聚集誘導(dǎo)發(fā)光材料在光學(xué)診療中的研究進(jìn)展

張志軍， 康苗苗， 王媛瑋， 宋光杰， 溫海飛， 王 東*， 唐本忠

(1． 深圳大學(xué) 材料學(xué)院， AIE研究中心， 廣東 深圳 518060；2． 香港科技大學(xué) 化學(xué)系， 國(guó)家人體組織功能重建工程技術(shù)研究中心香港分中心， 中國(guó) 香港 999077)

1 引 言

診療一體化是將疾病診斷和治療手段有機(jī)同步地結(jié)合起來、在診斷的同時(shí)實(shí)現(xiàn)疾病治療的一種新方法[1]。診療一體化的實(shí)施將藥物靶向遞送、示蹤、疾病治療和療效反饋等多種功能有效地整合為一體，實(shí)現(xiàn)了多模態(tài)影像診斷以及影像指導(dǎo)的聯(lián)合治療，從而極大地提高了疾病治療的精準(zhǔn)性和有效性[2-3]。隨著光學(xué)技術(shù)和納米技術(shù)的迅速發(fā)展，光學(xué)診療(Phototheranostics)逐漸發(fā)展成為診療一體化領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支[4]。與傳統(tǒng)的診療方法相比，光學(xué)診療是一種利用光(特別是近紅外光)激活的激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)化效應(yīng)實(shí)現(xiàn)疾病診斷和實(shí)時(shí)原位治療的新型診療模式，它具備時(shí)空選擇性高、毒副作用低、創(chuàng)傷小、療效好和可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)際納米生物醫(yī)藥領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，也是向醫(yī)療精準(zhǔn)化和個(gè)體化方向發(fā)展的有效途徑[5-6]。

迄今為止，多種有機(jī)和無機(jī)材料包括金納米棒、納米碳管、量子點(diǎn)、磁性納米粒子、氧化石墨烯、有機(jī)聚合物和小分子等已被開發(fā)用于光學(xué)診療的研究[7]。其中，有機(jī)小分子材料具有確定且易于修飾的化學(xué)結(jié)構(gòu)、良好的重現(xiàn)性和優(yōu)異的生物相容性,有望發(fā)展成為一類極具臨床轉(zhuǎn)化前景的光診療劑[8]。此外，在用于構(gòu)建光學(xué)診療體系的多種成像手段中，熒光成像(Fluorescence imaging，F(xiàn)LI)具有靈敏度高、操作簡(jiǎn)便且能對(duì)細(xì)胞和活體進(jìn)行無損實(shí)時(shí)跟蹤等諸多優(yōu)勢(shì)，已成為疾病研究、醫(yī)療實(shí)踐和臨床實(shí)驗(yàn)中一個(gè)不可或缺的工具[9-10]。然而,傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料在稀溶液中強(qiáng)烈發(fā)光，而在高濃度或聚集態(tài)下易發(fā)生嚴(yán)重的分子間π-π堆積導(dǎo)致熒光減弱甚至完全消失，這一現(xiàn)象即為“聚集導(dǎo)致熒光猝滅(Aggregation-caused quenching，ACQ)”[11]。ACQ效應(yīng)極大地限制了染料分子在生物診斷中的使用濃度，從而顯著降低了檢測(cè)體系的靈敏度以及成像的光穩(wěn)定性。事實(shí)上，即便在生物成像中使用較低濃度的熒光染料也仍然難以消除ACQ效應(yīng)，因?yàn)槿玖戏肿拥拇螃泄曹椊Y(jié)構(gòu)賦予了其極強(qiáng)的疏水性，從而使得其在機(jī)體內(nèi)水環(huán)境下易于聚集。此外，傳統(tǒng)熒光染料的斯托克斯位移較小(一般<50 nm)，激發(fā)和發(fā)射光譜之間存在嚴(yán)重串?dāng)_，導(dǎo)致成像信噪比低，進(jìn)一步限制了其在生物成像中的應(yīng)用。特別地，類似于大多數(shù)傳統(tǒng)熒光分子遭受的ACQ問題，目前臨床應(yīng)用的有機(jī)小分子光敏劑(如卟啉類)在使用過程中隨著濃度增加或包裹于納米載體時(shí)，其光化學(xué)效率或光敏性能也會(huì)急劇下降，這歸因于聚集態(tài)下分子間形成的強(qiáng)π-π作用促進(jìn)了激發(fā)態(tài)能量通過其他非輻射途徑耗散[12]。以上特點(diǎn)是傳統(tǒng)平面型有機(jī)熒光染料和光敏劑分子的固有性質(zhì)，難以改善。

2001年，唐本忠院士課題組基于觀察到的1-甲基-1,2,3,4,5-五苯基噻咯(HPS)在乙腈中不發(fā)光、但在含大量不良溶劑(水)的乙腈溶液中發(fā)出很強(qiáng)綠色熒光的現(xiàn)象，首次提出了“聚集誘導(dǎo)發(fā)光(Aggregation-induced emission，AIE)”概念，并開發(fā)了一系列具有AIE性質(zhì)的有機(jī)熒光小分子[13-14]。與傳統(tǒng)有機(jī)熒光染料不同，這類特殊的化合物具有獨(dú)特的螺旋槳式分子構(gòu)型，分子內(nèi)存在大量的轉(zhuǎn)子和/或振子，在溶液中由于活躍的分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)，激發(fā)態(tài)能量以熱耗散的形式散失，分子不發(fā)光或只發(fā)射微弱的熒光；而在聚集狀態(tài)下由于分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)受限(Restriction of intramolecular motion，RIM)，非輻射躍遷被抑制實(shí)現(xiàn)熒光顯著增強(qiáng)[15]。AIE分子這種“越聚集越亮”的性質(zhì)有效克服了傳統(tǒng)熒光分子ACQ效應(yīng)的局限，在使用過程中無需控制濃度，也不必?fù)?dān)心將其負(fù)載入納米載體后發(fā)生聚集熒光猝滅現(xiàn)象，反而在該狀態(tài)下可以發(fā)出更強(qiáng)的熒光，大大提高了熒光探針的檢測(cè)靈敏度和成像光穩(wěn)定性，拓展了有機(jī)小分子熒光材料的應(yīng)用范圍[16-17]。除此之外，AIE分子還具有發(fā)光波長(zhǎng)易于調(diào)節(jié)、斯托克斯位移大、發(fā)光效率高且能夠?qū)ρ芯磕繕?biāo)實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)亮”檢測(cè)等特點(diǎn)，在疾病診斷方面具有極大的優(yōu)勢(shì)[18-20]。同時(shí)通過發(fā)揮其結(jié)構(gòu)可調(diào)、功能基團(tuán)可修飾的優(yōu)點(diǎn)，AIE材料在聚集狀態(tài)下除了具有高效的發(fā)光效率之外，還被證明具有卓越的活性氧(Reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生能力，在光動(dòng)力治療(Photodynamic therapy，PDT)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[21]。根據(jù)Jablonski能級(jí)圖[22](圖1)，其優(yōu)異活性氧產(chǎn)生能力主要可以從以下兩點(diǎn)來闡述：一、在聚集狀態(tài)下，AIE材料通過熱耗散衰變能量的非輻射渠道被禁阻，使得激發(fā)態(tài)能量只能通過輻射衰變和系間竄越(Intersystem crossing，ISC)途徑來消耗。前者能夠促進(jìn)發(fā)光效率的極大提升，后者有利于活性氧的產(chǎn)生。二、根據(jù)“聚集導(dǎo)致系間竄越(Aggregation-induced intersystem crossing，AI-ISC)”理論[23]，相比單分子狀態(tài)而言，聚集狀態(tài)下分子的單線態(tài)(S1)和三線態(tài)間(T1)的能量匹配更好，單線態(tài)到三線態(tài)的能極差(ΔES-T)更小，有利于激子能量由單線態(tài)向三線態(tài)轉(zhuǎn)移，促進(jìn)系間竄越速率，進(jìn)而提升活性氧的產(chǎn)生效率。

