Chem. Sci.：操控热活化延迟荧光分子的激发态能量动力学平衡双光子纳米诊断与治疗

肿瘤诊断与治疗是当今临床医学和学术研究的核心热点，同时也面临巨大的挑战。如何整合诊疗一体化以及平衡“诊”与“疗”的内在关系是当前分子医学和材料科学领域潜在的科学问题。光动力治疗（PDT）作为一种副作用小，疗效显著的新型肿瘤治疗方法得到了广泛的认可。通常情况下，光敏剂分子在被外光源激发后，产生的单线态（S₁）激子必须充分转移到三线态（T₁）并与三线态的氧气作用产生单线态氧（¹O₂）杀死肿瘤细胞。而荧光成像技术需要光激发后产生的S₁激子能尽量多的以荧光形式回到基态（S₀）。显而易见，这两种光学性质存在一定程度的内在竞争关系。因此，如何通过分子设计实现单个光敏剂分子的氧气敏化能力与荧光强度的有效操控仍是个悬而未决的难题。

最近，香港城市大学化学系李振声（Chun-Sing LEE）教授（点击查看介绍）、李盛亮博士（点击查看介绍）与苏州大学功能纳米与软物质研究院的张晓宏教授（点击查看介绍）合作，提出了一种基于热活化延迟荧光（TADF）分子的新型双光子激发光敏剂的设计思路。通过调控分子结构的给体（D）片段，调节分子最高占据轨道（HOMO）和最低未占据轨道（LUMO）的重叠度，从而改变单线态-三线态的能级差（ΔE_ST）和振子强度（f ）。通过降低分子的ΔE_ST，激子易于经过系间窜跃（ISC）过程从S₁态窜跃到T₁态，有利于产生¹O₂，而增加f 值则有利于增强荧光发射强度。

该工作首先选用噻蒽 5,5,10,10-四氧化物作为共同的受体（A）片段，通过连接不同的给体（D）片段设计了两个TADF分子——PT和AT。相比于AT分子的吖啶基团，PT分子中的吩噁嗪基团有更强的给电子能力，可以降低分子HOMO和LUMO的重叠度，从而获得更小的ΔE_ST，有利于通过ISC过程产生¹O₂（2.7倍）。相反，AT分子的HOMO和LUMO轨道电子云有更大的重叠度，可以增加f 值，增大S₁激子衰减到S₀的几率，有利于荧光发射（6.3倍）。由于AT和PT分子的吸收峰位置位于可见光区，为了使激发光源具有更好的组织穿透深度，研究者使用双光子光源作为激发光源。相较于可见光，双光子的激发光源波长一般位于近红外区，可以显著的提高光线的组织穿透深度，有利于肿瘤深部的诊断与治疗。

图1. TADF诊疗一体化分子的激子动力学过程

图2. AT和PT分子的化学结构式，构型式，HOMO和LUMO的空间分布，ΔE_ST和f 的值。

图3. a）TADF NPs的制备过程；b）AT NPs和PT NPs与HeLa细胞共孵育后的荧光图片，分别用单光子和双光子光源激发；c）b中单光子光源激发后的荧光强度数值；d）b中双光子光源激发后的荧光强度数值。

图4. 双光子光源不同的扫描次数后TADF NPs在细胞中产生的单线态氧，绿色荧光探针DCFH-DA作为细胞内检测单线态氧的探针。

图5. 双光子光源激发下的TADF NPs对肿瘤细胞的杀伤作用。

小结

该工作首次提出了通过改变TADF分子的单线态-三线态的能级差实现调控激子动力学引发的双光子诊疗转变设计思路，在分子水平上实现了调控光敏剂的氧气敏化能力和荧光成像强度，为今后的有机光敏剂在肿瘤诊疗一体化领域的发展提供了可参考的新思路。

相关工作发表在Chemical Science上，文章的第一作者是香港城市大学博士研究生肖雅方和苏州大学陈嘉雄博士。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Manipulating exciton dynamics of thermally activated delayed fluorescence materials for tuning two-photon nanotheranostics

Ya-Fang Xiao, Jia-Xiong Chen, Shengliang Li, Wen-Wen Tao, Shuang Tian, Kai Wang, Xiao Cui, Zhongming Huang, Xiao-Hong Zhang, Chun-Sing Lee

Chem. Sci., 2020, DOI: 10.1039/C9SC05817F

导师介绍

李振声

https://www.x-mol.com/university/faculty/49758

李盛亮

https://www.x-mol.com/university/faculty/78623

张晓宏

https://www.x-mol.com/university/faculty/18404