光稳定化卤代半花青用于近红外激发的双模态光热协同及肿瘤靶向治疗

《Smart Molecules》：Photostabilized halocyanine for near-infrared excited bimodal photothermal synergism and tumor-targeted therapy

　　

在本研究中，研究人员将BC7分子中的氢原子替换为卤素原子，以增强母体分子的光稳定性并改善其光热治疗（PTT）与光动力治疗（PDT）效果，同时在维持其光学性质、肿瘤靶向性及光疗效应的前提下进一步优化该分子性能。对所合成的四个化合物进行核磁共振（NMR）波谱分析，确证了目标产物的成功制备。研究人员通过体外光热实验、溶液中活性氧（ROS）检测及稳定性测试，对BC7-Cl、BC7-Br与BC7-I进行初步筛选；随后经尾静脉注射至荷瘤小鼠模型进行体内肿瘤成像，观察到三者的肿瘤靶向能力均较母体分子显著增强。在后续光疗实验中，BC7-Br表现出最优治疗效果，且较BC7有明显提升。该研究为构建兼具高效PTT与PDT双功能的新材料提供了创新策略与理论支撑。

研究背景方面，光动力治疗（PDT）依赖光敏剂在光照下产生活性氧（ROS）杀伤肿瘤细胞，但实体瘤内源性缺氧及PDT耗氧特性会削弱疗效；光热治疗（PTT）不受缺氧限制且具非侵入、低毒优势，二者联用可形成机制互补的双模态光疗。然而现有联合方案多依赖单一功能组分配合不同激光，流程繁琐，且多数双功能光活性剂（PAAs）仅能被可见光激活，组织穿透浅；无机双功能材料存在生物相容性差与代谢不确定等缺陷，有机花青染料BC7虽具近红外（NIR）荧光与肿瘤靶向潜力，但存在水溶性差、连续NIR激光下光稳定性不足、纳米化过程可能损害靶向等问题，限制了其转化。为此，研究人员在BC7骨架上引入卤素原子（F、Cl、Br、I），利用重原子效应调控激发态动力学，以期继承靶向性、提升光稳定性并平衡NIR荧光、PDT与PTT输出，相关工作发表于《Smart Molecules》。

关键技术方法上，研究人员以BC7为母体通过卤代修饰合成BC7-F、BC7-Cl、BC7-Br、BC7-I；采用核磁共振（NMR）与电喷雾高分辨质谱（ESI-HRMS）确证结构；利用密度泛函理论（DFT）与时变密度泛函理论（TD-DFT）在Gaussian16中优化几何与计算前线轨道、单三重态能级差及自旋轨道耦合（SOC）；通过紫外吸收/发射光谱、808 nm激光升温曲线、DPBF探针比色法评估光物理与ROS生成；以4T1与MCF-7细胞行CCK-8暗/光毒性和DCFH-DA胞内ROS检测；体内采用荷横纹肌肉瘤裸鼠模型，经尾静脉注入含20 mg/mL人血清白蛋白（HSA）的磷酸盐缓冲液（PBS, pH 7.4）制剂，行NIR荧光成像、光照治疗、肿瘤体积/体重监测及H&E与TUNEL染色生物安全评价。

研究结果部分，2.1设计与光物理性质表明，卤代衍生物最大吸收约800 nm、发射约830 nm，继承NIR特性；随卤素重原子效应增强，吸收发射红移、荧光减弱，BC7-I倾向经系间窜跃（ISC）至T₁；808 nm照射下BC7荧光15分钟近猝灭，BC7-Cl/Br 15分钟仍残弱荧光，光热转换效率η为BC7 30.1%、BC7-Cl 36.7%、BC7-Br 34.2%、BC7-I 31.5%，证实Cl/Br取代显著提升光稳定性与光热表现。2.2理论计算显示卤素吸电子降低HOMO-LUMO能隙，S₁-T₂能级差缩至0–0.17 eV，SOC矩阵元ξ在S₁-T₂通道显著增强且随卤素变重而增大（BC7-I高于BC7数倍），解释了BC7-I高ROS产率与ISC效率提升。2.3溶液中ROS评价利用DPBF在415 nm吸光度衰减证实BC7-I产ROS最强，BC7-Cl/Br优于BC7。2.4细胞毒性与ROS检测中，CCK-8显示光照下4T1/MCF-7存活率随药浓下降，暗毒低，正常细胞光损伤不显著；DCFH-DA共聚焦显示照组绿色荧光增强，无药照组近无荧光，印证胞内ROS由药物光激活产生。2.5体内成像与治疗中，HSA共溶剂尾注后BC7-Br/Cl更快富集瘤区；808 nm光照治疗周期结束，BC7-Br+Laser组瘤体最小，次之BC7-Cl+Laser，均显著优于BC7+Laser，BC7-I+Laser亦略优；体重平稳，证实安全。2.6生物安全评估中，主要脏器H&E无异常炎症，瘤区H&E与TUNEL显示光照组大片坏死空腔，以BC7-Br+Laser最甚，无光组无损伤。

讨论部分指出，卤代修饰通过重原子效应在不过度牺牲NIR吸收前提下，同步优化光稳定性（Cl/Br最佳）、PTT效率（η最高36.7%）与PDT输出（I最强），并借助HSA介导转运强化肿瘤靶向，突破原BC7连续激光失活与靶向弱的瓶颈。结论部分翻译如下：基于上述分析，研究人员对近红外花青染料BC7进行卤素官能团化学修饰，简化合成并制得目标衍生物；体外表征证其兼具PTT与PDT双功能，在稳定性、升温效率与ROS生成上较BC7显著增强；尾静脉注入荷瘤鼠后体内成像确认改良分子肿瘤靶向速度优于未修饰BC7；体内光疗中BC7-Br+Laser组抑瘤最显，BC7-Cl+Laser与BC7-I+Laser亦优于BC7+Laser。本工作为开发PTT-PDT双功能材料体系提供理论指导与实验依据。