癌症仍然是全球主要的健康威胁之一。尽管手术、放疗和化疗被广泛应用，但其空间精度有限、对健康组织损伤严重以及复发率高等问题依然构成巨大挑战。为突破这些局限，多模态光诊疗已成为一种很有前景的方法，它能够在非侵入性光激发下，同时实现实时成像和按需治疗，从而显著提升治疗的准确性和安全性。近红外二区（NIR-II，1000–1700 nm）凭借其更低的光子散射、受抑制的自发荧光、增强的组织穿透力和更高的空间分辨率，已成为生物医学成像与治疗研究的前沿领域。因此，NIR-II成像优异的穿透深度和清晰度能实现精准的肿瘤定位，进而可在精确的成像引导下进行光热治疗（PTT），高效消融深部肿瘤。
然而，大多数有机荧光团仍难以实现充分红移至NIR-II窗口的吸收或发射，导致在深组织光诊疗中穿透深度有限、信背比（SBRs）较低。此外，由H-聚集或聚集导致猝灭效应引发的强π-π堆积会增强非辐射跃迁过程，从而带来较高的光热转换效率（PCE）；而激发态物种间分子间相互作用所引起的激子耦合则导致显著的荧光猝灭，使成像性能局限于单一模态，削弱了诊断精度。因此，开发具有红移光学特性和更高量子产率（QY）的J-聚集体具有重要意义。在此背景下，方酸染料因其独特的平面共轭骨架和高度的分子设计灵活性而受到越来越多的关注。其固有的高摩尔消光系数和量子产率有利于NIR-II光子的高效吸收与利用。更重要的是，方酸染料高度平面的结构可促进稳定的π-π堆积，有利于J-聚集体的形成。由此产生的聚集诱导红移吸收/发射以及增强的荧光强度，使其在长波长NIR-II成像（超过1300 nm）中尤为有利——这对于更深层次的组织可视化和更高的信背比至关重要，因此被认为是迈向高性能NIR-II光诊疗的关键突破。总体而言，实现分子吸收和发射的红移可通过若干结构设计策略来完成。第一，扩展π共轭骨架，如引入额外的苯基、噻吩或其他芳香单元，可增强电子离域并缩小能隙。第二，在D–A–D框架内，引入更强的吸电子受体单元可强化推拉电子效应，显著增强分子内电荷转移（ICT）并进一步缩窄能隙。第三，提高分子的平面性和刚性有利于更有效的π轨道重叠，从而实现更长波长的吸收和发射。除了分子自身的设计之外，聚集态调控也提供了一条有效途径。例如，促使分子采取头对尾堆积方式形成J-聚集体，可诱导强烈的激子耦合，产生收窄的吸收带和显著的红移。
基于此，在作者先前J-聚集体分子工程研究的基础上，作者设计了一系列含有不同受体取代基的D–A–D结构方酸染料。随后，通过密度泛函理论（DFT）计算评估其前线分子轨道与带隙，作者确定含硫的罗丹宁单元是一种更强的电子受体（强δ-），可增强分子内电荷转移（ICT）效应，而联苯部分则作为有效供体以扩展π共轭。这一合理组合最终产生了SQ8，其光学跃迁呈现出显著的红移。得益于高度平面的分子骨架，SQ8在水相介质中自发形成J-聚集体，并与DSPE-PEG2000共组装成水分散性纳米颗粒（SQ8@NPs）。这些纳米颗粒展现出超长波长的NIR-II荧光，最大发射波长位于1281 nm，在后肢血管成像中实现了12.58的高信背比（SBR），同时兼具优异的光致发光量子产率（PLQY）和光热转换效率（PCE）。因此，SQ8@NPs成功实现了荧光/光声双模态成像引导的肿瘤光热消融（方案1），展现出作为新一代长波长NIR-II光诊疗剂的巨大潜力。
方案1. 分子结构及近红外二区荧光/光声多模态成像引导的恶性肿瘤光热治疗示意图。
图1 (a) 基于方酸(SQ)的不同供体和受体基团。(b) 理论计算显示SQ1–SQ8的HOMO/LUMO能级和能隙，以及(c) 模拟吸收光谱。(d) SQ6-8@NPs的浓度依赖性荧光成像。(e) SQ8的静电势图。
