本文要点：具有超大红移（>150 nm）特性的有机生色团J聚集现象，为在第二近红外（NIR-II，1000–1700 nm）波段推进肿瘤光热治疗提供了一种极具潜力的策略。本研究通过引入氮杂吲哚基团设计合成了七甲川菁染料CyN-OMe，该基团可精准调控分子内电子分布与分子间相互作用，促使CyN-OMe在生理盐水中快速形成电荷转移介导的J-聚集体。该聚集体最大吸收波长红移至1035 nm（NIR-II窗口），较单体产生160 nm显著红移。本文系统探究了CyN-OMe J-聚集体的形成机制，并评估了其在不同条件下的稳定性。该聚集体在1064 nm激光照射下展现出63.7%的高光热转换效率，成功在小鼠模型中实现肿瘤完全消融。本工作为开发具有超大红移特性的J-聚集体提供了普适性分子设计策略。

方案1. 从氮杂吲哚菁染料构建J-聚集体作为肿瘤NIR-II PTT的PTA

本研究以七甲川菁染料（Cy7）为分子骨架，通过对Cy7类染料IR786的吲哚基团进行双边氮杂吲哚取代（方案1A），开发出新型衍生物CyN-OMe。CyN-OMe在生理盐水中自发形成电荷转移（CT）介导的J-聚集体。相较于有机溶剂中的单体形态，CyN-OMe聚集体的光物理性质显著提升，其吸收带产生160 nm的超大红移，最大吸收波长（λmax）成功延伸至生物友好的NIR-II窗口（方案1B）。该聚集体还展现出优异的环境稳定性和生物稳定性，在1064 nm激光照射下实现63.7%的卓越光热转换效率（方案1C）。体外和体内实验均证实，该系统在安全激光剂量下即可实现有效肿瘤消融，展现出显著的临床转化潜力（方案1D）。

图1. 光物理性质研究

本研究通过Knoevenagel缩合反应引入甲氧羰基功能化氮杂吲哚基团，设计合成了新型Cy7衍生物CyN-OMe，并同步制备对照样品Cy-OMe和IR786（图1A）。首先分析了它们的紫外-可见（UV-vis）吸收光谱。在二甲基亚砜（DMSO）和二氯甲烷（DCM）等有机溶剂中，Cy-OMe的最大吸收波长（λmax）位于796 nm附近，与母体IR786（786 nm）基本一致；而CyN-OMe则展现出约878 nm的显著红移（图1B）。CyN-OMe在DI水（500-900 nm）和PBS（600-1200 nm）中均表现出宽谱带吸收（图1C），其在PBS中的λmax精确定位于1035 nm，相较于DMSO中的单体形态产生160 nm的超常红移（图1D）。这种大幅红移伴随特征性谱带展宽，强烈提示CyN-OMe形成了电荷转移（CT）介导的J-聚集体。从单体态到聚集态的光谱演变，印证了通过可控超分子组装实现NIR-II吸收的分子设计策略的成功。

图2. 体外PCE评价

接着系统评估了IR786、Cy-OMe、CyN-OMe及其J-聚集体的光热转换性能。测试方案如下：IR786和Cy-OMe在PBS中采用760 nm激光照射，CyN-OMe分别在DI水（非聚集态，860 nm激光）和PBS（J-聚集体，1064 nm激光）中测试。由于显著的吸收红移，CyN-OMe J-聚集体在1064 nm处展现出4.83×10⁴ M⁻¹ cm⁻¹的摩尔消光系数（图1D），凸显其在NIR-II窗口光热治疗（PTT）中的应用优势。实验数据显示，在0.5 W cm⁻²功率密度激光照射下，PBS中的CyN-OMe J-聚集体5分钟内使体系温度从23℃急速升至71.3℃，远超其在DI水中的升温幅度（59.6℃）。对比组中，Cy-OMe和IR786的最高温度分别为49.1℃和39.4℃，证实甲氧羰基的引入有效提升了光热转换效率（PCE）。

