近红外二区荧光成像（NIR-II FI）是一种新兴的光学成像技术，在分子成像领域引起了极大的研究兴趣。由于具有NIR-II发射的内源性光学试剂的稀缺性，因此非常需要引入外源性造影剂来增强NIR-II FI的信号。目前，一些小的有机染料和无机纳米材料，如稀土纳米粒子、量子点和碳纳米管已被广泛开发作为NIR-II FI的显像剂。然而，无机纳米材料通常会遇到潜在的生物安全风险，而传统的小型有机染料的光稳定性差。因此非常需要开发具有可靠生物相容性、高光稳定性和有效归巢能力的理想造影剂。有机半导体纳米材料（OSNs）是一种新兴的光学纳米剂，它由有机半导体聚合物（OSPs）或低聚物（OSOs）通过纳米工程方法（如纳米沉淀、再沉淀和自组装）构建而成。由于优异的光学特性、良好的生物相容性和结构通用性，OSNs在荧光领域大显身手。然而，目前开发的放大NIR-II亮度的方法仍局限于分子设计探索的表面水平，无法实现具有优异性能的OSN的合理设计。因此，揭示对分子结构和激发态动力学的机理见解将显着促进高性能光疗剂的合理开发。然而，相关研究却很少。此外，阐明激发态动力学对NIR-II发光OSPs荧光亮度的影响机制具有十分重要的意义，这有利于建立可靠的分子指导方针以提高OSPs的NIR-II性能，从而加速发展NIR-II FI在生物医学科学中的应用。
鉴于此，南京邮电大学范曲立教授、孙鹏飞博士和西北工业大学胡文博教授设计了自发光有机半导体聚合物（OSP），用于改进癌症的NIR-II光疗。NIR-II亮度的放大是通过将弱电子供体单元（5,5'-二溴-4,4'-双十二烷基-2,2'-联噻吩，DDB）结合到具有强电子供体的半导体骨架中来实现的-受体交替结构。与相同光学浓度和质量浓度下的对应OSP相比，荧光增强分别为6.3倍和25倍。宽带飞秒瞬态吸收光谱实验阐明了DDB掺杂诱导的振动弛豫抑制是NIR-II荧光放大的根本原因。由最佳OSP12制成的生物相容性纳米颗粒在体外和体内均表现出优异的 NIR-II光疗性能。这项研究不仅从本质的角度揭示了所设计的OSP荧光增强的机制见解，而且还强调了一种有效的分子方法来指导具有增强的NIR-II亮度的成像剂的合理设计，以改善活体受试者的光疗。相关工作以“Remarkable Suppression of Vibrational Relaxation in Organic Semiconducting Polymers by Introducing a Weak Electron Donor for Improved NIR-II Phototheranostics”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。
OSPs的合成与光学特性
OSP和OSP10是通过使用强给电子单元（（4,8-双（4-（2-乙基戊基）噻吩-2-基）苯并[1,2-b：4,5-b']二噻吩-2,6-二基）双（三甲基锡烷），BDT）和强吸电子单元（4,9-双（5-溴噻吩-2-基）6,7-双（4-（己氧基））)苯基)-[1,2,5]噻二唑并[3,4-g]喹喔啉，TQ)耦合而成。这种“强-强”耦合有利于缩小获得的OSP10红移吸收光谱的带隙。通过加入另一个电子供体（5,5'-dibromo-4,4'-didodecyl-2,2' -bithiophene, DDB）进入具有不同掺杂比的半导体主链，合成了具有梯度NIR-II 亮度的自发光OSP（OSP21、OSP11和OSP12）（图1）。此外，在四氢呋喃溶液中研究了具有不同DDB掺杂比的OSPs的光物理性质。在OSP21的低DDB掺杂比(x:y = 2:1)下，其吸收最大值相对于OSP10的吸收最大值显着蓝移≈200 nm（图2）。所有OSP都表现出明显的NIR-II发射带，发射最大值位于≈1044 nm。这种延长的发射波长赋予OSP在体内NIR-II FI的高潜力。值得注意的是，当OSPs在808 nm处的吸收强度设置为相同水平时，它们的荧光强度随着DDB掺杂量的增加而逐渐增强。与OSP10相比，OSP12的最大发射峰强度提高了6.3倍。对于具有相同质量浓度的OSP，检测到类似的荧光放大，甚至在0.025 mg mL-1的相同质量浓度下，OSP12的荧光增强程度比OSP10高25倍。