圖1 Jablonski能級(jí)圖以及不同光物理過程在高效光診療劑開發(fā)中發(fā)揮的指導(dǎo)作用[22]

除了利用分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)受限理論用以開發(fā)高效的AIE光敏劑之外，最近有研究表明，通過主動(dòng)促進(jìn)AIE分子在納米聚集體中的運(yùn)動(dòng)，AIE材料還能夠被開發(fā)成為具有優(yōu)良光熱轉(zhuǎn)換效率的光熱轉(zhuǎn)換劑，實(shí)現(xiàn)高效的光熱治療(Photothermal therapy，PTT)[24-25]。在特定波長(zhǎng)的激發(fā)光照射下，AIE分子吸收光能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，使附近的組織發(fā)生熱彈性膨脹，由此形成的寬帶超聲波發(fā)射還可用于光聲成像(Photoacoustic imaging，PAI)，便于實(shí)現(xiàn)光聲成像指導(dǎo)的光熱治療[26]。另外，AIE分子產(chǎn)生的熱量還可被熱成像系統(tǒng)捕獲用于光熱成像(Photothermal imaging,PTI)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光熱治療過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[27]。AIE分子結(jié)構(gòu)中含有大量能夠運(yùn)動(dòng)的基團(tuán)，使其擁有內(nèi)在的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為平衡能量耗散的絕佳模板。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使AIE分子在聚集狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)僅受到部分限制，進(jìn)而調(diào)控輻射衰變和非輻射衰變之間的平衡以最大化地利用激發(fā)態(tài)能量，還可將AIE分子開發(fā)成為多功能光診療劑，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)成像指導(dǎo)的協(xié)同治療。AIE材料在光學(xué)診療領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)異的“聚集增強(qiáng)診療(Aggregation-enhanced theranostics, AET)”特征[28]，具有傳統(tǒng)材料很難擁有的單分子多功能性，可以用來簡(jiǎn)化材料設(shè)計(jì)，提高制備的可重復(fù)性[29]。

基于此，本文綜述了AIE材料在光學(xué)診療中的最新研究進(jìn)展，從熒光成像指導(dǎo)的光動(dòng)力治療、光聲成像指導(dǎo)的光熱治療和多模態(tài)成像指導(dǎo)的協(xié)同治療三個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)概括和總結(jié)，并對(duì)其未來的發(fā)展方向與前景進(jìn)行了展望。

2 熒光成像指導(dǎo)的光動(dòng)力治療

光動(dòng)力治療是利用光和光敏劑共同作用以實(shí)現(xiàn)疾病治療的一種新方法[30]。通過使用特定波長(zhǎng)的光照射病變部位，使聚集在病灶部位的光敏劑活化，生成具有細(xì)胞毒性的活性氧，從而氧化破壞組織、細(xì)胞或微生物中的各種生物大分子，產(chǎn)生毒性作用或引起機(jī)體的其他生物反應(yīng)，使病變細(xì)胞或微生物發(fā)生不可逆的損傷，最終導(dǎo)致其死亡，達(dá)到疾病治療的目的[31-33]。相比于傳統(tǒng)的治療手段，光動(dòng)力治療具有非侵入性、可控性、高時(shí)空精度和低毒副作用等優(yōu)勢(shì)，在多種疾病的治療方面表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景[34-35]。

作為光動(dòng)力治療的核心，光敏劑在光動(dòng)力治療中的作用至關(guān)重要，其性能的好壞直接影響光動(dòng)力治療的效果。具有AIE性質(zhì)的光敏劑分子除了具有生物相容性好、光學(xué)性質(zhì)優(yōu)異、光穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，還表現(xiàn)出優(yōu)良的光敏性能[16,28,36-37]。近年來，研究者通過不同的策略設(shè)計(jì)出了結(jié)構(gòu)各異的基于AIE分子的光診療體系用于熒光成像指導(dǎo)的光動(dòng)力治療[21,38]。

2.1 D-A策略

一般而言，當(dāng)光敏劑分子吸收光子能量后，會(huì)由基態(tài)(S0)躍遷到激發(fā)單線態(tài)，處于激發(fā)單線態(tài)的分子，可以通過非輻射躍遷釋放熱量或輻射躍遷發(fā)射熒光兩條途徑返回基態(tài)。當(dāng)ΔES-T足夠小時(shí)，激發(fā)單線態(tài)的光敏劑分子可以快速通過ISC途徑躍遷至較長(zhǎng)壽命的激發(fā)三線態(tài)。隨后，處于三線態(tài)的光敏劑與底物或者周圍氧分子之間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移或能量轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生Ⅰ型活性氧(自由基類)或Ⅱ型活性氧(單線態(tài)氧，1O2)，進(jìn)而發(fā)揮光動(dòng)力治療作用[39-42]。因此，提高系間竄越效率、增加三線態(tài)產(chǎn)率是設(shè)計(jì)高效光敏劑的常用策略[21,43]。依據(jù)系間竄越速率公式[44]，降低ΔES-T可以顯著提高系間竄越速率。將AIE分子設(shè)計(jì)成具有典型電子給體(D)-電子受體(A)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)最高占據(jù)分子軌道(HOMO)和最低未占分子軌道(LUMO)之間的有效分離是降低ΔES-T、增加系間竄越速率的一個(gè)簡(jiǎn)便有效的策略[21,44]。

