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ACS Nano:高效近红外长波长有机光敏剂分子设计及其多模态诊疗

光学治疗(Phototherapy)是一种利用光激活激发态能量转化效应实现精确性打击肿瘤的新型治疗模式,且其自身具有高效、精准以及非侵入的独特优势,在癌症治疗领域已经展现出巨大潜力。众所周知,光热治疗(Photothermal therapy, PTT)在过去几年时间已取得了长足的发展。该课题组几年来也发展一系列近红外一区及二区的高效光热癌症治疗体系(Adv. Mater., 2020, 2001146; ACS Nano, 2020, 13, 12901; Small, 2020, 2002672; Biomaterials, 2020, 232, 119684; Biomaterials, 2019, 216, 119252; Biomaterials, 2018, 181, 92-102; Adv. Funct. Mater., 2017, 27, 1605094)。然而,光动力治疗(Photodynamic therapy, PDT)的发展仍然十分缓慢,究其主要原因是缺乏高效的近红外光敏剂。目前被广泛使用的光敏剂包括protoporphyrin IX (PpIX)、methylene blue (MB)、chlorin e6 (Ce6) 及一些低波段光敏剂,这些光敏剂虽然具有较高的活性氧效率,但它们的激发波长大部分集中在可见光及红光区域(<700 nm)。近红外波段特别是808 nm已经被证实是一个具有深部组织穿透潜能的疾病诊疗窗口,激发了广大科学家们致力于该领域的研究热情和兴趣。这其中优秀的代表就是美国FDA批准的成像试剂吲哚菁绿(ICG)被广泛用来进行近红外光动力治疗,但其相对低的活性氧效率以及易光漂白缺陷严重阻碍了它的进一步应用。因此,发展新的分子体系和高效长波长光敏剂仍是当前的一个挑战。

图1. 苯并噻吩类光敏剂设计以及多模态诊疗应用。


近日,香港城市大学化学系的李振声教授、李盛亮博士联合台湾大学Ken-Tsung Wong教授以及北京理工大学张金凤副教授,开发了一种苯并噻吩类(BT)有机小分子光敏剂分子体系,且获得了吸收峰超过800 nm的高效材料用于多模态癌症诊疗(图1)。研究人员设计了一系列D-π-A构型的分子,通过使用不同的D/π结构,最终获得的BT3分子可实现吸收峰红移至超过800 nm。通过使用DSPE-PEG包被将BT3组装成纳米颗粒(BT3 NPs),纳米颗粒的吸收峰红移至~840 nm,同时其在808 nm激光照射下具有较高的ROS产生、光声效应以及光热效果,并且在细胞和小鼠实验中都体现出优异的抗癌效果。


研究人员首先对BT3 NPs的形貌、光学性质以及光物理特性进行了一系列表征,结果表明该纳米颗粒尺寸大约在48 nm、单分散性较好且在800-1000 nm范围内有较强吸收;此外,BT3 NPs在808 nm激光照射下可以有效产生ROS并且其产生效率比ICG大10倍左右;同时,该纳米颗粒也表现出优异的光热效果(PCE: 58.3%)以及光稳定性;最后,研究人员对BT3 NPs的抗癌能力进行了探究,结果表明,其在808nm激光照射下可以有效杀死A549肝癌细胞(图2)。

图2. A) BT3 NPs的形貌;B) BT3 molecule和NPs的吸收光谱;C) 808 nm 激发NPs的ROS产生;D) 纳米颗粒的光热效应表征;E) 光热稳定性;F)BT3 NPs对A549癌细胞的暗毒性和光毒性。


最后,研究人员分别研究了BT3 NPs在A549肺癌裸鼠移植肿瘤小鼠体内的光声成像(PAI)以及抗肿瘤效果。PAI结果表明,在尾静脉注射NPs 12小时后,肿瘤组织内聚集的NPs最多,这为后面的肿瘤抑制实验提供了精准的成像指导。抑瘤实验结果表明,BT3 NPs在光照下可以有效地抑制小鼠体内肿瘤生长并且在2周的治疗过程中无复发(图3)。因此,该多模态光学诊疗系统为发展高效的近红外光疗分子体系提供了新思路。

图3. A) A549肿瘤小鼠光声成像;B) 肿瘤生长抑制曲线。


相关研究成果近期发表在ACS Nano 上,文章的第一作者是香港城市大学博士研究生万应鹏、北京理工大学博士研究生卢贵红以及台湾大学Wei-Chih Wei


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Stable Organic Photosensitizer Nanoparticles with Absorption Peak beyond 800 Nanometer and High Reactive Oxygen Species Yield for Multi-Modality Phototheranostics

Yingpeng Wan, Guihong Lu, Wei-Chih Wei, Yi-Hsuan Huang, Shengliang Li,* Jia-Xiong Chen, Xiao Cui, Ya-Fang Xiao, Xiaozhen Li, Yanhong Liu, Xiang-Min Meng, Pengfei Wang, Hai-Yan Xie, Jinfeng Zhang,* Ken-Tsung Wong,* Chun-Sing Lee*

ACS Nano., 2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c02767


导师介绍


李盛亮博士:香港城市大学化学系Senior Research Associate (高级副研究员)。近年来主要致力于有机纳米光捕获材料的分子设计及其生物医学和环境健康领域的应用研究,并在相关领域发表SCI论文70余篇,其中以通讯/第一作者发表国际权威期刊论文20余篇,包括 Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., ACS Nano, Chem. Mater., Chem. Sci., Biomaterials等。个人H指数24,其中多篇研究论文被高频引用。多项研究成果被行业旗舰刊物highlights评述,并获得新闻和新媒体报道。申请国家发明专利8项、参与撰写2本纳米和材料领域书籍。


https://www.x-mol.com/university/faculty/78623


张金凤副教授:北京理工大学生命学院副教授,特别研究员,博士生导师。2017年获香港城市大学博士学位。研究领域:自组装纳米药物在生物医学领域应用研究。在相关领域发表SCI论文45篇,被引用1400余次(H-index 22),其中以通讯/第一作者发表论文22篇(IF>10的9篇),包括 ACS Nano, Nano Letters, Adv. Funct. Mater., Biomaterials,5篇被编辑邀请为封面文章。研究成果曾被Chem. Rev., Adv. Mater., Adv. Drug Deliv. Rev., Biomaterials 等以图片引用报导。申请/授权国家发明专利6项、授权美国发明专利1项,参与撰写1本英文书籍。


Wong, Ken-Tsung教授:台湾大学化学系教授。主要研究领域包括:有机分子设计与合成用于光电子领域,有机纳米材料以及应用。在相关领域发表SCI论文300余篇,被引用17000余次(H-index 74)。


李振声教授:香港城市大学化学系系主任,材料化学讲座教授及香港城市大学超金刚石及先进薄膜研究中心(COSDAF)主任。主要研究领域包括:有机光电材料及器件,材料界面科学,纳米生物医学等。在相关领域发表SCI论文700余篇,被引用48000余次(H-index 111),著作5部,获准美国专利16项,已主持香港研资局优配研究基金、科技创新署与香港城市大学资助等的科研项目超过50余项。同时,担任国际期刊《Materials Today Energy》主编,《Thin Solid Films》的副编辑,Nature Publishing Group-《Asian Materials》的顾问委员会成员,《Materials Today》和《Materials Research Express》及《Physica Status Solidi》多个国际期刊的编委会成员。


http://www.cityu.edu.hk/cosdaf/MemberProfiles/profilecslee.htm

https://www.x-mol.com/university/faculty/49758


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