D-A型近红外Ⅱ区聚集诱导发光材料的制备及其在癌症诊疗中的应用

随着环境的污染，各种不良习惯的增多，癌症的发病率逐年升高，已成为本世纪危害人们生命的头号杀手。从《中国肿瘤防治进展》报告中可知，在中国平均每天大约有1万人确诊癌症、7500名癌症患者死亡，死亡率远高于世界水平。传统的癌症治疗方法有一定的局限性，例如切除手术存在易复发的风险，且对于晚期，癌细胞扩散后无法完全切除；化疗药物的副作用大，易产生耐药性；放疗不能特异性地杀死癌细胞。因此，开发一种新型的、具有微创性、灵敏性、可控性、低毒性和选择特异性等诸多优点的荧光探针体系，并拓展其在癌症成像和诊断领域的应用迫在眉睫。

已有的荧光染料主要包括荧光蛋白、无机量子点和传统的有机小分子染料，但是荧光蛋白有复杂的基因转染过程且易发生光漂白，无机量子点有很高的生物毒性，传统的有机小分子在聚集过程中会出现荧光猝灭现象，限制了它的作用。而一种新型的聚集诱导发光（AIE）材料可以在聚集状态下发光，能够很好地解决这种现象。但是AIE材料仍然存在一些亟待解决的问题，如大多数AIE材料的发光集中在紫外光区（UV,10-400nm）或可见光区（400-760nm），紫外光区能够破坏组织细胞，带来不良影响，可见光区与体内血红蛋白的吸收光谱相似，容易被组织细胞吸收，为了避免这类问题可以通过合成近红外区吸收和发射的AIE材料，而大多数的AIE材料对光的吸收都处于近红外Ⅰ区（NIR-Ⅰ，700-900nm），对组织穿透性差，限制了对肿瘤组织的诊断能力与治疗结果。相反，近红外Ⅱ区（NIR-Ⅱ,1000-1700nm）的光通过自身蛋白较少的光子散射、较高的透过率和较少的干扰，极大地提高了穿透深度，达到厘米级。同时，NIR-Ⅱ的AIE材料的荧光成像具有出色的分辨率、高信噪比和较低的毒性。

本项目拟通过将三苯胺及其衍生物与氰基茚酮单元结合成功地开发了新型近红外II区AIE材料，通过直接修饰或者两亲性聚合物包裹制备一系列近红外AIE纳米探针，该纳米探针既可以作为荧光成像的造影剂、光声成像造影剂，又可以作为光动力、光热治疗试剂。通过与化疗药物、耐药抑制剂等包裹构筑具有肿瘤微环境刺激响应性的纳米载药系统，研究该系统对抗肿瘤前提药的可控释放，探索近红外AIE材料的荧光成像、光声成像、光动力治疗效果及光热转换效果，从而构筑具有近红外II区AIE特性的化疗-光动力-光热联合治疗模式的诊疗一体化多功能纳米载药系统，可以有效推动肿瘤诊疗事业的发展，具有重大的科学意义及潜在应用价值。

本实验将基于氰基茚酮为骨架，利用增强共轭链长、分子内电荷转移等机制，实现近红外II区发光的AIE材料的制备。同时，本项目将通过降低单线态和三线态能级差等方法来提高其光动力学效率，筛选出既具有高发光效率也具有高光动力学活性的近红外II区AIE材料。通过磷脂-聚乙二醇等生物相容性好的两亲性聚合物，通过纳米沉淀法包裹AIE材料制备近红外II区AIE纳米粒子。通过在近红外II区AIE纳米粒子表面引入不同的官能团，如羧酸、生物素、叠氮和炔等，进一步修饰癌细胞识别配体（多肽、叶酸、抗体等），制备具有特异性识别能力的近红外II区AIE纳米探针。该纳米探针既可以作为荧光成像的造影剂、光声成像造影剂，又可以作为光动力、光热治疗试剂。

在2001年，唐本忠院士研究小组发现了一种噻咯衍生物在薄层层析板上不发光，但随着溶剂挥发，发光“无中生有”地大幅增强。同样，当这类分子溶解于良溶剂中处于单分子态时，在紫外光激发下几乎不发荧光，而在加入水等不良溶剂生成聚集体后，却发出强烈的荧光。据此，该课题组提出了聚集诱导发光（aggregation induced emission, AIE）这一光物理领域的新概念，克服了聚集荧光猝灭的瓶颈，实现了一场关于荧光探针的历史变革。