圖2 (a)具有高活性氧產(chǎn)率的近紅外AIE光敏劑TPETCAQ的分子結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)示意圖；(b)TPEDC1、TPEDC2和TPETCAQ的HOMO-LUMO能級(jí)的分子軌道振幅圖和ΔES-T[46]；(c)含有不同數(shù)目電子給體和電子受體的TBT、BTB、TBTBT和BTBTB的分子結(jié)構(gòu)；(d)TBT、BTB、TBTBT和BTBTB的熒光量子產(chǎn)率和光敏效率[47]。

Liu等于2014年報(bào)道了第一例D-A構(gòu)型的AIE光敏劑用于熒光成像指導(dǎo)的光動(dòng)力治療[45]。此外，強(qiáng)D-A構(gòu)型的引入，還有利于AIE光敏劑吸收和發(fā)射波長(zhǎng)的紅移，便于生物體內(nèi)的診療應(yīng)用。例如，Liu課題組報(bào)道了一個(gè)具有近紅外發(fā)射的光敏劑分子TPETCAQ用于近紅外熒光成像指導(dǎo)的光動(dòng)力治療[46]。如圖2(a)所示，他們通過在AIE分子TPEDC1的電子給體和受體之間引入苯環(huán)得到AIE分子TPEDC2，苯環(huán)的引入使得TPEDC2分子的共軛延長(zhǎng)，HOMO和LUMO進(jìn)一步分離，其中LUMO主要分布于雙氰基乙烯基(DC)受體上，導(dǎo)致ΔES-T從0.350 eV下降到0.230 eV，提高了其單線態(tài)氧產(chǎn)率；隨后，在TPEDC2分子的受體部分進(jìn)一步引入DC基團(tuán)得到目標(biāo)分子TPETCAQ。由于TCAQ部分特殊的芳香結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的吸電子效應(yīng)，TPETCAQ分子的LUMO主要限域在TCAQ部分，HOMO和LUMO出現(xiàn)明顯分離，導(dǎo)致ΔES-T進(jìn)一步降低為0.067 eV，使得單線態(tài)氧產(chǎn)率進(jìn)一步提高(圖2(b))。此外，強(qiáng)的D-A效應(yīng)促使TPETCAQ的發(fā)射波長(zhǎng)紅移至近紅外光區(qū)(發(fā)射峰約為820 nm)，為該分子用于近紅外熒光成像指導(dǎo)的光動(dòng)力治療提供了保障。最近的研究表明，在AIE骨架上引入多個(gè)電子給體或電子受體能夠進(jìn)一步提高其光敏性能，而且引入更多的電子受體比引入更多的電子給體更加有利于ΔES-T的降低[47]。如圖2(c)所示，Tang等設(shè)計(jì)了4個(gè)含有不同數(shù)量電子給體和電子受體的AIE分子TBT、BTB、TBTBT和BTBTB。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含有更多電子受體的BTB和BTBTB分子具有更強(qiáng)的光敏效率(Φo為8.7%和10.8%)，明顯高于含有更多電子給體的TBT和TBTBT(Φo為5.6%和7.0%)(圖2(d))。

依據(jù)D-A策略，目前已有一系列不同激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)(涵蓋紫外可見到近紅外區(qū)域)的D-A構(gòu)型AIE光敏劑被相繼開發(fā)并用于熒光成像指導(dǎo)的光動(dòng)力治療[16,21,28,36-37]。如Tang等通過引入正電性的基團(tuán)作為電子受體設(shè)計(jì)合成D-A構(gòu)型的AIE分子TPE-IQ-2O，在癌細(xì)胞負(fù)電性的線粒體膜和正電性TPE-IQ-2O之間靜電相互作用的驅(qū)動(dòng)下，成功實(shí)現(xiàn)癌細(xì)胞線粒體靶向成像和癌細(xì)胞選擇性光動(dòng)力殺傷[48]。此外，該課題組還報(bào)道了一類自報(bào)告型AIE光診療劑TPE-4EP+，在光動(dòng)力誘導(dǎo)癌細(xì)胞死亡后，TPE-4EP+可以從線粒體轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核，指示治療終點(diǎn)，有助于提高治療的精準(zhǔn)性，避免過度治療[49]。隨后，該課題組又報(bào)道了一系列可用于線粒體靶向的雙光子成像引導(dǎo)的光動(dòng)力治療的AIE診療劑[36,50]。此外，研究者們還設(shè)計(jì)出了靶向細(xì)胞膜、脂滴、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞器的AIE光診療劑，通過在光照條件下產(chǎn)生ROS誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡或壞死，實(shí)現(xiàn)癌細(xì)胞的高效光動(dòng)力殺傷[36-37,51-52]。最近，Tang等還開發(fā)了一系列D-A構(gòu)型的I型AIE光敏劑，用于I型活性氧介導(dǎo)的腫瘤光動(dòng)力治療[53]。由于I型活性氧的產(chǎn)生對(duì)于氧氣的依賴性較小，該策略能夠有效克服基于Ⅱ型活性氧的傳統(tǒng)光動(dòng)力治療所面臨的腫瘤內(nèi)部乏氧問題，提高光動(dòng)力治療的效果。除了癌癥治療，AIE光敏劑在病原菌的檢測(cè)和殺傷領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用[54]，如Tang等通過調(diào)控分子D-A效應(yīng)，設(shè)計(jì)合成了一系列吸收和發(fā)射波長(zhǎng)逐漸紅移、活性氧產(chǎn)生逐漸增強(qiáng)的AIE光敏劑，并將其成功應(yīng)用于革蘭氏陽(yáng)性菌的檢測(cè)和光動(dòng)力抗菌以及大鼠皮膚傷口革蘭氏陽(yáng)性菌感染的治療，收到了良好效果[55]。

