北师大闫东鹏＆北化工梁瑞政Nat. Commun.: 二维层状纳米光敏剂用于高效单线态氧生成和光动力学治疗

【引言】

研究表明，单线态氧在气相中拥有较长的存在寿命，可达一小时；在溶液态中的寿命为10^-6-10^-3秒。在所有的活性氧（ROS）中，单线态氧因为极高的活性和氧化性，在污水处理、光氧化催化和光动力治疗中都具有广阔的应用。由于单线态和三线态之间的自旋翻转限制，从O₂到¹O₂的转换过程在正常条件下很难发生，因而普遍需要借助光敏剂来有效地实现¹O₂产生。在过去的几十年中，包括有机染料、金属有机配合物和新型金属纳米粒子在内的多种光敏剂被开发出来。这些光敏剂或多或少都存在一些不足，比如亲水性较差和暗毒性等使得光敏剂的¹O₂产生效率较低，而限制了应用。近年来，石墨烯、硅材料和黑磷被用来产生¹O₂，并在光催化和光动力学治疗中取得了一些进展。但是，由于这些光敏剂在700nm以上长波长范围缺少吸收，导致组织穿透性较差，并会对活体造成光损伤。因而，开发近红外光激发的光敏剂在生物诊疗中具有很重要的意义，且极具挑战性。

【成果简介】

近日，北京师范大学闫东鹏教授和北京化工大学卫敏教授，梁瑞政副教授（共同通讯作者）等在前期无机有机杂化室温磷光材料的研究基础上，报道了一种近红外光激发的二维纳米超分子光敏剂，用于有效的双光子光动力学治疗。这种纳米复合物的单线态氧产率高达0.74。体外细胞实验证实其具有很好的抗肿瘤效果，IC₅₀为0.153 μg/mL。在小鼠实验中，纳米复合物表现出了很强的组织穿透能力、极低的生物毒性和很强的肿瘤抑制能力。这个工作为双光子激发的光敏剂的设计以及无机有机杂化室温磷光材料的三线态激子应用提供了新的思路。该成果以题为"Nano-photosensitizer Based on Layered Double Hydroxide and Isophthalic Acid for Singlet Oxygenation and Photodynamic Therapy"发表在Nat. Commun.上。并被期刊编辑部选为“Editors’ Highlights”。

【图文导读】

图1. 二维室温磷光插层纳米复合物作为双光子光敏剂产生¹O₂

图2. ¹O₂的产生和光谱表征

(a).BA/LDH, IPA/LDH, TA/LDH, PMA/LDH和MA/LDH纳米复合物在808nm激发光下的发射光谱

(b).BA/LDH, IPA/LDH, TA/LDH, PMA/LDH和MA/LDH纳米复合物产生¹O₂的荧光光谱

(c).随着光照时间增加，IPA/LDH, PMA/LDH和MA/LDH纳米复合物产生的单态氧使DPBF吸收强度下降情况

(d). ESR信号增强表明IPA/LDH纳米复合物产生的单态氧随着光照时间逐渐增加

图3. ¹O₂的产生效率和结构表征

(a).TEM图

(b).AFM图

(c).IPA/LDH的高度曲线

(d).随着光照时间增加，IPA, IPA(50%)/LDH，IPA(75%)/LDH和IPA(100%)/LDH纳米复合物使DPBF吸收强度下降情况

(e). 不同气体条件下， IPA/LDH产生单态氧使DPBF吸收强度下降情况

(f).IPA/LDH产生的¹O₂荧光光谱（以玫瑰红为参照）

图4. IPA/LDH在Hela细胞中的光动力学治疗效果

(a,b).IPA和IPA/LDH在黑暗中和光照下的细胞毒性

(c,d).IPA和IPA/LDH的Calcein-AM/PI染色图

(e). 对三组细胞进行DCFH-DA染色，表征细胞内ROS产率

(f).对DCFH-DA染色后的细胞进行流式定量分析

(g).Annexin V-FITC/PC双染色的流式细胞仪分析结果

图5. 体内生物分布和药物代谢动力学结果

(a).Cy5.5标记的IPA/LDH的荧光强度随血液循环时间的变化

(b).注射不同时间后的小鼠近红外荧光成像

(c).小鼠注射Cy5.5标记的IPA/LDH不同时间后，不同器官的荧光成像

(d). 注射不同时间后，小鼠体内IPA/LDH分布的定量分析

图6. IPA/LDH的体内光动力学治疗效果

(a).肿瘤生长曲线

(b).小鼠肿瘤生长情况监测

(c).小鼠肿瘤取出后照片

(d).肿瘤组织切片的染色

【小结】

在这个工作中，作者发展了一种新型近红外光激发的超分子光敏剂，利用层状金属氢氧化物（LDH）的二维限域效应增强了长寿命三线态激子，实现有效的双光子光动力学治疗。这种纳米复合物的单线态氧产率高达0.74，体外细胞实验证实其具有很好的抗肿瘤性质，IC₅₀为0.153 μg/mL。在小鼠实验中，纳米复合物表现出了很强的组织穿透能力、极低的生物毒性和很强的肿瘤抑制能力。该工作为双光子激发的光敏剂设计以及无机有机杂化室温磷光材料的三线态激子应用提供了新的思路。博士研究生高瑞和梅旭安为本项工作共同第一作者。

文献链接：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)

【作者简介】

闫东鹏教授简介：

闫东鹏，男， 2007年和2012年先后在北京化工大学获得理学学士和工学博士学位，师从段雪院士。2012年7月留校任教，被聘为副教授。2014年受聘北京师范大学化学学院教授，博士生导师。研究领域为无机超分子化学，自组装有序功能薄膜，分子晶态材料的光电功能调控等。近5年来，以通讯联系人在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等刊物发表SCI论文80余篇。他引2800余次，H-index 36（IF>5的论文59篇，18篇被期刊推选为文章封面或插图）。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”等形式进行评论和报道。担任无机和结构化学领域知名学术丛书“Structure and Bonding”第166卷Photofunctional Layered Materials共同卷主编，我国《应用化学》和《中国化学快报》等期刊青年编委，40余种国际学术刊物的审稿人或仲裁人，CryEngComm期刊评选的2016年Top 10审稿人。授权美国发明专利2项，国家发明专利18项。先后主持国家自然基金3项，北京市自然基金1项，参与科技部重大研究计划项目，入选北京市科技新星。获得北京市教委授予的北京市优秀博士论文，北京市高校成才表率，北京高校优秀共产党员等称号。

研究组前期磷光材料领域的相关论文：

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.

梁瑞政副教授简介：

梁瑞政，2005 年 9 月至 2009 年 6 月于广西大学获学士学位，2014 年于牛津大学博士联合培养，2015 年 6 月于北京化工大学段雪院士课题组获博士学位。2015 年 7 月开始任北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室副教授。主要研究兴趣包括光功能材料及生物医用材料的制备及性能研究。目前以第一或通讯作者在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Biomaterials、Chem. Sci.、Chem. Mater.等刊物发表SCI收录研究论文25篇，其中IF>10的5篇；10>IF>6的14篇。论文发表以来被SCI 期刊他引400 余次，其中5篇代表性论文单篇引用均超过50次（最高引用93次）。研究工作被Wiley Materials Views China (MVC) 官方网站、 RSC 官方网站、X-MOL及材料人等学术网站报道多次报道。作为负责人承担包括国家自然科学基金及北京市自然基金在内的各类基金5项，参与包括973课题在内的基金2项。荣获北京化工大学青年英才百人计划首批。

本文由材料人学术组gaxy供稿，材料牛整理编辑。  

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