Advanced Materials:超高光热转化效率(88.3%)的光热试剂用于癌症光热治疗

 癌症是全世界高发病率和死亡率的疾病之一。目前临床上采用的主要治疗手段包括手术、化疗和放射治疗等治疗效率低下,缺乏对癌症组织的选择性或存在较大的毒副作用。因此, 具有高选择性和低副作用的新型肿瘤治疗手段—光热疗法(PTT), 正成为科学研究的热点。PTT是一种典型的光子触发治疗方式,它通过光热试剂 (PTA) 在可见或近红外(NIR)光激发下产生的局部高温杀死肿瘤细胞。 在现有的PTA中, 近红外吸收的有机材料被认为是最有应用前景,其具有较好的生物相容性,潜在的生物降解性和较高的重现性。 光热转换效率(PCE)是PTA的一个关键因素,它直接决定光热治疗过程中所需要的激发光强度。高强度的激发光很容易对皮肤和组织造成损伤。因此,提高光热试剂的光热转化效率,降低激光使用强度,使用安全光强度的激光用于光热治疗,是 PTT 研究领域的关键点和难点。

近日, 大连理工大学彭孝军院士课题组彭孝军教授、孙文副教授在提高光热试剂的光热转换效率的研究中取得新进展:在BODIPY染料的 meso位置引入-CF3,作为转动基团,制备了高效光热有机小分子tfm-BDP,并对它的特性进行了详细的阐述。作者将强吸电子基团-CF3,和强供电子基团N,N-二甲氨基引入BODIPY分子中,形成强的D-A结构, 显著提高分子的共轭体系,红移吸收波长,并提高吸光系数和光热性能。同时tfm-BDP 在NIR (808 nm) 激光照射下,导致-CF3无能垒旋转,这种无能垒旋转使tfm-BDP在激发态通过超高效非辐射跃迁途径到达到基态,最大限度地将光能转化为热能。有趣的是,由于扭曲的tfm-BDP分子骨架可以抑制平行梯状π−π堆积(H-聚集) 。因此,将tfm-BDP包封在聚合物纳米粒子中,无能垒旋转可以继续保持在聚集状态。tfm-BDP NPs具有高效光热转换88.3%,即使使用低强度激光照射(808 nm,0.3 W cm-2)也能显著提高治疗温度, tfm-BDP NPs的体外和体内实验都达到了优异的治疗效果。特别是在小鼠抑瘤实验,tfm-BDP NPs在肿瘤部位有效地累积,并且首次在安全NIR激光的强度照射下 (808nm, 0.3W cm-2 )导致肿瘤完全消融,因此,该光热试剂的开发能够克服传统光热试剂在活体实验中由于使用高强度激光引起的对健康皮肤和组织的光损伤,具有重要生物医学价值。

研究者相信,无能垒转动的设计策略为光热试剂的创新设计提供了一个新平台,为光热试剂的临床应用开辟了前景。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201907855 ) 上。