图2 (a) SQ8和DSPE-PEG2000的分子结构，以及纳米颗粒（SQ8@NPs）制备的示意图。(b) SQ8在不同溶剂中的归一化吸收光谱。(c) SQ8在不同水含量（fw）的四氢呋喃/水混合溶剂中的吸收光谱。(d) 不同fw下SQ8@NPs在四氢呋喃/水混合溶剂中的荧光强度。插图：NIR-II荧光成像。(e) SQ8@NPs在水中的归一化吸收和发射光谱。(f) 不同浓度的SQ8@NPs在1064 nm激光照射（0.8 W/cm²）6分钟下的温度变化曲线。(g) SQ8@NPs在激光开/关循环下的光热升温和降温曲线，以及降温阶段-lnθ与时间的线性拟合图。(h) 不同浓度SQ8@NPs激光照射后的红外热图像。(i) SQ8@NPs在辐照下连续六个激光开/关循环的温度循环曲线。(j) 不同浓度SQ8@NPs的NIR-II荧光成像和光声成像。(k) SQ8@NPs与近年来报道的其他J-聚集染料在最大吸收和发射波长上的比较。
图3 (a) 时间依赖性细胞摄取（80 µM）。(b) 经梯度浓度SQ8@NPs处理的4T1细胞在有或无1064 nm激光照射（0.8 W/cm²，6分钟）条件下的相对活力。(c) 在有或无SQ8@NPs（80 µM，6分钟）条件下，4T1细胞暴露于不同激光功率密度后的相对活力。(d) 四种不同处理条件下，经Calcein-AM（绿色）和PI（红色）共染色的4T1细胞荧光图像。(e) 不同处理条件下的细胞流式细胞术分析。统计学显著性采用单因素方差分析及Tukey事后检验确定（p < 0.05，p < 0.01，p < 0.001）。误差线表示平均值 ± 标准差（n = 3）。
图4 (a) 使用不同LP（长通）滤光片，SQ8@NPs在1%脂肪乳中不同深度的NIR-II荧光成像。(b) 1064 nm激发下，小鼠后肢血管在宏观模式下使用不同长通滤光片的NIR-II荧光成像；沿血管橙色线方向的横截面荧光强度分布曲线，数字为信背比。(c) 1064 nm激光激发下，宏观模式下使用不同LP滤光片的全身NIR-II荧光成像。(d) 图S22中沿血管橙色线方向的横截面荧光强度分布曲线，数字为信背比。(e) 注射SQ8@NPs后不同时间点肿瘤的NIR-II荧光成像和光声成像，虚线标示肿瘤区域。(f) 不同时间肿瘤NIR-II荧光和光声信号强度的定量分析。(g) 静脉注射SQ8@NPs后24小时，肿瘤和主要器官的离体照片及NIR-II荧光成像。(h) 相应信号定量。误差线，平均值 ± 标准差（n = 3）。
图5 (a) 红外热图像及(b) 注射SQ8@NPs或PBS 24小时后，小鼠在1064 nm激光照射（0.8 W/cm²，6分钟）下不同时间点的对应温度曲线。(c) 第12天小鼠照片及(d) 不同治疗后整个治疗期间的小鼠体重记录。0D-Bt / 0D-At指第0天治疗前/后，n.s.：无显著性差异。(e) 不同治疗组12天内的肿瘤生长曲线。(f) 不同治疗组小鼠在30天内的生存率（n=5）。P值采用单因素方差分析及Tukey检验计算，p < 0.05，p < 0.01，p < 0.001。(g) 离体肿瘤照片（n=5），以及不同治疗组肿瘤的(h) H&E染色和(i) 主要器官H&E染色。误差线，平均值 ± 标准差（n=5）。
本研究通过理论计算与分子工程相结合的策略，开发了一种窄带隙近红外二区方酸染料（SQ8）。系统的前线分子轨道和能隙DFT分析表明，引入罗丹宁取代的受体和联苯供体能有效增强分子内电荷转移（ICT）并显著缩窄带隙，为实现长波长电子跃迁提供了理论指导。在合成并纯化长链衍生物后，作者发现其关键创新在于能在水相介质中自发形成有序的J-聚集体，从而产生位于1281 nm的超长NIR-II发射峰。经DSPE-PEG2000包封后，所得的SQ8@NPs展现出优异的稳定性、出色的光致发光量子产率（PLQY，0.842%）和高光热转换效率（PCE，1064 nm照射下为43.3%）。这些性质使其能够实现高分辨率的NIR-II荧光/光声双模态成像以及有效、精准的光热肿瘤消融。这项工作不仅为创制长波长有机荧光团提供了一种可靠的分子设计和J-聚集策略，还为开发针对深部肿瘤的多功能成像引导光热治疗平台建立了有力范式。
文献链接：https://doi.org/10.1002/smll.73485
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