2.2 聚合策略

除了D-A策略，Liu等報(bào)道了另外一種能夠降低ΔES-T來提高單線態(tài)氧產(chǎn)生效率的新方法，即聚合增強(qiáng)光敏策略[56]。如圖3(a)所示，基于AIE分子SM1、SM2、SM3和非AIE分子SM4，他們制備了4種相對(duì)應(yīng)的共軛聚合物光敏劑CP1-CP4。與相應(yīng)小分子光敏劑相比，共軛聚合物具有更高的單線態(tài)氧產(chǎn)生效率，如共軛聚合物CP1的單線態(tài)氧產(chǎn)率提高了5.07倍，是光動(dòng)力治療中最常用的光敏劑之一Ce6(Chlorin e6)的3.71倍。密度泛函理論模擬結(jié)果表明，隨著聚合度的增加，光敏劑激發(fā)單線態(tài)和三線態(tài)之間的能量匹配更好，能極差逐漸減小，系間竄越途徑增多且速率提高，單線態(tài)氧產(chǎn)率由此得以提高(圖3(b)、(c))。此外，與對(duì)應(yīng)小分子相比，所制備的這4種共軛聚合物的摩爾吸光系數(shù)均有所提升，且部分聚合物的最大吸收波長(zhǎng)也發(fā)生紅移，這使得共軛聚合物光敏劑的吸光能力也增強(qiáng)，進(jìn)一步促進(jìn)了單線態(tài)氧的產(chǎn)生?；贑P1較高的單線態(tài)氧產(chǎn)率和深紅/近紅外熒光發(fā)射(Φf為6.2%)，研究者們利用兩親性聚合物DSPE-PEG作為包覆基質(zhì)，進(jìn)一步制備了具有優(yōu)異的水溶液分散性的納米顆粒CP1 NPs，并通過細(xì)胞水平和小鼠體內(nèi)水平實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了CP1 NPs在腫瘤熒光成像引導(dǎo)的光動(dòng)力治療中的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與其相應(yīng)的小分子光敏劑SM1和商用光敏劑Ce6相比，共軛聚合物CP1表現(xiàn)出更加優(yōu)異的光動(dòng)力治療效果。更重要的是，CP1 NPs可以在短時(shí)間內(nèi)(靜脈注射3 d后)通過腸道排出體外，表現(xiàn)出良好的生物相容性。

圖3 (a)小分子SM1、SM2、SM3、SM4和相對(duì)應(yīng)的共軛聚合物CP1、CP2、CP3、CP4的分子結(jié)構(gòu)；(b)小分子光敏劑和共軛聚合物光敏劑不同的光敏作用過程；(c)不同模型化合物的理論計(jì)算能級(jí)圖和可能的ISC躍遷渠道[56]；(d)小分子光敏劑TPEDC以及共軛聚合物光敏劑PTPEDC1和PTPEDC2的分子結(jié)構(gòu)；(e)TPEDC、PTPEDC1、PTPEDC2的吸收和發(fā)射光譜；(f)Ce6和TPEDC、PTPEDC1、PTPEDC2納米顆粒的活性氧產(chǎn)生情況；(g)TPEDC、PTPEDC1和PTPEDC2納米顆粒在水溶液中的雙光子吸收截面；(h)PTPEDC2納米顆粒在斑馬魚肝臟腫瘤雙光子成像和雙光子光動(dòng)力治療中的應(yīng)用[60]。

近年來，為實(shí)現(xiàn)深層組織中腫瘤的光動(dòng)力治療，研究者將目光轉(zhuǎn)向了雙光子光動(dòng)力治療。與單光子激發(fā)的光動(dòng)力治療不同，雙光子光動(dòng)力是一種利用近紅外光來激發(fā)光敏劑產(chǎn)生活性氧的方法[57]。雙光子光敏劑的引入將激發(fā)光波長(zhǎng)從可見光區(qū)紅移到了近紅外區(qū)，能夠克服光源在生物組織中穿透深度低的問題，為深層組織腫瘤治療提供了可能。另外，基于光敏劑的非線性雙光子吸收特性，雙光子激發(fā)可以對(duì)分布在腫瘤組織中的光敏劑實(shí)現(xiàn)三維層面上的精準(zhǔn)激活，實(shí)現(xiàn)高效可控精準(zhǔn)的光動(dòng)力治療[58-59]?；钚匝醍a(chǎn)生效率和雙光子吸收截面是決定雙光子光敏性能的兩個(gè)主要因素。D-A策略雖然可以降低ΔES-T，提高系間竄越速率，增強(qiáng)AIE光敏劑的光敏化效應(yīng)，但這種策略會(huì)使得分子共軛受限，不利于提高分子的雙光子吸收能力。2019年，Liu等通過聚合策略實(shí)現(xiàn)了AIE光敏劑雙光子吸收能力和活性氧產(chǎn)生效率的同時(shí)增強(qiáng)[60]。如圖3(d)所示，在小分子AIE光敏劑TPEDC的基礎(chǔ)上，通過聚合得到具有AIE性質(zhì)的聚合物光敏劑PTPEDC1和PTPEDC2。它們的吸收和發(fā)射行為如圖3(e)所示。隨后，利用兩親性基質(zhì)DSPE-PEG將它們分別包覆成為具有良好生物相容性的納米顆粒AIE dots。與小分子TPEDC相比，PTPEDC1和PTPEDC2 dots在雙光子激發(fā)下都表現(xiàn)出更高的活性氧產(chǎn)生能力。其中，PTPEDC2 dots的活性氧產(chǎn)率提高了5.48倍，是光敏劑Ce6的6.37倍(圖3(f))。同時(shí)，PTPEDC2 dots的雙光子吸收截面(7.36×105GM)是TPEDC dots(1.13×105GM)的6.51倍(圖3(g))。以上結(jié)果表明，聚合策略除了可以增加系間竄越速率、提高活性氧產(chǎn)生效率，還能進(jìn)一步改善分子共軛，提高雙光子吸收截面。得益于其較大的雙光子吸收截面和活性氧產(chǎn)生效率，PTPEDC2 dots在癌細(xì)胞的雙光子光動(dòng)力殺傷方面表現(xiàn)優(yōu)異，同時(shí)在斑馬魚腫瘤模型中能夠通過血液循環(huán)在肝臟腫瘤中富集，對(duì)腫瘤表現(xiàn)出明顯的雙光子光動(dòng)力治療效果(圖3(h))。