图1 OSPs的合成以及不同DDB掺杂比例的OSPs示意图
图2 OSPs的光学特性
NIR-II体外光热疗法
作者使用HepG2癌细胞研究了体外NIR-II FI。与OSPN12 (0.1 mg mL-1) 孵育后，HepG2细胞在808 nm激光照射下表现出强烈的NIR-II荧光，与未处理细胞相比增强了5.45倍（图3）。该结果表明OSPN12有效的细胞内化，使其有望用于有效的光疗。然后通过检查用OSPN12和NIR-II光处理的HepG2细胞的活力来评估OSPN12的PTT性能。在NIR-II光激发下，随着OSPN12浓度的增加，细胞活力逐渐降低，在0.2 mg mL-1的浓度下，细胞杀伤率高达87%。此外，进一步对HepG2细胞进行钙黄绿素乙酰氧基甲酯/碘化丙啶染色，以直观地评估OSPN12的体外PTT性能。结果证实了在NIR-II光的帮助下OSPN12的高细胞杀伤效率。流式细胞术分析还表明，用OSPN12 + NIR-II处理的HepG2细胞发生严重凋亡，而其他组（PBS、PBS + NIRII和OSPN12）中的细胞几乎保持完全存活。所有这些结果都证明了OSPN12用于癌细胞NIR-II光疗的可行性。
图3 NIR-II体外光热疗法
NIR-II体内光热疗法
为了探索OSPN12在体内NIR-II光疗的可行性，作者首先研究了OSPN12辅助的血管和淋巴管NIR-II FI（图6）。结果证实了NIR-II FI对深层组织成像的优越性能，这是由于NIR-II光由于抑制光子散射而具有很强的组织穿透能力。此外，探索了OSPN12辅助淋巴成像。这些数据表明OSPN12对体内血管系统的NIR-II FI具有出色的性能。随后在异种移植HepG2肿瘤模型中研究了OSPN12辅助的肿瘤成像。结果证实了OSPN12通过血液循环成功积累到肿瘤部位。数据显示肿瘤具有比肝脏和脾脏以外的其他器官强得多的荧光亮度。这种理想的生物分布使OSPN12有效地用于后续针对肿瘤的光疗。在成像引导下，在注射OSPN12后（注射后24小时）的最佳时间点进行NIR-II光触发PTT（图7）。在连续激光照射（1064 nm，0.5 W cm-2）后，OSPN12治疗小鼠的肿瘤温度显着升高，并迅速达到54.2℃，足以杀死肿瘤组织。“OSPN12 + NIR-II”组肿瘤组织的H&E染色显示严重的细胞坏死，表明OSPN12辅助NIR-II PTT的高效性。
图4 OSPN12辅助的血管和淋巴管NIR-II FI
图5 体内NIR-II光热疗法
小结：作者开发了一种自发光的OSP并将其转化为水分散性纳米粒子，以改进癌症的NIR-II光疗。OSP的简单合成方法允许通过三元共聚方法将额外的电子供体DDB灵活地结合到OSP10的半导体主链中，从而产生含有DDB的一系列OSP。对于最佳OSP(OSP12)，在相同的光学浓度和质量浓度下，NIR-II荧光强度与未掺杂DDB的OSP (OSP10) 相比分别提高了6.3倍和25倍。通过宽带fs-TA光谱研究激发态动力学，阐明了荧光放大的潜在机制，表明DDB的掺杂有效抑制了OSP的振动弛豫，从而导致NIR-II的改进荧光。这项研究不仅为NIR-II光热疗法带来了一种高效的OSP，并从本质的角度揭示了荧光增强的潜在机制，而且还突出了一种替代的分子设计方法来优化OSP的NIR-II荧光性能。
全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106575
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