恒光讲堂｜近红外二区NIR-II光热抗菌治疗——通过调控纳米粒分子间的电荷转移实现

2022-01-06 20:27:52, 恒光智影上海恒光智影医疗科技有限公司

本文要点：随着对NIR-II领域研究的深入，近年来人们尝试设计出具有高热转化率的NIR-II光热剂（PTA）。然而，尽管人们进行了大量的尝试，但目前在这方面的研究进展却比较缓慢。作者课题组介绍了一种可以通过改变不同的电荷供体和受体来改变纳米粒的光吸收值，让其吸收峰可以从NIR-I红移到NIR-II 。值得注意的是，当电荷供配体变为苝和四氰代对二亚甲基苯醌时，组成的纳米粒最大吸收峰在1040 nm，光热转化率可以达到42%。同时，纳米粒具有对革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌的抗菌作用。

通过前期的筛选，作者使用目前市场上售卖的电荷供配体，制备出三种不同的纳米粒，并进行后续实验（图1）。

图1：电荷转移纳米粒的光热效应图。

首先，作者制备出电荷转移的纳米粒，并在其基础上修饰PEG-2000增强溶解性（图2A）。电荷供体选择上，作者选择了常见的冠烯(COR)、苝(PER)和二苯并四硫芴(DBTTF)，电荷受体则选择了四氰喹啉二甲烷(TCNQ)。电镜下可见，由PER-TCNQ组成的纳米粒可以在水中均匀分布，平均粒径为164 nm（图2B）。通过计算，我们发现三种不同组合纳米粒的能隙分别为COR-TCNQ：1.41 eV；PER-TCNQ：1.22 eV；DBTTF-TCNQ：1.08 eV（图2C）。电荷转移供受体之间的能量差距会对分子的吸光能力产生影响。于是，作者分别对四种材料和由其组成的三种纳米粒测定吸光谱图（图2D）。结果如作者预测的那样，四种材料单独的吸光谱图在500 nm以上均无吸光曲线，但当其组成纳米粒后，均发生明显的吸收红移，COR-TCNQ（710 nm）；PER-TCNQ（1040 nm）；DBTTF-TCNQ（1600 nm）。

图2：A) CT NPs制备示意图。B) PER-TCNQ NPs分散在水中的粒径和电镜图像。C)计算得出的三种纳米粒的能量间隙差值。D)四种材料本身及其组成的三种CT NPs的吸收光谱。E) CT NPs的P-XRD表征。

因为PER-TCNQ NPs在NIR-II有较强的吸收峰，因此作者选择它来用于后续光热实验。在1064 nm激光照射下，PER-TCNQ NPs水溶液在照射12分钟后，溶液可以迅速升温至34 ℃，而PER和TCNQ单独纳米溶液没有这样的光热效应（图3A）。同时，当增加PER-TCNQ NPs的浓度，或增加照射时间和功率，均可以增强PER-TCNQ NPs的光热效应。（图3B-D）。作者通过比较PER-TCNQ NPs在激光照射前后的吸光光谱，证明其具有很好的光热稳定性（图3E）。同时，作者还将PER-TCNQ NPs进行了连续5次的加热和冷却测试，测定了经过5个循环的加热和冷却过程，PER-TCNQ NPs依然具有良好的光稳定性（图3F）。

图3：A) PER-TCNQ NPs、PER NPs、TCNQ NPs和水在1064 nm激光(1 W/cm2)照射后的温度变化曲线。B)不同浓度PER-TCNQ NPs的红外热成像图，C)不同浓度PER-TCNQ NPs的温度变化曲线。D)PER-TCNQ NPs (50 mg/mL)在不同功率密度的激光照射下的温度变化曲线。E) PER-TCNQ NPs在1064 nm激光照射(1 W/cm2)下5次加热/冷却循环前后的吸收光谱和F)温度变化曲线。

因为PER-TCNQ NPs具有优异的光热效应，因此作者测定了其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌能力。分别将0、5、10、15、20 mg/mL浓度的PER-TCNQ NPs在黑暗条件下与金黄色葡萄球菌和大肠杆菌共孵育15 min，再照射1064 nm激光15分钟，测定细菌的存活率。在PER-TCNQ NPs浓度为 20 mg/mL时，金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的存活率均接近0，表明PER-TCNQ NPs具有良好的抗菌能力（图4）。

图4: PER-TCNQNPs(0、5、10、15、20mgmL1)在1064 nm激光照射下(1W/cm2)对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌活性及其对应的SEM图像。

作者制作了一张形似太极图案的PDMS薄膜，在一部分添加PER-TCNQ NPs，来验证能否通过激光来进行抗菌实验（图5A，B）。在1064 nm（1 W/cm2）激光开始照射后，作者通过热成像仪对这张PDMS薄膜进行成像（图5C）。最终，作者发现只有在添加了PER-TCNQ NPs的薄膜上，照射了激光后可以抑制大肠杆菌生长活性（图5D）。这些结果表明，PER-TCNQ NPs具有不错的激光调控抗菌应用开发前景。

图5：A)太极图案的PDMS薄膜抗菌效果示意图。B)PDMS薄膜阴极掺杂有PER-TCNQ NPs，而阳极仅含有PDMS。C)PDMS薄膜的光热成像图。D)PDMS薄膜阴极和阳极上大肠杆菌的菌落形成单位(CFU)。

结论：作者通过实验证明，通过调节电荷供受体之间的能隙带，可以设计出具有电荷转移效应的纳米粒。它们具有高效的光热效应，带来抗菌作用。这些新设计出的纳米粒在未来或许可以拥有更广泛的应用市场。

参考文献

Tian S, BaiH, Li S, Xiao Y, Cui X, Li X, Tan J, Huang Z, Shen D, Liu W, Wang P, Tang BZ,Lee CS. Water-Soluble Organic Nanoparticles with Programable IntermolecularCharge Transfer for NIR-II Photothermal Anti-Bacterial Therapy. Angew ChemInt Ed Engl. 2021 May 17;60(21):11758-11762.

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