2.3 納米策略

激發(fā)態(tài)光敏劑分子的能量可以通過多通道發(fā)生耗散，通過納米策略實(shí)現(xiàn)空間限域，抑制熱耗散的非輻射躍遷，促使激發(fā)態(tài)能量通過輻射躍遷和系間竄越途徑耗散，從而成為提高AIE光敏劑熒光量子產(chǎn)率和活性氧產(chǎn)生效率的重要途徑[25]。目前，兩親性聚合物、硅基體、介孔材料、二維材料、蛋白質(zhì)和多糖等已作為載體被廣泛應(yīng)用于AIE分子的負(fù)載[61-67]。載體材料包裹或與基體材料的復(fù)合不僅實(shí)現(xiàn)了AIE分子性能的提升，同時(shí)賦予了診療體系優(yōu)異的生物相容性和水溶液中的分散性，是推動(dòng)AIE光敏劑更廣泛地應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的有效方法[68]。基體材料的種類及其與AIE分子間的相互作用是影響限域作用發(fā)揮的重要因素。例如，硅氧網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)包裹的BTPEAQ分子表現(xiàn)出12.1%的量子產(chǎn)率，而被DSPE-PEG兩親性聚合物包裹的納米粒子量子產(chǎn)率只有3.9%。但同時(shí)，致密的硅氧網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也近乎完全抑制了其活性氧的釋放[69]。2018年，Tang課題組通過優(yōu)化熒光納米粒子中的限域微環(huán)境開發(fā)出了同時(shí)具有高效熒光量子產(chǎn)率和活性氧產(chǎn)生效率的AIE dots[70]。他們利用碗烯的特殊骨架以及與AIE分子間的相互作用，強(qiáng)烈限制分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，抑制激發(fā)態(tài)能量的非輻射衰減，實(shí)現(xiàn)熒光量子產(chǎn)率和活性氧產(chǎn)生效率的同步增強(qiáng)。如圖4(a)所示，分別用碗烯和線性脂肪族聚合物DSPE-PEG封裝TPP-TPA分子形成納米粒子Cor-AIE dots 和DSPE-AIE dots。得益于碗烯更加封閉和更加剛性的分子結(jié)構(gòu)，以及與TPP-TPA間強(qiáng)烈的偶極-偶極相互作用，TPP-TPA結(jié)構(gòu)中苯環(huán)的自由轉(zhuǎn)動(dòng)被極大限制，非輻射躍遷因此受限，Cor-AIE納米點(diǎn)的熒光發(fā)射和活性氧產(chǎn)生能力均得到增強(qiáng)(圖4(b))。具有剛性限域微環(huán)境的Cor-AIE dots的熒光量子產(chǎn)率高達(dá)26.8%，而具有柔性限域微環(huán)境的DSPE-AIE dots的量子產(chǎn)率僅有6.7%，并且Cor-AIE dots活性氧的產(chǎn)生能力是DSPE-AIE dots的5.4倍(圖4(c)、(d))。在腹膜轉(zhuǎn)移瘤模型中，Cor-AIE dots表現(xiàn)出更加優(yōu)異的近紅外熒光成像指導(dǎo)的腫瘤切除效果，小于1 mm的微小腫瘤能夠被有效切除(圖4(e))。同時(shí)，發(fā)揮其高效的活性氧產(chǎn)生能力，Cor-AIE dots能夠更加有效地抑制腹膜轉(zhuǎn)移瘤的生長(zhǎng)，大大提高小鼠的生存率和中位生存時(shí)間(圖4(f))。因此，通過空間限域策略構(gòu)筑AIE納米顆粒對(duì)提升熒光量子產(chǎn)率和活性氧產(chǎn)生效率具有重要意義。

圖4 (a)納米沉淀法制備Cor-AIE dots和 DSPE-AIE dots示意圖；(b)具有柔性限域微環(huán)境的DSPE-AIE dots和剛性限域微環(huán)境的Cor-AIE dots的光物理過程示意圖；(c)Cor-AIE dots和 DSPE-AIE dots的熒光發(fā)射光譜；(d)Cor-AIE dots和 DSPE-AIE dots活性氧產(chǎn)生情況；(e)熒光成像指導(dǎo)下的腫瘤切除和非熒光成像指導(dǎo)的直接切除所得到的腫瘤的熒光圖(左)、生物發(fā)光圖(中)及直徑統(tǒng)計(jì)柱狀圖(右)；(f)小鼠活體腫瘤時(shí)間依賴的生物發(fā)光成像[70]。

3 光聲成像指導(dǎo)的光熱治療

光熱治療是指通過外部光源照射具有光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)的材料、將光能轉(zhuǎn)化為熱能來治療包括癌癥在內(nèi)的各種疾病的一種新型療法[71-72]。此外，高效的光熱轉(zhuǎn)換材料本身就具有優(yōu)良的光聲成像性能，便于實(shí)現(xiàn)光聲成像指導(dǎo)的光熱治療。相比于熒光成像手段，光聲成像技術(shù)結(jié)合了超聲檢查的優(yōu)勢(shì)，能夠提供超越光學(xué)擴(kuò)散距離限制的深層組織穿透能力，成像深度可達(dá)毫米甚至厘米級(jí)，并且具有較高的空間分辨率和對(duì)比度，在腫瘤診斷、腦血流動(dòng)力學(xué)研究和血管結(jié)構(gòu)可視化等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已被成功應(yīng)用[73-74]。目前，AIE分子在光聲成像指導(dǎo)的光熱治療領(lǐng)域剛剛起步，所報(bào)道的例子為數(shù)不多。從設(shè)計(jì)策略上，這些分子可以分為兩類。一、通過側(cè)鏈工程延長(zhǎng)側(cè)鏈長(zhǎng)度，使得分子在聚集態(tài)的排列更為疏松，有利于基團(tuán)在聚集態(tài)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而有利于激發(fā)態(tài)能量更多地以熱的形式釋放出來。圖5中NDTA分子體系(包括NDTA、2TPE-NDTA和2TPE-2NDTA)和圖6中NIR分子體系(包括NIRb14、NIRb10、NIRb6和NIR6)屬于這一類設(shè)計(jì)策略。二、通過利用分子內(nèi)化學(xué)鍵伸縮振動(dòng)的自發(fā)、劇烈、不受外界因素限制等優(yōu)勢(shì)誘導(dǎo)光熱轉(zhuǎn)化。圖7中分子DCP-TPA和DCP-PTPA屬于這一類設(shè)計(jì)策略。

