研究亮点
- •应用结构优化策略开发了基于NBSD的下一代荧光探针
- •NBSD-Cy-OH表现出增强的光物理特性和光动力治疗(PDT)效果
- •本研究为基于NBSD的诊疗平台建立了多功能设计原理
摘要
用于同时成像和治疗的多功能荧光探针的开发已成为精准医学中的重要研究课题。硝基苯并硒二唑（NBSD）是一种含硒(Se)的偶极荧光探针，具有强分子内电荷转移(ICT)特性，能够同时实现荧光成像和活性氧(ROS)介导的光动力治疗(PDT)。在本研究中，我们引入了一种结构优化策略，用于开发具有增强光学性能和治疗效果的NBSD衍生物。通过修饰电子供体位点来调控ICT并改善水溶性，我们系统地设计了三种衍生物：NBSD-Me、NBSD-Cy和NBSD-Cy-OH。其中，NBSD-Cy-OH表现出优异的荧光强度、在水介质中的光稳定性、水溶性以及光照下的ROS生成能力。理论计算进一步证实，NBSD-Cy-OH具有最高的系间窜越(ISC)速率，这支持了其改进的PDT效果。这些发现确立了结构优化方法作为开发下一代诊疗荧光探针的强大设计原则。
引言
荧光材料因其在成像、诊断和治疗等领域的广泛应用，在化学、生物学和医学等多个科学学科中获得了广泛关注。其中，硝基苯并硒二唑（NBSD）作为硝基苯并二唑（NBD）的硒（Se）类似物，因其卓越的光物理和光化学特性而成为一种有前景的荧光探针。NBSD可以作为生物成像荧光探针和通过生成活性氧（ROS）进行光动力治疗（PDT）的强效剂（图1a）。从结构上看，NBSD是一种具有电子供体-受体（D-A）架构的偶极染料，可促进分子内电荷转移（ICT）。这一特性允许通过修饰电子给体取代基来调节发射波长，从而精确控制其光学特性。这种结构多功能性使NBSD高度适用于各种生物医学应用（见图S1中的代表性NBSD衍生物）。最近，由于NBSD具有双重功能：它既表现出用于成像的强荧光，又通过ROS生成展示了PDT潜力，因此引起了越来越多的关注。这一特性对于癌症诊断和治疗特别有利，因为它能够在光照下实时监测肿瘤部位，同时诱导细胞毒性效应。NBSD在光激活下生成ROS的能力进一步增强了其治疗效果，提供了一种非侵入性方法，可以选择性地靶向恶性细胞，同时尽量减少对周围健康组织的损伤。
最近，几种NBSD衍生物已被报道为代表性诊疗剂（图1b）。例如，NC是一种基于NBSD的纳米复合物，在肿瘤微环境中被选择性激活。激活后，它恢复荧光并生成ROS，用于有效的成像引导PDT。在另一个例子中，NBSD-Chol被开发为一种受脂蛋白启发的、原位可激活荧光探针，通过低密度脂蛋白（LDL）受体介导的摄取实现口服给药和肿瘤特异性积累。通过在血液中与载脂蛋白形成类脂簇，该试剂在胶质母细胞瘤模型中展示了有效的肿瘤成像和PDT效果。
脂化NBSD衍生物也表现出改善的水相兼容性和细胞摄取，反映了持续努力提高水分散性的进展。然而，这些方法尚未完全解决NBSD衍生物在水环境中的固有聚集问题。因此，需要进一步优化，以在改善水相兼容性的同时保持NBSD结构的单体状态。理解电子结构与光动力活性之间的关系对于优化其在实际应用中的性能至关重要。
在本研究中，我们通过引入偶极结构修复策略来探索NBSD的基本光物理特性，该策略在电子供体位点"抑制水分子配位"，同时在电子受体位点"增强ICT"（图1c）。当水分子通过氢键在电子供体位点配位时，它们降低了胺基团的电子推动力，并削弱ICT过程，导致荧光强度降低和非辐射衰减增加。因此，这种相互作用对荧光效率和光动力性能（如ROS生成）都有负面影响。
十年前，Ahn及其同事报告了"结构修复"的概念，通过引入环己胺部分来最大化荧光探针的偶极特性，这有效地抑制了电子供体位点的水分子配位。基于这一概念，我们研究团队最近一直致力于开发新的基于NBSD的荧光探针骨架并阐明其光物理特性。在本研究中，我们采用对羟基环己烷部分，受Ahn设计策略的启发，进一步优化NBSD框架。羟基主要是为了增强水溶性和改善水相兼容性，最终导致更好的光物理性能，并在生物成像和PDT中具有潜在应用性（图1c）。这种偶极结构修复通过平衡电子给体和电子受体相互作用增强了ICT效应，从而提高了荧光效率和用于ROS生成的ISC。因此，它作为具有优越光学和光动力特性的下一代NBSD骨架。我们预计这些发现为先进NBSD类似物的设计以及新型分子传感系统和治疗材料的开发提供了基础性见解。
NBSD衍生物的合成与表征
NBSD衍生物通过NBSD-F和胺衍生物之间的胺偶联反应制备（图2a）。所有偶联反应均在氩气气氛下进行。合成化合物的NMR（1H、13C）、分子质量和衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）数据见支持信息。
设计、合成与光物理特性
通过遵循先前报道的合成路线的三步反应序列，合成了三种NBSD衍生物（NBSD-Me、NBSD-Cy和NBSD-Cy-OH）（图2a）。通过1H和13C NMR光谱、高分辨质谱（支持信息）和衰减全反射傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱对合成的化合物进行了表征（图S2）。
NBSD的核心结构和硝基部分具有强电子受体单元，而电子供体部分则提供电子。
结论
在本研究中，我们成功应用结构修复策略设计并优化了基于NBSD的偶极荧光探针，增强了其在水介质中的荧光和PDT治疗效果。通过引入空间位阻胺取代基和羟基官能化环己基，我们合成了三种NBSD衍生物（NBSD-Me、NBSD-Cy和NBSD-Cy-OH），并通过实验测量和理论计算系统研究了它们的结构-性能关系。
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