在过去十年中，第二个近红外窗口（NIR-II，900-1700 nm）中的荧光生物成像因其高分辨率、低组织自发荧光以及深层组织穿透而在生物医学领域具有广阔的前景。目前的国内外的许多研究表明：量子点、碳纳米管、稀土掺杂纳米颗粒和有机小分子等许多NIR-II荧光材料已经成功构建。其中，偶联小分子具有优异的生物相容性和较强的近红外（NIR）吸收能力，在体内医学诊断和光疗方面表现出非凡的优势。但是，它们在实际应用往往因荧光亮度不理想而受阻，普及受到限制。

香港科技大学唐本忠院士、深圳大学王东教授等提出利用扭曲的双受体构筑近红外二区AIEgens的设计策略，并系统阐明了该策略在提升多模态光学诊疗性能方面的内在因素。该工作表明扭曲受体-受体的设计可以作为构筑AIEgens的新方向。总的来说，通过利用扭曲的双受体策略，不仅分子的AIE效应和摩尔消光系数得到显著提升，还可以实现其荧光量子效率、活性氧生成和光热转换能力的同时增强（图1）。

图1 分子构筑策略及多模态光学诊疗应用

南开大学丁丹研究员提出了一种基于聚集诱导发光材料制备近红外长余晖纳米探针的新方法。由近红外AIE分子和化学发光前体分子与两亲性聚合物组装而成。在使用前，通过白光照射，探针中的AIE分子将产生单线态氧，其能够将化学发光前体分子氧化为具有1,2-二氧杂环丁烷结构的高能不稳定形式，从而开启余晖发光过程。借助近红外AIE分子，该纳米探针余晖发光波长从～540 nm红移至～625 nm，发光亮度相比不添加AIE分子提高了3.2倍，持续发光时间长达10天，极大地提高了肿瘤成像和成像引导术中肿瘤切除的效果（图2）。

图2 纳米探针的组成及发光原理示意图

中国科学院化学所白春礼院士等设计了一种基于富勒烯（C70）和乏氧激活的化学前药替雷帕嗪（TPZ）的乏氧敏感型纳米治疗系统（FTCD-SRGD），并将其用于实现对深部乏氧肿瘤的多模态治疗。研究发现，C70可通过消耗O2产生活性氧（ROS），从而加剧肿瘤微环境的乏氧特征，导致TPZ被激活以产生毒性自由基，进而能够实现C70介导的PDT和乏氧增强的化疗相结合的协同治疗，以有效消融深部肿瘤。该研究首次开发了基于富勒烯的乏氧敏感型PS以用于深部肿瘤的多模态治疗，其能够将乏氧增强的PDT和免疫治疗相结合，有望为克服目前肿瘤治疗面临的瓶颈性难题提供一种新的范式（图3）。

图3 乏氧敏感型纳米治疗系统的构建及诊疗示意图

1.本项目将诊断和治疗合二为一，减短了肿瘤诊断和治疗的周期，可防止错过最佳治疗机会；还能减轻因两次药物注射引起的患者不适，减小风险；

2.开发与扩展近红外Ⅱ区AIE材料，本项目以氰基茚酮为骨架通过给受体间较强的电荷转移态来实现发光波长红移，进而得到近红外Ⅱ区发光的AIE材料；

3.基于近红外Ⅱ区AIE材料的多种优良特性，实现癌症诊疗一体化（图4）。

图4 多模态成像引导PDT和PTT协同治疗中的应用

1.技术路线

图5 技术路线图

2.拟解决问题

（1）制备在近红外Ⅱ区吸收和发射的光稳定性优异、结构可调的AIE材料，解决传统AIE材料发光大部分集中在紫外－可见光区。

（2）解决传统近红外Ⅱ区材料成像深度不足、具有较大毒副作用、生物背景干扰和分辨率低、特异性差等问题。

3.预期结果

（1）理论方面：通过化学手段实现近红外II区AIE材料的制备，探索并总结材料体系的制备方法、发光波长、发光效率等基本规律；

（2）材料方面：制备一系列近红外II区AIE发光材料；

（3）在国内外发表SCI论文1篇；

（4）申请国家发明专利1项。

2024.05-2024.06：查阅国内外AIE材料的构建及其在癌症领域的应用相关文献资料，了解目前该领域的研究现状，准备开题答辩；

2024.06-2024.07：进行实验前期的准备，购买实验所需的耗材等；

2024.07-2024.10：实验阶段。完成计划所规定内容，通过实验合成具有AIE效应的有机小分子，并对合成的物质的性能进行检测；

2024.10-2024.11：整理实验数据，准备中期检查；

2024.11-2025.02：补充完善前期发现的不足，完善实验数据，同时进行论文撰写；

2025.02-2025.04：提交项目结果，上交有关论文材料，总结不足和进行结题答辩等。