图3. CyN-OMe的飞秒瞬态吸收光谱

接着研究者深入研究了电荷转移（CT）介导的CyN-OMe J-聚集体激发态动力学。通过飞秒瞬态吸收（fs-TA）光谱技术发现：当采用880 nm激光激发时，PBS中的CyN-OMe在500-700 nm范围呈现明显的激发态吸收（ESA）带（对应S₁→Sₙ跃迁），同时在950-1200 nm出现与稳态吸收峰匹配的基态漂白（GSB）带（图3B）。全局动力学分析揭示其激发态弛豫路径为：Franck–Condon（FC）态→弛豫S₁态→S₁→S₀（图3H），其中FC态弛豫仅需2.6 ps，S₁→S₀恢复为323.6 ps，且未观测到中间态。相较于二氯甲烷（DCM）中575-675 nm的窄ESA带，PBS体系展现出更宽泛的激发态吸收特征（图3C,F,G）。分子结构修饰（特别是甲氧羰基取代氮杂吲哚的引入）通过增强振动弛豫、降低S₁能级（符合能隙定律）并诱导吸收红移，最终实现高效非辐射衰变（kₙᵣ≈1）。对比IR786和Cy-OMe证实CyN-OMe J-聚集体具有三大特征：超快S₁衰变（<1 ns）、可忽略荧光（Φ_F<0.1%）及无三重态生成（k_ISC≈0），这些特性共同促成了其卓越的光热转换效率。

图4. CyN-OMe的细胞毒性和抗肿瘤机制

为探究CyN-OMe J-聚集体在NIR-II窗口的光热治疗效应，研究者通过自组装方法构建了载药脂质体系统（Lipo@CyN-OMe，图4A）。透射电镜显示Lipo@CyN-OMe呈规则球形，平均直径160±5 nm（图4B）；动态光散射测定其流体力学直径为192.7±1.3 nm，多分散指数0.196±0.012，zeta电位-21.76±0.45 mV（图4C），证实脂质体在分散介质中的均匀性与结构稳定性。体系在4℃下保持14天无聚集，且相较于游离J-聚集体，脂质体不仅维持特征吸收峰（λ_max=1030 nm），且摩尔消光系数提升约3倍，同时显著收窄吸收谱带半峰宽（图4D）。

为克服Lipo@CyN-OMe缺乏荧光成像能力的缺陷，引入Cy3作为示踪荧光团以监测脂质体颗粒的肿瘤细胞摄取。无光照条件下，0-10 μM浓度范围内细胞存活率超过80%；而在1064 nm激光（0.5 W·cm^-2）照射下，Lipo@CyN-OMe的高光热转换效率导致细胞存活率呈显著浓度依赖性下降（图4E,F）。为验证Lipo@CyN-OMe介导的NIR-II光热治疗具有更优的组织穿透能力，本文采用不同厚度（0-10 mm）鸡胸肉组织模拟屏障进行对比研究。1064 nm（NIR-II）照射组始终表现出比860 nm（NIR-I）治疗组更显著的治疗效果（图4G），证实NIR-II窗口在深部组织光热应用中的独特优势。

图5. CyN-OMe J-聚集体的体内治疗作用

接着研究者在荷瘤小鼠模型中评估了Lipo@CyN-OMe的光热治疗效果。活体光热成像显示：PBS+1064 nm激光组仅出现轻微温升（ΔT≈7℃），而Lipo@CyN-OMe+1064 nm激光组的肿瘤部位温度快速升高（ΔT≈21℃）（图5A,B），证实了该体系在体内的高效光热转换能力。为系统评估治疗效果，在肿瘤体积达100 mm³时将小鼠随机分为四组（n=5）：（i）PBS对照组、（ii）PBS+1064 nm激光组、（iii）Lipo@CyN-OMe组、（iv）Lipo@CyN-OMe+1064 nm激光组（图5C）。单次给药6小时后进行1064 nm激光照射（1 W·cm⁻²，10分钟），随后14天内隔日监测肿瘤体积与体重变化。结果显示（图5D-F）：所有组别均未出现显著体重下降；但相较于前三组肿瘤的快速生长，Lipo@CyN-OMe+激光组完全抑制了肿瘤进展，且后续观察期间未见复发（图5G）。

参考文献

Shi, Tiancong, et al. "Charge Transfer-Mediated J-Aggregates of Azaindole Cyanine with 160 nm Absorption Redshift for Efficient NIR-II Photothermal Tumor Therapy." ACS nano 19.30 (2025): 27845-27859.

原文链接

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c09082

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