物质科学
Physical science
近日，西安交通大学化学学院党东锋教授团队发表最新研究，发现构筑具有紧密有序的分子堆积和理想形态的有机纳米组装体对实现纳米材料的高性能光动力治疗具有重要意义，也为开发高性能有机光敏材料提供新的思路。该工作以“Shuttle-like nanoassemblies by isomeric photosensitizers to enhance ROS generation and tumor penetration for photodynamic therapy”为题发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊Matter上。
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通讯作者：党东锋（西安交通大学）
作者：张珮娟，申起飞，杨建业，赵治钦，郜安然，陈帅，张妍，孟令杰，党东锋*
近年来，光动力治疗（PDT）具有高时空精确度、低耐药性和无侵入性等优点，受到越来越多的关注。在PDT诊疗过程中，有机光敏剂被光激活后可产生细胞毒性活性氧（ROS），对细胞造成氧化损伤，从而实现抗肿瘤作用。然而，大多数有机光敏剂具有疏水特性，因此需要通过包封两亲性聚合物、脂质体等形成纳米聚集体来实现生物应用。遗憾的是，由于这些光敏剂通常具有平面状的分子结构，容易发生分子间π-π堆积，产生聚集荧光淬灭（ACQ）效应，从而削弱了其PDT诊疗性能。相反，聚集诱导发光材料（AIEgens）通过在分子结构中引入结构扭曲的分子转子基团，形成分子内旋转受限（RIR）来抑制能量耗散，可以很好地实现辐射跃迁、非辐射过程和系间窜跃（ISC）的有效平衡，是理想的高性能PDT诊疗材料之一。
值得注意的是，大多数基于AIEgens的纳米聚集体是通过纳米沉淀法制备的，其内部的分子堆积较为松散，导致了活跃的分子运动和能量耗散。因此，通过改善AIEgens的分子结构和分子间相互作用，实现纳米聚集体中分子堆积模式的有效调控，从而获得具有紧密堆积结构的纳米组装材料，对提高其荧光亮度和ROS的生成性能至关重要。此外，良好的肿瘤靶向和穿透性能也是提升PDT诊疗效果的关键之一。然而，目前报道的AIE纳米聚集体大多为球形结构，难以到达肿瘤的深层部位，严重限制了其治疗效果。研究表明，相较于传统的球形结构，具有棒状或梭状结构的纳米组装材料具有更大的长径比，在内吞过程中容易与细胞膜形成更多的接触位点，从而提升其细胞内吞效率，最终实现增强的肿瘤靶向和深层穿透特性。然而，通过简单的方法来开发兼具紧密有序的分子堆积结构、特定组装形貌的有机纳米聚集体仍然是目前光敏材料研究领域的一大挑战。特别是，由同分异构体制备但具有全然不同组装结构的有机纳米聚集体尚未见报道。
图1 梭形纳米组装材料的构筑及聚集态动力学研究
针对上述问题，西安交通大学化学学院党东锋教授团队开发了DTPA-2,5-BT-P和DTPA-5,2-BT-P两种D-A-D型同分异构光敏剂。研究结果表明，DTPA-2,5-BT-P具有更强的F-H等分子间相互作用力，然而，DTPA-5,2-BT-P具有强烈的N-S静电引力，表现出明显的分子内非共价构象互锁特性。这导致DTPA-2,5-BT-P可以自组装成为具有晶态有序堆积结构的梭形纳米组装体（NSs），而分子结构更为刚性的DTPA-5,2-BT-P只能形成非晶态的纳米球结构（NPs）。值得注意的是，相较于DTPA-5,2-BT-P NPs及商用光敏剂，DTPA-2,5-BT-P NSs具备更为优异的ROS生成性能、更快的细胞内吞速度、更好的肿瘤靶向和穿透能力。最终，在4T1荷瘤小鼠的实验模型中，DTPA-2,5-BT-P NSs表现出高效的实体瘤消融效果，肿瘤抑制率达81%。本研究表明，构筑具有紧密有序的分子堆积和理想形态的有机纳米组装体对实现纳米材料的高性能光动力治疗具有重要意义，也为开发高性能有机光敏材料提供新的思路。
图2 梭形纳米组装材料的组装机制研究
图3 梭形纳米组装材料的细胞内吞机制及肿瘤穿透特性研究
文章第一作者是西安交通大学化学学院博士生张珮娟，西安交通大学化学学院党东锋教授为论文通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、陕西省重点研发计划-国际科技合作项目和西安交通大学青年拔尖人才支持计划的资助，也受到了西安交通大学分析测试中心的支持。
相关论文信息
相关论文刊载于Cell Press细胞出版社
旗下期刊Matter上，
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▌论文标题：
Shuttle-like nanoassemblies by isomeric photosensitizers to enhance ROS generation and tumor penetration for photodynamic therapy
▌论文网址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2590238524004806
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.09.001
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