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中国科大采用稳定有机自由基策略实现超亮近红外二区荧光成像引导的温和光热治疗

中国科学技术大学

发布时间：2025-08-15 10:30:42 12次浏览

近日，中国科学技术大学闫立峰教授团队在肿瘤超亮成像引导的光热治疗方面取得重要进展。光疗,尤其是光动力疗法（PDT）和光热疗法（PTT）已成肿瘤的前沿治疗手段。结合荧光成像和导航手术技术，对肿瘤的精准诊疗具有重要价值。但常规的染料荧光发射波长短，组织自吸收和背景荧光严重，限制了其组织穿透深度和成像分辨率。近红外二区（NIR-II）荧光具有优异的组织穿透性，同时光吸收和散射极低，成为光疗中光敏剂的理想工作波段。然而，大多数已报道的NIR-II荧光探针通常表现出较低的量子产率。因此，开发高亮度新型NIR-II荧光分子仍然是亟待解决的问题。与传统光敏剂染料不同，稳定有机自由基的开壳分子特性使其具有独特的电子构型和窄带隙特性，展现出更优越的光物理性能。在激光激发下，自由基可经历D0→D1态跃迁，打破单重态与三重态之间的系间穿越势垒，从而有望显著提高荧光量子产率。

在该研究中，研究人员通过将久洛尼定基团引入到双氰甲基功能化的吩恶嗪骨架中，开发了一种新型稳定有机自由基染料CNPJ。首先通过核独立化学位移计算证实了CNPJ的稳定性和自由基性质。结构分析揭示了两个由有效的自旋离域和分子间电荷转移引起的临界现象：i )极性触发的自由基中心重新分布和ii )热调节的单体- π二聚体平衡。这些显著的特征赋予了增强的结构刚性和优异的绝对光致发光量子产率( 2.57 %)，远高于常规报道的NIR-II染料。基于这些特性，进一步联合pifithrin - μ ( PES )抑制剂介导，将CNPJ与pH响应的两亲性聚合物PEA结合，构建了一个诊疗一体化平台。该系统实现了超高亮度荧光成像引导的温和光热肿瘤治疗，取得了良好的治疗效果。相关研究成果以“Central Dynamic Conversion of Dicyanomethyl Radicals via Inter. .molecular Charge Transfer for Ultrabright NIR-II Fluorescence Imaging-Guided Mild Photothermal Therapy ”为题发表于《德国应用化学》杂志(Angew. Chem. Int. Ed. 2025,e202509609)。

在不同极性溶剂中，CNPJ分别呈现出C自由基和N自由基信号，表明其具有极性微环境诱导的分子间电荷转移特性。该自由基信号强度随温度的变化也验证了其温度依赖性的可逆聚合-解离行为。变温紫外吸收光谱中随温度变化而出现的长波长新吸收峰，证明了CNPJ在聚合过程中优先发生π-二聚化而非σ-二聚化。Van't Hoff曲线拟合得到的热力学参数也证实了这一点。基于这些机制，结构刚性增强的CNPJ分子表现出高的绝对荧光量子产率。

图1.CNPJ及其纳米粒子的自由基性能表征

研究者测试了纳米粒子的光热稳定性，并计算出其光热转换效率（PCE）为49.33%。随后，利用脂肪乳试剂模拟生物组织进行了荧光穿透深度测试。如图2所示，在808 nm激光辐照下观测到的显著温升，以及在深度达10 mm时依然清晰的荧光边界，共同表明CNPJ纳米粒子能够实现深层组织的高穿透荧光成像引导光热效应。

图2.纳米粒子光热性能及穿透深度表征

随后基于前期体外光物理特性研究，系统评估了纳米颗粒的体内药代动力学特征及肿瘤靶向效能。经尾静脉注射给药（5 mg/kg）后，模型动物在6小时内即可实现清晰的肿瘤边缘显影。定量荧光追踪显示纳米颗粒在肿瘤区域呈渐进性蓄积，并于24小时达峰值，较6小时时增强2.4倍。随后，研究者按照图3所示方案将该纳米颗粒注射至荷瘤小鼠体内进行光热治疗研究。利用红外热像仪进行实时温度监测，确保在整个辐照过程中肿瘤部位温度始终低于48°C阈值。在808 nm激光照射约3分钟后，可以清晰观察到肿瘤的光热成像，随即调节光功率密度以将肿瘤温度维持在48°C以下，完成m-PTT。治疗后对肿瘤体积和小鼠全身状态的监测持续了14天，所有实验组小鼠均未见明显异常。