唐本忠/王东AM:全能的纳米AIE!只用一个分子,即可实现所有的光诊疗方式!
小奇 2020-07-24

光诊疗学近年来引起了人们的极大兴趣,因为它允许在光照开始时进行实时诊断和同时进行原位治疗,从而为癌症研究开辟了一条新的途径。为了构建光诊疗系统,人们不断探索各种诊断成像和治疗方法。

 

光学诊断技术

在各种诊断技术中,荧光成像(FLI)具有灵敏度高、响应快、无创性等优点,可实现实时、实时的直观显示,但其在体内的应用受到穿透深度不足的严重限制。

相比之下,光声成像(PAI)作为另一种光触发诊断方法,能够提供非常高的成像深度,并以显微空间分辨率描绘肿瘤的深部轮廓,但缺乏敏感性。

在这种情况下,FLI与PAI的结合将有助于通过协调成像灵敏度、空间分辨率和穿透深度来获得丰富而精确的肿瘤信息。

 

光学治疗技术

作为传统肿瘤治疗的一种有前途的替代疗法,光学疗法,包括光动力疗法(PDT)光热疗法(PTT),已成为一种光可控、无创、有效的治疗手段。此外,PTT过程中产生的热信号也可以被用于光热成像(PTI)的热成像系统捕获,具有良好的温度灵敏度和实时监测的可能性。然而,由于肿瘤微环境对PDT的缺氧性和PTT获得的热休克效应,PDT或PTT单独治疗的效果往往不理想。PDT和PTT的协同作用被认为是一种突破性的策略,可以克服各自的缺点,实现协同效应,提高治疗效果。因此,巧妙地构建多功能光诊疗系统,允许同时进行多模式成像和协同光疗将是至关重要的。

 

目前构建多模态光诊疗学的最常用方法是将具有单个功能的各种组件组合到一个纳米平台中。尽管这种多合一方法在某种程度上是有效的,但不可避免地会受到复杂的组成、难以重复和不确定的药代动力学的阻碍,因此难以进行临床转化。

 

那可不可以抛去所有的繁杂组分,只需要一种物质就可以实现FLI,PAI,PTI,PDT和PTT功能的全能光诊疗系统呢?这是一项非常有挑战性和吸引力的任务,因为想要实现全能光诊疗系统,需要巧妙地调节辐射和非辐射能量耗散之间的平衡。

 

有鉴于此,香港科技大学唐本忠院士和深圳大学王东等人报告了基于单个AIEgen的简单且全能的光诊疗法。只需一个分子就实现了所有的光诊疗形式,包括荧光成像(FLI),光声成像(PAI),光热成像(PTI),光动力疗法(PDT)和光热疗法(PTT)。相关成果发表于Advanced Materials上。

 

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设计思路

这里需要提一下AIEgens的结构优势:已经证明,主动分子运动能够通过非辐射衰变促进能量消散。相反,分子运动的限制可以使吸收的能量流到伴随荧光的辐射能量耗散途径。由于AIEgens结构中具有大量自由运动的分子旋转器或振动器,且在NP状态下,AIEgens的分子内运动将受到部分限制,同时,其固有的螺旋状螺旋构象可使AIE NPs形成松散堆积,而分子内运动仍然活跃,这使AIEgens成为平衡能量耗散的绝佳模板,以及开发多功能光诊疗技术。

 

为了满足上面的要求,研究人员设计的化合物(TI,TSI和TSSI)包含1,3-双(二氰基亚甲基)茚满基部分(它作为A),三苯胺单元(TPA,作为D)和或噻吩链段(作D和π-桥),该结构显示出非常强的D–A相互作用,并在不同程度上扩展了π共轭。可以合理预期,具有最大D–A强度和处于团聚状态的分子内运动的化合物TSSI将是构建具有NIR-II发射的多功能光诊疗学材料的最有希望的候选材料。另外,该材料的合成步骤也非常简单,只需要1到2步即可。


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图|分子结构、纳米制备和多功能光热学应用的示意图

 

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通用合成步骤

 

所制备的TI,TSI和TSSI NP的平均大小分别约为65.6、61.3和55.5 nm,具有高稳定性。体外表征表明,TSSI NP均优于其他两种纳米粒。在660 nm激光照射下,制备的AIE纳米粒子(TSSI NP)显示出显著的以992nm为中心的NIR-II荧光信号,具有极高的ROS和高达46%的光热转换效率。


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图| 相应的NP的光物理,光动力和光热特性

 

体外和体内研究均证实,具有出色生物相容性、高通用性的AIE NP在NIR-II FLI-PAI-PTI三模式成像引导的PDT-PTT协同治疗中表现良好。值得注意的是,在体内治疗过程中只采用一次注射和一次照射的方法,就具有良好的治疗效果。

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图|TSSINPs的体内多模式成像指导协同治疗效果

 

小结:

综上所述,报告一种基于单一AIE荧光团的全能光诊疗试剂,该试剂允许所有FLI,PAI,PTI,PDT和PTT。与传统的all-in-one策略相比,基于AIEgen的one-for-all方法在实现多模式功能和最大化光疗效果方面更为直接。本研究的这些发现将为癌症光诊疗多功能平台的设计开辟新的视角,并引发临床试验中治疗学的最新发展。

 

参考文献:

Zhang,Z., et al., An All‐Round Athlete on the Track of Phototheranostics: SubtlyRegulating the Balance between Radiative and Nonradiative Decays for MultimodalImaging‐Guided Synergistic Therapy. Adv. Mater. 2020, 2003210.

https://doi.org/10.1002/adma.202003210

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