北師大閆東鵬＆北化工梁瑞政Nat. Commun.: 二維層狀納米光敏劑用于高效單線態氧生成和光動力學治療

【引言】

研究表明，單線態氧在氣相中擁有較長的存在壽命，可達一小時；在溶液態中的壽命為10^-6-10^-3秒。在所有的活性氧（ROS）中，單線態氧因為極高的活性和氧化性，在污水處理、光氧化催化和光動力治療中都具有廣闊的應用。由于單線態和三線態之間的自旋翻轉限制，從O₂到¹O₂的轉換過程在正常條件下很難發生，因而普遍需要借助光敏劑來有效地實現¹O₂產生。在過去的幾十年中，包括有機染料、金屬有機配合物和新型金屬納米粒子在內的多種光敏劑被開發出來。這些光敏劑或多或少都存在一些不足，比如親水性較差和暗毒性等使得光敏劑的¹O₂產生效率較低，而限制了應用。近年來，石墨烯、硅材料和黑磷被用來產生¹O₂，并在光催化和光動力學治療中取得了一些進展。但是，由于這些光敏劑在700nm以上長波長范圍缺少吸收，導致組織穿透性較差，并會對活體造成光損傷。因而，開發近紅外光激發的光敏劑在生物診療中具有很重要的意義，且極具挑戰性。

【成果簡介】

近日，北京師范大學閆東鵬教授和北京化工大學衛敏教授，梁瑞政副教授（共同通訊作者）等在前期無機有機雜化室溫磷光材料的研究基礎上，報道了一種近紅外光激發的二維納米超分子光敏劑，用于有效的雙光子光動力學治療。這種納米復合物的單線態氧產率高達0.74。體外細胞實驗證實其具有很好的抗腫瘤效果，IC₅₀為0.153 μg/mL。在小鼠實驗中，納米復合物表現出了很強的組織穿透能力、極低的生物毒性和很強的腫瘤抑制能力。這個工作為雙光子激發的光敏劑的設計以及無機有機雜化室溫磷光材料的三線態激子應用提供了新的思路。該成果以題為"Nano-photosensitizer Based on Layered Double Hydroxide and Isophthalic Acid for Singlet Oxygenation and Photodynamic Therapy"發表在Nat. Commun.上。并被期刊編輯部選為“Editors’?Highlights”。

【圖文導讀】

圖1.?二維室溫磷光插層納米復合物作為雙光子光敏劑產生¹O₂

圖2. ¹O₂的產生和光譜表征

(a).BA/LDH, IPA/LDH, TA/LDH, PMA/LDH和MA/LDH納米復合物在808nm激發光下的發射光譜

(b).BA/LDH, IPA/LDH, TA/LDH, PMA/LDH和MA/LDH納米復合物產生¹O₂的熒光光譜

(c).隨著光照時間增加，IPA/LDH, PMA/LDH和MA/LDH納米復合物產生的單態氧使DPBF吸收強度下降情況

(d). ESR信號增強表明IPA/LDH納米復合物產生的單態氧隨著光照時間逐漸增加

圖3.^?1O₂的產生效率和結構表征

(a).TEM圖

(b).AFM圖

(c).IPA/LDH的高度曲線

(d).隨著光照時間增加，IPA, IPA(50%)/LDH，IPA(75%)/LDH和IPA(100%)/LDH納米復合物使DPBF吸收強度下降情況

(e). 不同氣體條件下， IPA/LDH產生單態氧使DPBF吸收強度下降情況

(f).IPA/LDH產生的¹O₂熒光光譜（以玫瑰紅為參照）

圖4. IPA/LDH在Hela細胞中的光動力學治療效果

(a,b).IPA和IPA/LDH在黑暗中和光照下的細胞毒性

(c,d).IPA和IPA/LDH的Calcein-AM/PI染色圖

(e). 對三組細胞進行DCFH-DA染色，表征細胞內ROS產率

(f).對DCFH-DA染色后的細胞進行流式定量分析

(g).Annexin V-FITC/PC雙染色的流式細胞儀分析結果

圖5. 體內生物分布和藥物代謝動力學結果

(a).Cy5.5標記的IPA/LDH的熒光強度隨血液循環時間的變化

(b).注射不同時間后的小鼠近紅外熒光成像

(c).小鼠注射Cy5.5標記的IPA/LDH不同時間后，不同器官的熒光成像

(d). 注射不同時間后，小鼠體內IPA/LDH分布的定量分析

圖6. IPA/LDH的體內光動力學治療效果

(a).腫瘤生長曲線

(b).小鼠腫瘤生長情況監測

(c).小鼠腫瘤取出后照片

(d).腫瘤組織切片的染色

【小結】

在這個工作中，作者發展了一種新型近紅外光激發的超分子光敏劑，利用層狀金屬氫氧化物（LDH）的二維限域效應增強了長壽命三線態激子，實現有效的雙光子光動力學治療。這種納米復合物的單線態氧產率高達0.74，體外細胞實驗證實其具有很好的抗腫瘤性質，IC₅₀為0.153 μg/mL。在小鼠實驗中，納米復合物表現出了很強的組織穿透能力、極低的生物毒性和很強的腫瘤抑制能力。該工作為雙光子激發的光敏劑設計以及無機有機雜化室溫磷光材料的三線態激子應用提供了新的思路。博士研究生高瑞和梅旭安為本項工作共同第一作者。

