【材料】具有高单线态氧产率的近红外菁染料光敏剂用于光动力治疗- 大数跨境

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2024-08-09

导读：大连理工大学彭孝军院士团队樊江莉、孙文教授选择具有强近红外吸收、高摩尔消光系数的七甲川花菁为染料母体，通过引入硒杂原子，构建了一例具有超高单线态氧生成能力的近红外光敏剂。

光动力疗法是一种已获临床批准使用的癌症治疗方法。其具有安全性高、时空选择性强和非侵入性等优点。然而，大多数临床批准使用的光敏剂只能被可见光（400-700 nm）所激活。由于生物组织物对可见光的强吸收和散射特性往往会严重削弱激发光的穿透能力，严重限制了光敏剂在深处组织部位的应用。相比之下，处于生物治疗窗口（700-900 nm）的近红外光在组织中受到吸收和散射作用相对较弱，可以有效地穿透一定厚度的组织，从而激活光敏剂。但是，随着波长的延长，光子能量逐渐降低，激发态的光敏剂和单线态氧能级匹配困难，光敏剂倾向于以非辐射跃迁方式耗散能量（光热）等问题致使近红外光敏剂的单线态氧量子产率较低。为了保证近红外光敏剂产生足够的单线态氧，往往需要较强的激光强度（>100 mW/cm²），这会造成一定的安全隐患。

大连理工大学彭孝军院士团队樊江莉、孙文教授选择具有强近红外吸收、高摩尔消光系数的七甲川花菁为染料母体，通过引入硒杂原子，构建了一例具有超高单线态氧生成能力的近红外光敏剂。该硒取代七甲川花菁表现出强烈的近红外光（840 nm）吸收能力，且在低剂量的近红外光照下（850 nm， 5 mW/cm²）迅速降解单线态氧捕获剂，是吲哚菁绿的24.5倍，显示出其超高的单线态氧生成能力，是迄今为止已报导的近红外光敏剂中单线态氧量子产率最高的染料分子。

理论计算证明硒原子在分子中发挥着双重作用。首先，与甲川链之间产生了强的分子内电荷转移效应，这极大地缩减了单重态与三重态之间的能级差。另外，硒的重原子效应显著增强了分子的自旋轨道耦合。该硒原子的分子内电荷转移效应和重原子效应协同促进了系间窜越的发生，从而显著提高了单线态氧量子产率。超快光谱分析证明该分子具有较高的三重态量子产率（61%），远高于其它分子，这进一步解释了其具有超高单线态氧生成能力的原因。

同时该研究团队发现硒取代七甲川花菁具有较高的生物相容性和光毒性。并且体内实验证明该分子在光照下能够有效消融固体肿瘤。为了研究其对深处组织部位固体肿瘤的消融能力，作者使用12 mm的鸡肉组织覆盖肿瘤。实验发现即使在12 mm的鸡肉组织覆盖下，固体肿瘤的生长也受到了明显的抑制。另外，该团队也构建了小鼠原位乳腺癌模型，研究发现该近红外光敏剂不仅可以有效抑制原位乳腺肿瘤的生长，并且还能有效抑制癌细胞肺转移的发生。

该硒取代近红外七甲川花菁优异的性能，为解决近红外光敏剂固有的低单线态氧量子产率的问题提供了一种新方案。

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Near-Infrared Heptamethine Cyanine Photosensitizers with Efficient Singlet Oxygen Generation for Anticancer Photodynamic Therapy

Wenkai Liu, Shan He, Xue Ma, Chengyuan Lv, Hua Gu, Jianfang Cao, Jianjun Du, Wen Sun, Jiangli Fan, Xiaojun Peng

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202411802

樊江莉教授简介

樊江莉，大连理工大学教授，博士生导师。2005年毕业于大连理工大学，获博士学位。国家杰出青年基金、优秀青年基金获得者、入选第三批国家“万人计划”领军人才、“青年长江”、辽宁省“兴辽英才计划”科技创新领军人才。研究工作围绕染料结构与性能关系研究，提出了增强型光诱导分子内电子转移机理；创制了肿瘤标志物、核酸等系列荧光识别染料；发展出系列荧光染料产品，在血液细胞分群等领域得到了产业化应用。相关研究成果发表在JACS、Angew. Chem.、Adv. Mater.、Chem、Acc. Chem. Res、Chem. Soc. Rev.等国际权威学术期刊，授权国内外发明专利40余项。曾获2021年国家技术发明二等奖、2020年中国青年科技奖、2019年石化联合会技术发明一等奖、2018年教育部技术发明一等奖、2013年国家自然科学二等奖1项和2006年国家技术发明二等奖。

个人主页链接：

http://faculty.dlut.edu.cn/2005011054/zh_CN/index.htm

https://www.x-mol.com/university/faculty/9416

孙文教授简介

孙文，大连理工大学教授，博士生导师。作为项目负责人主持包括国家自然科学基金优秀青年基金、面上项目、教育部科技领军人才团队项目、辽宁省重点研发计划等科研项目。围绕光驱动治疗用染料分子结构与性能关系开展研究工作，包括强化非辐射跃迁过程，提高光疗效率；发展低氧依赖型光疗过程，克服肿瘤乏氧微对光动力治疗的限制；优化染料肿瘤靶向性，通过创制靶向型纳米制剂，提升染料病灶靶向与富集。目前担任精细化工国家重点实验室主任助理，中国感光学会光学传感与诊疗专委会副秘书长、中国化工学会精细化工专业委员会委员、大连市精细化工学会秘书长。以第一作者/通讯作者在Nat. Chem.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed、Adv. Mater. 、Matter等期刊发表高水平论文50余篇，2篇文章入选Hot paper, 8篇入选ESI高被引，论文引用9700余次，H因子52，连续入选MIT全球前2%顶尖科学家榜单。入选Chem. Commun.、J. Mater. Chem. B、Nano Research 期刊新锐科学家。获中国石油和化学工业联合会技术发明一等奖；入选辽宁省百千万人才工程、辽宁省 “兴辽英才”-青年拔尖人才，获侯德榜化工科技青年奖等荣誉称号。

个人主页链接：

http://faculty.dlut.edu.cn/2018011013/zh_CN/index.htm

https://www.x-mol.com/university/faculty/65993