3.1 側(cè)鏈工程策略

AIE分子通常具有強(qiáng)的疏水性，通過生物相容性兩親性基質(zhì)將其包裹成納米顆粒是增加其水溶性、滿足其在機(jī)體水環(huán)境中應(yīng)用的最常用策略[73]。此外，納米制劑還擁有長(zhǎng)的血液循環(huán)能力以及腫瘤靶向富集等優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)AIE分子在生物體內(nèi)的診療效果[75]。根據(jù)Jablonski能級(jí)圖，熒光發(fā)射和光熱效應(yīng)的光物理過程是彼此競(jìng)爭(zhēng)的，當(dāng)AIE分子在納米聚集態(tài)下的堆集過于緊密時(shí)，其分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)由于缺乏運(yùn)動(dòng)空間在很大程度上受到抑制，雖然熒光亮度會(huì)得到顯著提升，但其產(chǎn)熱能力大大降低?；诖耍琓ang等提出了一種新的分子設(shè)計(jì)理念，利用固態(tài)下分子運(yùn)動(dòng)促進(jìn)非輻射躍遷產(chǎn)熱來構(gòu)建高效光熱材料[76]。該分子設(shè)計(jì)理念是對(duì)AIE概念的一次逆向思維，與力圖抑制AIE分子運(yùn)動(dòng)來打開輻射躍遷途徑而發(fā)出熒光不同，該研究則致力于最大程度地實(shí)現(xiàn)固態(tài)或納米聚集態(tài)下的分子運(yùn)動(dòng)來增強(qiáng)非輻射躍遷，從而將光能轉(zhuǎn)化為熱能。如圖5(a)所示，該工作以四苯乙烯(TPE)作為轉(zhuǎn)子單元，以帶長(zhǎng)烷基鏈的萘二酰亞胺作為電子受體，構(gòu)建了NDTA、2TPE-NDTA和2TPE-2NDTA 3個(gè)分子。具有大π-共軛結(jié)構(gòu)的強(qiáng)吸電子能力的受體與TPE相連時(shí)，能使分子具有長(zhǎng)波長(zhǎng)的吸收、高的摩爾吸光系數(shù)和強(qiáng)的分子內(nèi)扭曲電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)(TICT)。長(zhǎng)烷基分叉型側(cè)鏈的引入可以使處于聚集態(tài)下的分子彼此之間產(chǎn)生疏松的空間，以促進(jìn)TPE基團(tuán)的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子和長(zhǎng)烷基鏈同時(shí)引入的2TPE-NDTA和2TPE-2NDTA分子被證實(shí)可以在聚集體以及固體狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)活躍的分子運(yùn)動(dòng)以及高效的非輻射躍遷。如圖5(b)、(c)所示，在808 nm激光照射5 min后，2TPE-NDTA和2TPE-2NDTA納米粒子的溫度分別升高到69.6 ℃和81.4 ℃。光熱轉(zhuǎn)化效率測(cè)試表明，與文獻(xiàn)所報(bào)道的明星半導(dǎo)體分子SPNs相比，2TPE-NDTA納米粒子(43.0%)和2TPE-2NDTA納米粒子(54.9%)都表現(xiàn)出比SPNs(27.5%)更高的光熱轉(zhuǎn)換效率。進(jìn)一步的光聲信號(hào)測(cè)試結(jié)果表明，與商業(yè)化的亞甲基藍(lán)和已知的明星半導(dǎo)體高分子SPNs對(duì)比，2TPE-NDTA和2TPE-2NDTA納米粒子均表現(xiàn)出更強(qiáng)的光聲信號(hào)，并且展現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)穩(wěn)定性。最后，將2TPE-2NDTA納米粒子用于小鼠活體近紅外光聲成像，得到了良好的成像效果(5(d))。

圖5 (a)NDTA系列分子結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)下分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)光熱轉(zhuǎn)化示意圖；不同納米粒子在808 nm激光照射下的紅外熱圖片(b)和時(shí)間-溫度變化曲線(c)；(d)2TPE-2NDTA納米粒子在荷瘤小鼠體內(nèi)的光聲成像效果[76]。

同年，Tang課題組進(jìn)一步利用側(cè)鏈工程策略調(diào)控有機(jī)分子在聚集時(shí)的分子運(yùn)動(dòng)，提高聚集態(tài)下分子激發(fā)態(tài)TICT性質(zhì)增強(qiáng)非輻射躍遷，進(jìn)而提高光熱轉(zhuǎn)化效率[77]。在該工作中，研究者選用苯并雙噻二唑?yàn)閺?qiáng)電子受體，噻吩為電子給體，三苯胺既作為電子給體又作為分子轉(zhuǎn)子，支化長(zhǎng)烷基鏈位于噻吩單元上，設(shè)計(jì)并合成了一系列窄帶隙的D-A型共軛小分子NIR6、NIRb6、NIRb10和NIRb14(圖6(a))。支化長(zhǎng)烷基鏈的存在對(duì)聚集態(tài)分子運(yùn)動(dòng)和TICT性質(zhì)的調(diào)節(jié)起到了至關(guān)重要的作用。在溶液態(tài)下，長(zhǎng)烷基鏈有助于分子扭曲，更有利于TICT態(tài)的形成。在聚集態(tài)下，烷基鏈的支化作用可以有效減弱分子間強(qiáng)相互作用，給分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)提供空間，有利于TICT態(tài)的形成，從而增強(qiáng)了非輻射躍遷和光熱轉(zhuǎn)化效率。值得注意的是，支化烷基鏈的支化點(diǎn)最好位于第二個(gè)碳。如果位于第一個(gè)碳，位阻過大，則容易發(fā)射熒光；如果沒有支化，則不能有效阻止分子間相互作用，達(dá)不到光熱效率增強(qiáng)的目的。從光熱性能測(cè)試結(jié)果(圖6(b))可以看出，相對(duì)于直型烷基鏈分子NIR6，分叉型烷基鏈分子NIRb6、NIRb10和NIRb14具有更好的光熱轉(zhuǎn)化性能，而具有最長(zhǎng)烷基鏈的NIRb14(含2-癸基十四烷基團(tuán))具有最好的光熱效果，其光熱轉(zhuǎn)化效率(31.2%)顯著高于GNR(20.7%)，且具有良好的熱穩(wěn)定性。在得到性質(zhì)優(yōu)良的光熱轉(zhuǎn)化劑NIRb14后，通過pH響應(yīng)兩親性聚合物(PAE-b-PCL)將其包裹成納米顆粒(NIRb14-PAE/PEG NPs)。該納米粒子在血液環(huán)境中(pH=7.4)帶負(fù)電荷，可以增強(qiáng)血液循環(huán)時(shí)間；當(dāng)通過被動(dòng)靶向運(yùn)輸?shù)侥[瘤部位時(shí)(pH=6.5)，外層PAE被質(zhì)子化而帶正電荷，從而增強(qiáng)了納米粒子在腫瘤部位的富集，達(dá)到提高治療效果的目的。隨后，作者將NIRb14-PAE/PEG納米粒子用于小鼠腫瘤的光聲成像指導(dǎo)的光熱治療(圖6(c)、(d))。結(jié)果表明，與對(duì)照組(PEG-b-PCL包裹納米粒子)相比，NIRb14-PAE/PEG納米粒子在小鼠腫瘤部位富集明顯增強(qiáng)，產(chǎn)生了更強(qiáng)的光聲信號(hào)并誘導(dǎo)腫瘤產(chǎn)生更高的溫度，且對(duì)腫瘤生長(zhǎng)有明顯的抑制作用。

圖6 (a)通過側(cè)鏈工程策略調(diào)控分子結(jié)構(gòu)增強(qiáng)聚集態(tài)下分子運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)光熱性能示意圖；(b)NIR系列分子的納米粒子在808 nm激光照射下的光熱轉(zhuǎn)化行為；(c)NIRb14納米粒子在荷瘤小鼠體內(nèi)的光聲成像效果；(d)NIRb14納米粒子在荷瘤小鼠體內(nèi)的光熱效果[77]。

