大连理工大学樊江莉教授/孙文研究员：一种不受肿瘤组织粘度影响的硫取代半菁染料用于增强癌症光热治疗
光热治疗（PTT）通常利用光热试剂在近红外光照射下触发局部治疗，导致肿瘤细胞的不可逆消融，因其非氧气依赖性（克服乏氧）和高时空准确性而被认为是一种有效的癌症治疗方法。当前光热试剂大多基于转子机理以及TICT机制设计，易受到肿瘤不同组织粘度差异进而影响光热治疗效率。此外，菁染料用于光热治疗仍存在诸多问题如光热转换效率低，非肿瘤特定环境激活等。
鉴于此，作者通过以传统半花菁染料为母体将染料母核中的氧原子替换为硫原子构造了一类新型光热试剂平台（Scy，如图1所示）。硫原子的引入导致荧光大幅度降低，而相比传统半花菁染料光热转换效率大大提高。同时，通过高斯计算、光谱测试及活性氧监测探索了硫半菁的光热转换效率提高的原因是通过抑制辐射跃迁途径增强非辐射跃迁。
图1 单原子替换硫半菁染料增强光热治疗示意图
首先作者测试了硫半菁和氧半菁在不同浓度下的光热升温情况（图2），在同等浓度和光剂量下，硫半菁具有更好的光热的升温效果，同时具有较好的光热稳定性能，光热转换效率为48%，远高于传统菁染料光热试剂。随后作者将其与商业化光热试剂吲哚菁绿（基于TICT机制产生光热）对比，发现在不同粘度体系中，硫半菁的光热转换效率并不随着粘度的变化而变化。
图2（a）不同浓度硫半菁、氧半菁在500 mW/cm2下光热升温实验；（b）硫半菁在不同功率下光热升温实验；（c）硫半菁热循环实验；（d）红外热成像图；（e）硫半菁光热转换效率测定实验；（f）不同比例甘油和水下硫半菁光热升温实验
基于该新型光热试剂平台Scy，作者在染料的活性位点引入肿瘤过表达生物硫醇识别器（图3）猝灭荧光信号进而实现肿瘤专一性点亮。从图中可以看出该光敏剂对肿瘤细胞具有良好的抑制而对正常细胞没有影响，实现了区分肿瘤细胞和正常细胞从而实现精准治疗的目的。
图3（a）激活型光热试剂（Scy-DNBS）识别机制；（b）选择性实验；（c）GSH响应实验；（d）荧光滴定实验；（e-f）细胞毒性实验；（h）细胞活死染色实验
最后，作者将其应用于活体实验同样取得良好的效果（图4），实验组肿瘤明显被抑制，并且通过组织切片实验表明该光敏剂无明显毒副作用。
图4（a）活体红外热成像实验；（b）活体红外升温量化曲线；（c）不同实验组的肿瘤体积变化曲线；（d）不同实验组肿瘤重量；（e）不同实验组体重变化曲线
综上所述，本研究通过单原子替换构造了一个新型光热试剂平台Scy，研究发现该光热试剂不受肿瘤组织粘度影响。作者从激发态衰减路径解释了光热转换效率提高是由于辐射跃迁被抑制。基于该平台作者进一步构建了一例激活型光敏剂Scy-DNBS区分正常细胞和肿瘤组织从而实现了精准治疗。
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通讯作者简介
樊江莉，大连理工化工学院教授，博士生导师。国家杰出青年基金、优秀青年基金获得者，入选第三批国家“万人计划”领军人才、“青年长江”。科研工作围绕染料结构与性能关系研究，提出了增强型光诱导分子内电子转移机理；创制了肿瘤标志物、核酸等系列荧光识别染料；发展出系列荧光染料产品，在血液细胞分群等领域得到了产业化应用。发表SCI收录论文150余篇，授权国内外发明专利70项。担任Chinese Chemical Letters、Engineering、《应用化学》等学术期刊青年编委，2021年起任Dyes and Pigments编委。参与国家自然科学基金委化工学科中长期及“十四五”战略研究报告撰写。科研成果曾获多项国家和省部级科技奖励。2020年荣获中国青年科技奖。
孙文，大连理工大学精细化工国家重点实验室教授、博士生导师。国家优秀青年基金获得者。任中国石油和化学工业联合会高端专用化学品理事会副秘书长、中国化工学会精细化工专业委员会青年委员，入选“辽宁省百千万人才工程”培养计划。针对环境、生命科学中一系列分析检测及肿瘤治疗的关键科学问题，近年来开展了以功能染料为核心用于疾病检测及光驱动治疗的研究工作。共发表SCI论文40余篇包括Chem. Rev., Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Biomaterials 等。SCI引用4500余次，H 因子35。获2019年度中国石油和化学工业联合会科技进步一等奖(5/9).
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