首师大魏玮团队Angew：水溶性主客体环番体系用于NIR-II光热治疗

光热治疗是一种将光能转换为局部热量诱发细胞死亡的一种非侵入式治疗技术，被证明在重大疾病（包括恶性肿瘤和感染疾病等）治疗方面具有重要应用前景。与无机和聚合物材料相比，有机小分子往往具有更好的生物相容性和更快的代谢速率等优势。然而，高性能的有机小分子光热制剂却因复杂的设计和冗繁的共价合成过程使其应用受到限制，尤其是具有更高生物组织穿透能力的近红外二区（1000–1350 nm）响应的小分子光热制剂目前仍屈指可数。

受到电子供体-受体小分子共晶体系的启发，首都师范大学魏玮教授（点击查看介绍）、王果副教授（点击查看介绍）及其合作者开发了一类基于非共价电荷转移作用构筑的水溶性主客体环番化合物，并将其成功应用于肿瘤细胞和细菌的近红外二区光热消融。

首先，作者在已发表工作的设计思路之上（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202202491），通过优化改进构筑基团高效合成了一种以萘二酰亚胺（NDI）为核心、双侧成环的水溶性环番——“双子型”分子盒-4（“Gemini Box-4”，GBox-4⁴⁺，图1a），并可以实现克级水平的制备。单晶X 射线衍射分析证实，NDI母核与两侧3,3’-联吡啶嗡盐基团的质心距离达到7.0 Å，因此GBox-4⁴⁺的双侧空腔可以以1:2的模式结合一系列富电子客体分子（图1b）。 

图1. （a）GBox-4⁴⁺的制备过程；（b）GBox-4⁴⁺（单晶结构）与各种客体分子形成1:2的主客体化合物（理论优化结构）

这些通过电荷转移作用形成的主客体化合物在水溶液中显示了强的光吸收能力，并随着客体给电子能力的提升，其吸收带可发生明显的红移，甚至扩展至近红外二区（图2a-2b）。有趣的是，由相同构筑基团合成的单空腔环番参比物却无法实现如此明显的红移。通过理论计算，证明这种大的电荷转移吸收带红移是由于四价阳离子GBox-4⁴⁺空腔具有高度的缺电子性质，从而拥有更强的电子接受能力所致。在1064 nm的近红外激光照射下，多个主客体化合物表现出良好的光热转换能力，其中以寡聚乙二醇链修饰客体形成的DAF-OH₂⊂GBox-4⁴⁺性能最佳（图2c-2d）。

图2. （a）-（b）主客体化合物的吸收谱图；（c）主客体化合物的光热升温-冷却曲线；（d）DAF-OH₂⊂GBox-4⁴⁺的光热循环曲线

细胞毒性实验表明，纯主体GBox-4⁴⁺与主客体化合物DAF-OH₂⊂GBox-4⁴⁺在研究的浓度范围内具有良好的生物相容性（图3a），这证明使用寡聚乙二醇链修饰客体不仅能提高主客体化合物光热转换性能，还可以显著改善其生物相容性。在1064 nm激光照射后，经DAF-OH₂⊂GBox-4⁴⁺孵育的HeLa细胞超过90%被光消融杀灭（图3b），同时细胞共聚焦荧光图片也证实了这一点（图3c）。另外，这些主客体化合物还表现出了良好的光热抗菌效果。

图3.（a）经各个浓度的GBox-4⁴⁺及其主客体化合物孵育24 h后HeLa 细胞存活率；（b）经DAF-OH₂⊂GBox-4⁴⁺孵育后有/无激光照射的细胞存活率；（c）经光热消融后的细胞共聚焦荧光图片

总之，该工作通过开发结构新颖的水溶性有机环番主体，不仅拓展了主客体环番体系的应用范围，也为通过非共价作用构筑生物友好、结构确定的近红外二区有机小分子光吸收材料提供了新的思路。值得一提的是，GBox-4⁴⁺ 1:2的主客体结合模式使其成为一种理想的结构基元，有望用来构筑超分子聚合物、互锁分子、超分子有机框架等复杂的多组分组装体系。

这一研究成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，通讯作者为首都师范大学魏玮教授、王果副教授，共同第一作者为李然、杨飞。北京理工大学王蔚芝研究员和许颜清教授也对该工作进行了指导。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Manipulating Host-Guest Charge Transfer of a Water-Soluble Double-Cavity Cyclophane for NIR-II Photothermal Therapy

Ran Li, Fei Yang, Liying Zhang, Mengzhen Li, Guo Wang,* Weizhi Wang, Yanqing Xu, Wei Wei*

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202301267

导师介绍

王果

https://hxx.cnu.edu.cn/szdw/qtjs/yjjys/58538.htm 

https://www.x-mol.com/university/faculty/18360 

魏玮

https://www.x-mol.com/groups/wwei