一种具有NIR-II光热高效转化的超分子萘二胺自由基阴离子用于大肠杆菌反应性光热治疗
近红外(Near-infrared, NIR)光由于光子吸收和散射的降低，可以有效地穿透皮肤、血液等生物组织，达到良好的成像和治疗效果。近红外光谱范围被称为生物组织光学窗口，通常包括两个主要区域，NIR-I (650-1000 nm)和NIR-II (1000-1700 nm)。与NIR-I光相比，NIR-II光具有更好的组织穿透性和辐射耐受性。因此，基于NIR-II光热转换的光热疗法正受到广泛关注，并已应用于癌症和细菌感染的治疗中。
基于此，清华大学张希院士/徐江飞副研究员报告了一种具有高效NIR-II光热转换的超分子萘二亚胺(NDI)自由基阴离子，用于大肠杆菌反应性光热疗法。超分子自由基阴离子(NDI- 2cb[7])·-是在大肠杆菌诱导下原位还原NDI- 2cb[7]中性复合物得到的，该复合物是由NDI衍生物与瓜属[7]uril (CB[7])的主-客体相互作用形成的，在水溶液中表现出出乎意外的强NDI-II吸收和显著的光热转换能力。NDI自由基阴离子在水溶液中自组装形成超分子二聚自由基引起NIR-II吸收，这得到了理论预测光谱的支持。(NDI-2CB[7])·-表现出良好的NIR-II光热抗菌活性(> 99%)。本研究为构建NIR-II光热剂和细菌感染的非接触治疗提供了一种新的方法。相关工作以“A Supram olecular Naphthalene Diim ide Radical Anion with Efficient NIR-II Phototherm al Conversion for E. coli-Responsive Phototherm al Therapy”发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》。
示意图1. 具有高效NIR-II光热转换的超分子NDI自由基阴离子用于大肠杆菌反应性光热疗法的示意图。
为了表征NDI-2CB[7]的结构，进行了1H NMR和等温滴定量热法(ITC)实验。将NDI和CB[7]以1:2的摩尔比在水中混合，制备了宿主-客体复合物NDI- 2cb[7]。如图1a所示，主-客体配合物形成后，归属于烷基链和n -甲基的峰变钝并向场前偏移，表明烷基链和n -甲基被封装在CB[7]的空腔内。相反，由于萘二亚胺部分的峰移向前场，这意味着它没有被CB[7]包裹。采用ITC定量表征结合化学计量和结合常数。如图1b所示，ITC曲线在摩尔比为2.0附近出现突变，表明NDI和CB[7]在溶液中形成了主-客体复合物，结合比为1:2。通过拟合ITC曲线，计算出各步骤的结合常数为1.29 × 105 M-1，这与烷基链与CB[7]的典型结合常数一致。因此，NDI和CB[7]可以形成1:2的高结合常数的主-客体复合物。
图1. 表征NDI-2CB[7]的结构
为了确定二步还原产物的结构，用连二亚硫酸钠(Na₂S₂O₄)化学还原NDI，并通过紫外- visnir吸收光谱同步监测还原过程。当Na₂S₂O₄溶液加入到脱氧的NDI溶液中，溶液的颜色从无色迅速转变为棕色。从UV-Vis-NIR吸收光谱(图2a)可以看出，随着Na₂S₂O₄的逐渐加入，NDI在363 nm和383 nm处的吸收峰明显下降，而在450 nm附近出现一个强吸收峰，这是NDI自由基阴离子的典型吸收峰。令人惊讶的是，NIR-II吸收波段也出现在1000 - 1400 nm之间。第一步还原产物进一步用电子顺磁共振(EPR)表征。
图2. 确定二步还原产物的结构
为了进一步揭示异常NIR-II吸收的机制，研究者通过量子理论计算探索了NIR-II区域吸收光谱的可能化学物种和相应的电子跃迁。在TDDFT SOAP/DZP水平[66,67]模拟的NDI、NDI·-、NDI 2-和[2NDI]·-的紫外-近红外光谱如图3b所示。在这些物种中，只有二聚体自由基[2NDI]·-显示出NIR-II吸收。如图3c所示，自然跃迁轨道分析[68]表明，主导跃迁的α-SOMO→αLUMO，是π→π*型，占了NIR-II吸收带(λ max= 1137 nm)。
图3. 揭示异常NIR-II吸收的机制
开关照射下的加热和冷却曲线如图4a和4b所示。0.20 mM的(NDI-2CB[7])·-水溶液在10 min内温度升高超过40℃，而在相同照射条件下，NDI-2CB[7]和磷酸盐缓冲液的温度变化很小。(NDI2CB[7])·-的光热转换效率η约为66.9%，这对于近红外光热治疗来说是足够高的效率。此外，研究者进行了多次循环的光诱导加热-冷却实验，以研究(NDI-2CB[7])·-的光热稳定性。如图4c所示，经过多次加热循环后，(NDI-2CB[7])·-溶液在辐照下仍然可以显著提高温度，没有明显的光漂白和光分解。此外，如图4d所示，吸收光谱并没有出现明显的衰减，表明(NDI-2CB[7])·-在辐照下经过加热-冷却循环后保持相对稳定。因此，(NDI2CB[7])·-具有优良的光热转换效率和良好的光热稳定性，是一种很有前景的近红外光热治疗剂。
图4. 开关照射下的加热和冷却曲线
众所周知，一些细菌具有显著的还原能力，因为原核生物呼吸涉及电子转移出细胞，以产生跨膜氧化还原电位。研究者想知道NDI-2CB[7]是否可以被细菌降低，从而实现细菌反应性的光热治疗。为了回答这个问题，我们使用了具有还原能力的兼性厌氧菌E. coli。如图5a所示，含NDI-2CB[7]的培养基在37 ℃低氧生长环境中与大肠杆菌孵育12小时后，培养基颜色由无色变为棕色，与(NDI2CB[7])·-溶液经化学还原后的颜色相似。
图5. 细菌反应性的光热治疗
由于其优良的NIR-II光热转换特性，研究者进一步评估了大肠杆菌响应的NIR-II光热疗法的抗菌活性。首先将大肠杆菌与NDI-2CB[7]共培养24 h以确保完全还原，然后进行NIR-II光热抑菌实验。如图6a所示，在1064 nm NIR-II辐照下，含有(NDI-2CB[7])·-和E. coli的培养基温度在15 min内从33.7 ℃显著升高到54.5℃，超过了蛋白质变性的临界温度。
图6. 大肠杆菌响应的NIR-II光热疗法的抗菌活性
【小结】
研究者构建了一种具有高效NIR-II光热转换的超分子NDI自由基阴离子，用于大肠杆菌响应性光热治疗。超分子自由基阴离子(NDI- 2cb[7])·-表现出较强的NDI-II吸收和显著的光热转换能力，这归因于NDI- 2cb阴离子在水溶液中的自组装。此外，NDI-2CB[7]可以被大肠杆菌原位还原生成(NDI-2CB[7])·-，从而实现活性优异(> 99%)和良好生物相容性的细菌响应性NDI-2CB[7]光热治疗。这一研究方向为构建无大π共轭结构的芳香族染料近红外光热试剂开辟了一条新的途径，为细菌感染的非接触治疗提供了一种简便的方法。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202308513
来源：BioMed科技
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