文獻鏈接：Nano-photosensitizer Based on Layered Double Hydroxide and Isophthalic Acid for Singlet Oxygenation and Photodynamic Therapy(Nat.?Commun., 2018, DOI: 10. 1038/s41467-018-05223-3)

【作者簡介】

閆東鵬教授簡介：

閆東鵬，男，?2007年和2012年先后在北京化工大學獲得理學學士和工學博士學位，師從段雪院士。2012年7月留校任教，被聘為副教授。2014年受聘北京師范大學化學學院教授，博士生導師。研究領域為無機超分子化學，自組裝有序功能薄膜，分子晶態材料的光電功能調控等。近5年來，以通訊聯系人在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Chem. Sci.、Mater. Horiz.、Nano Energy、Small、Chem. Commun.、Chem. Eur. J、Nano Res.、Adv. Opt. Mater.、ChemSusChem、J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Interfaces等刊物發表SCI論文80余篇。他引2800余次，H-index 36（IF>5的論文59篇，18篇被期刊推選為文章封面或插圖）。研究工作被Nature Chemistry、Nature China, ACS Noteworthy Chemistry, Chemistry Views, Materials Views和Science Daily等以“News and Views”和“Research Highlight”等形式進行評論和報道。擔任無機和結構化學領域知名學術叢書“Structure and Bonding”第166卷Photofunctional Layered Materials共同卷主編，我國《應用化學》和《中國化學快報》等期刊青年編委，40余種國際學術刊物的審稿人或仲裁人，CryEngComm期刊評選的2016年Top 10審稿人。授權美國發明專利2項，國家發明專利18項。先后主持國家自然基金3項，北京市自然基金1項，參與科技部重大研究計劃項目，入選北京市科技新星。獲得北京市教委授予的北京市優秀博士論文，北京市高校成才表率，北京高校優秀共產黨員等稱號。

研究組前期磷光材料領域的相關論文：

Xiaogang Yang, Xianqing Lin, Yibing Zhao, Yong Sheng Zhao*, and Dongpeng Yan*, Lanthanide Metal-Organic Framework Microrods: Colored Optical Waveguides and Chiral Polarized Emission, Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 7853–7857

Rui Gao and Dongpeng Yan*, Layered Host–guest Long-afterglow Ultrathin Nanosheets: High-efficiency Phosphorescence Energy Transfer at 2D Confined Interface. Chem. Sci. 2017, 8, 590–599. ?

Xiaogang Yang and Dongpeng Yan*, Long-afterglow Metal–organic Frameworks: Reversible Guest-induced Phosphorescence Tunability. Chem. Sci. 2016, 7, 4519–4526.

Rui Gao, Dongpeng Yan*, David G. Evans and Xue Duan, Layer-by-layer Assembly of Long-afterglow Self-supporting Thin Films with Dual-stimuli-responsive Phosphorescence and Antiforgery Applications. Nano Research 2017, 3606-3617

Yongsheng Yang, Ke-Zhi Wang* and Dongpeng Yan*, Smart Luminescent Coordination Polymers toward Multimode Logic Gates: Time-Resolved, Tribochromic and Excitation-Dependent Fluorescence/Phosphorescence Emission, ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 17399–17407.

梁瑞政副教授簡介：

梁瑞政，2005 年?9 月至 2009 年?6 月于廣西大學獲學士學位，2014 年于牛津大學博士聯合培養，2015?年?6 月于北京化工大學段雪院士課題組獲博士學位。2015 年?7 月開始任北京化工大學化工資源有效利用國家重點實驗室副教授。主要研究興趣包括光功能材料及生物醫用材料的制備及性能研究。目前以第一或通訊作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Biomaterials、Chem. Sci.、Chem. Mater.等刊物發表SCI收錄研究論文25篇，其中IF>10的5篇；10>IF>6的14篇。論文發表以來被SCI 期刊他引400 余次，其中5篇代表性論文單篇引用均超過50次（最高引用93次）。研究工作被Wiley Materials Views China (MVC) 官方網站、 RSC?官方網站、X-MOL及材料人等學術網站報道多次報道。作為負責人承擔包括國家自然科學基金及北京市自然基金在內的各類基金5項，參與包括973課題在內的基金2項。榮獲北京化工大學青年英才百人計劃首批。

本文由材料人學術組gaxy供稿，材料牛整理編輯。 ?

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