3.2 化學(xué)鍵伸縮振動(dòng)策略

雖然通過增強(qiáng)轉(zhuǎn)子在聚集態(tài)下的轉(zhuǎn)動(dòng)能力能夠獲得有效的光熱響應(yīng)，但這種方法受到分子間堆積及分子間空腔等控制因子的影響，材料設(shè)計(jì)和合成過程比較繁瑣。分子內(nèi)鍵的伸縮振動(dòng)是一種高頻的分子運(yùn)動(dòng)，通常在沿著鍵軸很短的距離(0.01 nm)進(jìn)行[78]。這種分子運(yùn)動(dòng)是自發(fā)的、有力的，非常有利于光熱轉(zhuǎn)化?；诖?，Tang等利用化學(xué)鍵伸縮振動(dòng)自發(fā)、劇烈、不受外界因素限制等優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提出了分子內(nèi)鍵伸縮振動(dòng)誘導(dǎo)光熱轉(zhuǎn)化的新概念[79]。如圖7(a)所示，研究者設(shè)計(jì)合成了兩個(gè)D-A型共軛小分子DCP-TPA和DCP-PTPA，其中芳香胺作為電子給體單元，吡嗪作子受體單元。另外，吡嗪還作為鍵伸縮振動(dòng)器，促進(jìn)激發(fā)態(tài)下的分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)。理論研究表明(圖7(b))，DCP-TPA中吡嗪?jiǎn)卧獌?nèi)C—N鍵的伸縮振動(dòng)對(duì)分子激發(fā)態(tài)能量的耗散起絕對(duì)作用。相比而言，DCP-PTPA中由于更多苯環(huán)的引入，分子運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng)，但分子內(nèi)鍵伸縮振動(dòng)依然主導(dǎo)分子激發(fā)態(tài)行為。由于鍵的伸縮振動(dòng)發(fā)生劇烈且距離小，利用分子內(nèi)鍵伸縮振動(dòng)能夠在不受外界因素限制下以最簡(jiǎn)便和有效的方式獲得光熱轉(zhuǎn)化。隨后，作者將DCP-TPA和DCP-PTPA分子制備成具有良好水溶性的納米顆粒。在660 nm激光的連續(xù)照射下，兩種納米粒子溶液的溫度都迅速升高(圖7(c))，光熱轉(zhuǎn)化效率高達(dá)52%和59%。此外，兩種納米粒子的光熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩種納米粒子的溫度在加熱-冷卻五次循環(huán)后沒有明顯變化，顯示出了優(yōu)異的穩(wěn)定性。同時(shí)，得益于高的光熱轉(zhuǎn)化效率，這兩種材料能夠?qū)a(chǎn)生的熱轉(zhuǎn)化為比先前報(bào)道的高性能半導(dǎo)體聚合物和商業(yè)化材料亞甲基藍(lán)更強(qiáng)的光聲信號(hào)(圖7(d))。鑒于光聲成像深度深且空間分辨率高等優(yōu)勢(shì)，這兩種材料能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)活體小鼠腫瘤快速和高信噪比(信噪比高達(dá)6.9倍)的光聲成像。此外，這類材料還表現(xiàn)出體內(nèi)生物毒性小以及代謝快等優(yōu)勢(shì)，為后期的進(jìn)一步應(yīng)用研究打下了良好的基礎(chǔ)。該研究為利用分子內(nèi)化學(xué)鍵的運(yùn)動(dòng)來捕獲光熱和設(shè)計(jì)光聲造影劑提供了一種全新的策略。

圖7 (a)DCP-TPA和DCP-PTPA的分子結(jié)構(gòu)及其激發(fā)態(tài)運(yùn)動(dòng)模型示意圖；(b)DCP-TPA和DCP-PTPA分子在不同波數(shù)下的重組能，及其鍵長(zhǎng)、鍵角、二面角對(duì)總重組能的貢獻(xiàn)；(c)DCP-TPA和DCP-PTPA納米粒子在660 nm激光照射下的紅外熱圖片和光熱穩(wěn)定性；(d)兩種納米粒子在不同濃度下的光聲圖像及光聲信號(hào)強(qiáng)度-分子濃度之間的線性關(guān)系[79]。

4 多模態(tài)成像指導(dǎo)的協(xié)同治療

雖然AIE材料在熒光成像指導(dǎo)的光動(dòng)力治療和光聲成像指導(dǎo)的光熱治療中展現(xiàn)出巨大潛力，然而在實(shí)際臨床應(yīng)用中，僅通過單一模態(tài)的光學(xué)成像或單一模態(tài)的光學(xué)治療仍然很難達(dá)到最佳的疾病診療效果[80-81]。例如，熒光成像技術(shù)雖然具有高的靈敏度，但其穿透深度和空間分辨力卻欠佳；光聲成像技術(shù)雖能夠提供足夠的穿透深度和高空間分辨能力，但其靈敏度卻不高；而單獨(dú)的光動(dòng)力治療或光熱治療其效率往往受制于疾病組織的氧氣濃度和熱休克效應(yīng)?；诖?，開發(fā)多功能光學(xué)診療體系，同時(shí)進(jìn)行多模態(tài)成像和協(xié)同治療是至關(guān)重要的。目前構(gòu)建多模態(tài)光學(xué)診療系統(tǒng)最常用的策略是將具有單個(gè)功能的多種成分組合到一個(gè)納米平臺(tái)，然而這種多合一(All-in-one)的方法不可避免地會(huì)受到成分復(fù)雜、重復(fù)性低和藥代動(dòng)力學(xué)不明確的限制，難以進(jìn)行臨床轉(zhuǎn)化[82]。因此，設(shè)計(jì)集多種功能于一體的智能分子用以構(gòu)建可靠的光學(xué)診療系統(tǒng)用于臨床疾病的診療意義重大[83-87]。與傳統(tǒng)的診療分子相比，AIE分子擁有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：其結(jié)構(gòu)中具有大量自由運(yùn)動(dòng)的基團(tuán)。活躍的分子運(yùn)動(dòng)能夠使激發(fā)態(tài)能量通過非輻射衰變以熱耗散的方式消散，而限制分子運(yùn)動(dòng)可以使吸收的能量流向伴隨熒光發(fā)射的輻射能量耗散途徑以及通過系間竄越到三線態(tài)最終以產(chǎn)生活性氧的形式散失。結(jié)構(gòu)扭曲且在聚集態(tài)呈現(xiàn)非晶態(tài)的AIE分子在聚集態(tài)下將自然地呈現(xiàn)出雜亂無章的疏松排列方式，此時(shí)AIE分子的運(yùn)動(dòng)僅受部分限制，輻射和非輻射能量耗散得以平衡，激發(fā)態(tài)能量將得到最大化利用以充分實(shí)現(xiàn)其多功能性。

