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Angew. Chem. :聚電解質組裝構建熒光診療納米探針:限域微環境內精準操控分子運動與相互作用2023-04-07
在納米診療體系中,如何在限域環境中調控分子運動和相互作用提升診療性能仍然存在極大挑戰。例如,以疏水作用力驅動的組裝方式是構筑納米顆粒最為廣泛的手段(如疏水性分子的自組裝、雙親性嵌段共聚物包裹)。然而,該種策略會使得納米顆粒產生“疏水的墻”和“致密的核”,從而難以在其內部精準地操縱分子運動和分子相互作用。近年來,將光熱治療(PTT)與磁共振成像(MRI)集成在納米診療體系中,對實現個性化診療具有重要意義。值得注意的是,這種納米顆粒的限域環境嚴重抑制了染料的激發態分子內運動,從而極大地限制了染料的PTT光熱性能;進而“疏水的墻”會阻造影試劑與水質子間的相互作用,從而極大降低MRI信號強度。因此,如何從分子組裝設計策略出發,構建兼具高性能PTT和MRI功能的納米診療體系具有重要的研究意義,亦面臨著重大的挑戰。

近日,華東理工大學郭志前教授課題組報道了一種基于AIE染料構建的聚電解質組裝體策略(AIEgen-Mediated Polyelectrolyte Assemblies,APN策略)。具體而言,在APN策略中以聚集誘導發光染料(AIEgen)配體(TCM-L2)、磁成像金屬離子(Gd3+)和聚陽離子-中性嵌段共聚物(P2MVP128-b-PEO474)為構筑單元,通過金屬配位作用和離子的相互作用,三組分在水溶液中可迅速組裝為尺寸均一的納米聚集體(TCM-Gd-PE)。該APN設計策略具有普適性,可用于構筑系列金屬離子、多種嵌段共聚物的聚電解質納米顆粒。與疏水作用力驅動的納米顆粒截然不同,基于APN策略的組裝體具有特殊的“柔軟”、充水的內部微環境,在限域環境中實現了精準操控分子內運動和MR弛豫率協同增強(圖1)。

 

 

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圖1. 基于APN策略調控限域環境中分子運動和分子間相互作用,實現了分子內運動和磁豫率協同增強

本論文系統研究了APN制備納米顆粒與疏水作用力驅動的納米顆粒之間的性能差異,重點關注其光譜性能、光熱轉化效率與MR弛豫率。研究結果表明APN納米顆粒表現出優異的光熱轉換效率。飛秒瞬態吸收光譜(fs-TA)和熒光壽命測試進一步表明,APN策略所構建的柔軟內環境能顯著促進染料的TICT(扭轉分子內電荷轉移)過程,從而大大提高分子內運動和光熱轉化效率(圖2)。

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圖2. APN策略納米顆粒與疏水作用力驅動納米顆粒的性能(熒光、光熱)

APN設計策略不僅提升了染料分子運動,而且也能操控其內部分子間的相互作用:由于APN納米顆粒具有優異的水滲透性,其充內環境有利于Gd3+離子和水質子的相互作用,從而提升了其作為造影劑的弛豫率。APN組裝策略通過三個方面協同提高MR弛豫率:延長分子旋轉相關時間;Gd3+限域作用;提高水合常數q值。

基于APN策略精準調控限域環境的分子運動與分子間相互作用,成功實現了多細胞腫瘤球的三維熒光壽命成像(3D-FLIM);進一步地,APN納米探針成功在小鼠體中實現高時空分辨的磁共振成像,用于引導腫瘤高效的光熱治療(圖3)。APN策略表現出巨大的應用前景,有望推廣至更多的成像、診斷與治療模式,并將在應用性能方面取得突破,例如NIR成像、光動力治療等等。

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圖3. APN納米探針MR弛豫率增強機制;MRI引導的高效光熱治療;多細胞腫瘤球三維熒光壽命(3D-FLIM)成像

文信息

Fluorescent Probes Based on AIEgen-Mediated Polyelectrolyte Assemblies for Manipulating Intramolecular Motion and Magnetic Relaxivity

Yongkang Yao,?Dr. Peng Ding,?Dr. Chenxu Yan,?Yining Tao,?Bo Peng,?Prof.?Dr. Weimin Liu,?Prof.?Dr. Junyou Wang,?Prof.?Dr. Martien A. Cohen Stuart,?Prof.?Dr. Zhiqian Guo

該研究工作主要由華東理工大學化學與分子工程學院博士生姚永康在燕宸旭特聘副研究員和郭志前教授的指導下完成,并得到華東理工大學王俊有教授、Martien A. Cohen Stuart教授、丁鵬博士、上海科技大學劉偉民教授的大力支持。該研究工作得到了材料生物學與動態化學教育部前沿科學中心、費林加諾貝爾獎科學家聯合研究中心、國家杰出青年基金、上海市“科技創新行動計劃”啟明星項目等支持。

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202218983

 

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