸收（fs-TA）光谱显示，BLD1-3 NPs均表现出负的基态漂白（GSB）和正的激发态吸收（ESA）信号。BLD1-2 NPs的ESA信号在数十皮秒内衰减，而BLD3 NPs的ESA信号在约8 ps内几乎完全耗尽。定量动力学分析表明，BLD1 NPs在1174 nm处的ESA衰减寿命为6.67 ps，BLD2 NPs在1150 nm处为6.34 ps，而BLD3 NPs在1299 nm处仅为2.10 ps，与其超低荧光量子产率（0.0005%）和最高PCE相符，证实超快非辐射衰减是高效光热转换的机制。

**2.4 体外光热治疗**

在MCF-7和4T1细胞中，MTT实验显示，暗处孵育24 h后，BLD3 NPs（0-50 μM）无明显细胞毒性；而经1060 nm激光（0.8 W cm^?2，10 min）照射后，细胞存活率呈浓度依赖性下降，50 μM时两种细胞存活率均低于10%。FDA/PI共染色和流式细胞术（annexin V-FITC/PI）进一步证实，BLD3 NPs加激光组主要呈现红色荧光（死细胞），且超过90%的细胞处于凋亡区域（Q2），表明光热诱导的凋亡为主杀伤机制。

**2.5 BLD3 NPs的NIR-II光声特性与生物分布**

BLD3 NPs水溶液在1064 nm激发下，光声（PA）信号强度呈浓度依赖性。在4T1荷瘤小鼠中，静脉注射BLD3 NPs后，肿瘤部位PA信号随时间逐渐增强，在8-12小时达到平台（p > 0.05），之后缓慢下降；Cy5荧光成像（FLI）显示相同趋势，且游离Cy5组肿瘤滞留显著更低，证实被动靶向依赖于EPR效应。离体器官荧光成像显示，12小时时肿瘤、肝脏和肾脏中荧光信号较强，表明通过肝胆和肾脏清除途径。

**2.6 体内光热治疗与生物安全性**

在4T1荷瘤小鼠中，静脉注射BLD3 NPs后12小时，以1060 nm激光（0.8 W cm^?2）照射10 min，肿瘤温度在2分钟内从30.1°C升至59.8°C，而PBS加激光组仅升至40.2°C。14天监测显示，BLD3 NPs加激光组肿瘤体积显著缩小甚至消失，而PBS、PBS+激光、NPs组肿瘤持续生长。H&E染色显示BLD3 NPs加激光组肿瘤组织明显坏死；TUNEL染色显示大量凋亡/坏死细胞（绿色荧光）；Ki67免疫荧光显示增殖能力降低；CD31免疫荧光显示微血管密度减少。各组小鼠体重、肝肾功能指标（血清生化）及主要器官（心、肝、脾、肺、肾）H&E染色无明显差异，表明BLD3 NPs具有良好的体内生物安全性。

**总结讨论与结论**

讨论部分指出，通过单硼配位将强受体TQ转化为比BBT更缺电子的结构单元，结合给体工程和平面性调控，实现了从NIR-I到NIR-II吸收的显著红移，并赋予纳米颗粒超快非辐射衰减、高光热转换效率和优异的光声性能。该策略克服了传统TQ基体系吸收弱、BBT基体系稳定性差的问题，为构建高性能NIR-II光诊疗材料提供了通用平台。研究结论翻译如下：总之，研究人员成功在强受体TQ上实现了硼配位，通过TQ喹啉氮上的单分子内N→B–N配位，将这一本征稳定的骨架转化为优于BBT的强缺电子单元。通过精细调控给体强度和骨架平面性，得到代表性化合物BLD3，其在甲苯中于988 nm处表现出强NIR-II吸收，摩尔消光系数高达3.2 × 10⁴ M^?1 cm^?1。纳米颗粒封装保留了BLD3在水介质中的NIR-II光学性质。2.10 ps的超快非辐射衰减过程赋予BLD3 NPs在1064 nm激发下68%的高PCE和优异的光声性能。得益于高光稳定性、强NIR-II光声对比度和显著PCE，BLD3 NPs实现了有效的NIR-II PAI引导的光热治疗，显著消融肿瘤且具有良好的生物安全性。重要的是，该工作首次证明硼配位可以成功应用于强受体TQ，将硼工程化学扩展至先前报道的弱受体体系之外，拓宽了硼配位受体的工具箱，为构建高性能NIR-II光诊疗材料的强缺电子架构提供了通用设计平台。