基于此，Tang等開發(fā)了一系列具有多模態(tài)診療性能的全能型AIE分子[88-91]，并且通過不斷調(diào)節(jié)分子的D-A強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了熒光發(fā)射從近紅外一區(qū)到二區(qū)(NIR-Ⅱ，1 000～1 700 nm)的移動(dòng)[92]，顯著提高了體內(nèi)診療效果。例如，他們以1,3-雙(二氰基亞甲基)茚滿作為電子受體、噻吩作為電子給體、三苯胺作為電子給體以及分子轉(zhuǎn)子，設(shè)計(jì)合成了3個(gè)化合物(TI，TSI和TSSI)[89]。三苯胺基元高度扭曲的構(gòu)象能夠延長(zhǎng)聚集態(tài)下分子間的距離，實(shí)現(xiàn)相對(duì)松散的分子間堆積，有助于保留部分分子內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而有利于提高分子在納米顆粒內(nèi)聚集態(tài)下的產(chǎn)熱能力。同時(shí)，三苯胺基元賦予這些化合物螺旋槳式的扭曲結(jié)構(gòu)，有效阻止分子間π-π堆積進(jìn)而抑制分子在納米聚集體中的熒光猝滅，確保這些化合物具有AIE性質(zhì)。另一方面，兩個(gè)丙二腈修飾的茚滿作為電子受體不僅具有強(qiáng)的吸電子能力，而且碳氮鍵伸縮振動(dòng)能夠保證這些AIE分子在納米聚集態(tài)下的產(chǎn)熱性能。噻吩的引入除了增強(qiáng)分子D-A強(qiáng)度、紅移吸收和發(fā)射波長(zhǎng)以及提高活性氧產(chǎn)生能力外，還擴(kuò)大了三苯胺基元與受體之間的空間距離，增強(qiáng)轉(zhuǎn)子在納米顆粒內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力。隨后，他們將具有最強(qiáng)D-A效應(yīng)和最強(qiáng)分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)能力的TSSI分子用DSPE-PEG載體包裹成納米顆粒，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該納米顆粒具有明亮的近紅外二區(qū)熒光發(fā)射、較高的活性氧產(chǎn)率以及優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)了不同通道能量耗散之間的完美平衡。體內(nèi)研究進(jìn)一步證實(shí)了具有出色生物相容性和高通用性的全能型TSSI納米粒子在小鼠腫瘤近紅外二區(qū)熒光-光聲-光熱三模式成像引導(dǎo)的光動(dòng)力-光熱協(xié)同治療中表現(xiàn)優(yōu)異。值得一提的是，由于高效的光動(dòng)力-光熱協(xié)同治療效應(yīng)，在體內(nèi)治療過程中僅需一次注射和一次光照，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)體腫瘤的徹底消除。

圖8 (a)全能型AIE分子結(jié)構(gòu)、納米制備和多模態(tài)光學(xué)診療應(yīng)用示意圖；(b)TSSI納米粒子在荷瘤小鼠體內(nèi)的近紅外二區(qū)熒光成像和光聲成像效果；(c)TSSI納米粒子在荷瘤小鼠體內(nèi)的光熱效果；(d)TSSI納米粒子的體外活性氧產(chǎn)生能力；(e)TSSI納米粒子的體內(nèi)光動(dòng)力-光熱協(xié)同治療效果[89]。

5 結(jié)論與展望

得益于高選擇性、低毒副作用和優(yōu)異的治療效果，光學(xué)診療在生物醫(yī)學(xué)和臨床應(yīng)用中展現(xiàn)了巨大潛力。有機(jī)小分子材料由于結(jié)構(gòu)精確可控、生物相容性好以及易于功能化修飾等優(yōu)點(diǎn)有望成為推動(dòng)光學(xué)診療試劑向臨床轉(zhuǎn)化的最佳選擇。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)平面化的ACQ類有機(jī)小分子，由于存在高濃度或聚集態(tài)下熒光效率和活性氧產(chǎn)率降低的問題，無法滿足在生物體水環(huán)境中的應(yīng)用。相反地，AIE分子結(jié)構(gòu)中含有大量能夠運(yùn)動(dòng)的基團(tuán)，并呈現(xiàn)螺旋槳式的分子構(gòu)象，其熒光和活性氧產(chǎn)生效率呈現(xiàn)聚集增強(qiáng)的現(xiàn)象，極大地拓寬了有機(jī)小分子在光學(xué)診療領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。同時(shí)，依據(jù)Jablonski能級(jí)圖，通過精準(zhǔn)分子設(shè)計(jì)以及調(diào)控分子在聚集態(tài)下的運(yùn)動(dòng)還可以實(shí)現(xiàn)熱耗散、輻射衰變和系間竄越3個(gè)能量耗散通道間的調(diào)節(jié)與平衡，以實(shí)現(xiàn)光診療效果的最佳化?；诖?，本文系統(tǒng)總結(jié)了通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及聚集行為調(diào)控增強(qiáng)AIE材料的光學(xué)診療效果的策略，并從熒光成像指導(dǎo)的光動(dòng)力治療、光聲成像指導(dǎo)的光熱治療和熒光-光聲-光熱成像指導(dǎo)的光動(dòng)力-光熱協(xié)同治療三個(gè)方面綜述了AIE材料在光學(xué)診療中的最新研究進(jìn)展。

盡管AIE材料在光學(xué)診療領(lǐng)域已取得了突破性進(jìn)展，然而面向臨床應(yīng)用，目前仍存在一些亟待解決的問題與挑戰(zhàn)。一方面，目前開發(fā)的AIE光診療劑的激發(fā)波長(zhǎng)大多處在可見光區(qū)域，考慮到生物體內(nèi)的應(yīng)用，迫切需要開發(fā)具有近紅外吸收或多光子吸收特性的AIE分子，以增大激發(fā)光的組織穿透深度，實(shí)現(xiàn)深層組織疾病的診療。另一方面，基于單個(gè)AIE分子的多模態(tài)診療目前尚處于起步階段，需要開發(fā)更多的體系來探究這類材料的構(gòu)-效關(guān)系，建立一套行之有效的理論來指導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)、合成。此外，由于光學(xué)治療能夠有效地刺激機(jī)體產(chǎn)生大量的免疫原性抗原，將光學(xué)治療與免疫治療聯(lián)用有望進(jìn)一步提高疾病治療效果。另外，作為一類新型材料，AIE 材料的生物安全性和體內(nèi)清除問題尚缺乏系統(tǒng)的研究，相關(guān)工作需要進(jìn)一步深入。綜上所述，我們堅(jiān)信，在多學(xué)科多領(lǐng)域科學(xué)家的不懈堅(jiān)持和努力下，AIE材料在光學(xué)診療乃至整個(gè)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域必將得到快速發(fā)展與優(yōu)化升級(jí)，具有光學(xué)診療特性的AIE材料也必將在臨床實(shí)踐中得以推廣應(yīng)用。