近红外I型光敏剂卡在“红移”与“产氧”之间#

近红外光动力治疗利用深层组织穿透优势，在精准肿瘤治疗中很有吸引力。但现有近红外光敏剂，如卟啉、花菁和BODIPY衍生物，大多走II型路线，依赖氧气产生单线态氧。肿瘤微环境常常缺氧，这类光敏剂的疗效会大打折扣。I型光动力治疗通过电子转移产生超氧阴离子（O₂•⁻）和羟基自由基（OH•）等自由基，对氧气依赖低，更适合实体瘤。问题在于，要让吸收红移到近红外，通常需要缩小能隙。根据能隙定律，能隙越小，非辐射热弛豫越快，系间窜越（ISC）和辐射衰变被压制，I型活性氧（ROS）生成效率就上不去。近红外吸收和I型ROS生成之间，存在一个很难绕开的权衡。

H聚集体提供了一条超分子思路。H聚集体通过面对面π–π堆积，抑制辐射荧光，把激发态能量重新分配到其他衰减通道，有利于三重态布居和分子间电荷转移，这两点都对I型ROS生成有利。但传统H聚集体由对称构筑单元平行堆积形成，激子分裂过大，吸收大幅蓝移，同时低能暗态促进热失活，反而削弱光化学效率。作者想设计一种反平行H聚集体，让激子分裂小、吸收蓝移小，同时保留近红外吸收和I型ROS生成能力。

Scheme.1 Schematic of hierarchically molecular programming of antiparallel H-aggregates for NIR-excitable photosensitizers. (a) Schematic of the comparison between conventionally parallel-packed H-aggregates assembled from symmetric building blocks and the antiparallel H-aggregates with small absorption blueshift assembled from D-π-A molecules. (b) Schematic of the hierarchical design of TNCF3 H-aggregates with strong NIR absorption and efficient type I ROS generation. (c) Schematic of side-chain mediated H-packing regulation for enhanced type I ROS generation.

一级编程：延长π桥、增强受体，造出反平行H堆积#

作者在给体-π-受体（D-π-A）骨架上做分子编程。给体选用螺旋桨状甲氧基三苯胺，π桥从短平面噻吩延长为刚性更强的二噻吩并[3,2-b<2>′,3′-d]吡咯，受体从CN增强为三氟甲基取代的CF3，目的是红移吸收并促进反平行H堆积。由此得到三个分子：TSCN、TNCN-C6-C2和TNCF3-C6-C2。DFT计算显示，这些分子呈扭曲-平面几何：三苯胺给体保持扭曲，π桥和受体接近共面，为面对面反平行H堆积打下基础。HOMO定域在给体/π单元，LUMO主要在受体单元，π桥延长和受体增强逐步缩小HOMO-LUMO能隙，吸收从TSCN到TNCN-C6-C2再到TNCF3-C6-C2依次红移。TNCF3-C6-C2在四氢呋喃中吸收峰位于764 nm，摩尔消光系数达1.06 × 10⁵ L·mol⁻¹·cm⁻¹。

在四氢呋喃/水混合体系中，TNCN-C6-C2聚集后吸收从688 nm蓝移到663 nm，TNCF3-C6-C2从764 nm蓝移到749 nm。两者都表现出明确的H聚集特征，但蓝移幅度很小：TNCN-C6-C2约25 nm，TNCF3-C6-C2约15 nm。封装成DSPE-PEG2000纳米颗粒后，TNCF3-C6-C2 NPs吸收峰在730 nm，相对于单体蓝移34 nm，仍保留较强的近红外吸收。TSCN在整个聚集过程中吸收变化很小，没有明显H聚集。荧光行为也支持这一判断：TSCN因三苯胺的AIE特性，聚集后荧光增强；TNCN-C6-C2和TNCF3-C6-C2聚集后荧光持续猝灭，符合H聚集阻断辐射衰变的特征。

Fig.1 (a) Schematic illustration of extending π bridge and strengthening electron acceptor to design the D-π-A typed H-aggregates with strong NIR absorption and minimal absorption blueshift. (b) The calculated distributions of HOMO and LUMO and the HOMO-LUMO energy gaps of TSCN, TNCN-C6-C2, and TNCF3-C6-C2 molecules. (c) The calculated ESP distributions of TSCN and TNCF3-C6-C2 molecules. (d) The absorption spectra of TSCN, TNCN-C6-C2, and TNCF3-C6-C2 molecules in THF solutions as monomeric states. (e) The maximum absorption wavelength (Absmax) changes of TSCN, TNCN-C6-C2, and TNCF3-C6-C2 molecules during the aggregation in THF/water mixtures with increased water fractions. (f) The absorption spectra of TSCN, TNCN-C6-C2, and TNCF3-C6-C2 molecules in THF/water mixture with a water fraction of 99%. (g) Fluorescence intensities changes (I/I0) of TSCN, TNCN-C6-C2, and TNCF3-C6-C2 molecules in THF/water mixtures with increased water fractions.

Fig.2 (a) Schematic illustration of photo-properties with encapsulated H-aggregates as nanoparticles. (b) The nanoparticles (NPs) size distribution of TNCN-C6-C2 and TNCF3-C6-C2, detected by DLS. Data were presented as mean ± standard deviation (SD), n = 3. (c) The normalized absorption spectrum and the relative absorption blueshift of TNCF3-C6-C2 monomer and NPs. (d) The absorption spectrum of TNCN-C6-C2 NPs, and TNCF3-C6-C2 NPs in water. The relative fluorescence intensity changes (I/I0) of (e) DCFH, (f) DHR123, and (g) HPF in the presence of TNCN-C6-C2 NPs, and TNCF3-C6-C2 NPs under 808 nm laser irradiation. (h) The temperature elevation curves of TNCN-C6-C2 NPs, TNCF3-C6-C2 NPs, and water under 808 nm laser irradiation and the calculated PTE of TNCF3-C6-C2 NPs. (i) The photothermal stabilities of TNCF3-C6-C2 NPs and ICG during 5-times heating-cooling cycles with the commercial dye ICG as a comparison. (j) The photostability of TNCN-C6-C2 NPs and TNCF3-C6-C2 NPs with commercial dyes of ICG as comparison.

二级编程：支链侧链让H堆积更紧、ISC更强#

一级编程解决了近红外吸收和反平行H堆积，但作者发现一个矛盾：TNCF3-C6-C2 NPs近红外吸收更强、光热性能更好，I型ROS生成却弱于TNCN-C6-C2 NPs。这说明单靠诱导H聚集，不足以同时最大化近红外吸收和I型ROS。于是作者在π桥上做侧链工程，作为二级编程。他们系统改变烷基侧链的支链化和长度，从不对称支链C6-C2出发，合成无支链C6、对称支链2C6，以及对应的C8系列。

所有TNCF3衍生物在单体状态下吸收和发射几乎相同，说明侧链不改分子电子结构。聚集后，所有衍生物都保持H堆积倾向，但支链越庞大，蓝移越小：无支链C6、C8约40 nm，对称支链2C6、2C8约15 nm。封装成纳米颗粒后，TNCF3-2C6 NPs和TNCF3-2C8 NPs蓝移仅约20 nm，例如TNCF3-2C6单体和NPs分别为764 nm和744 nm。ROS生成随支链化增强，对称支链TNCF3-2C6 NPs的ROS生成比初始TNCF3-C6-C2 NPs增强约2倍，比无支链TNCF3-C6增强约2.5倍。TNCF3-2C6 NPs的DHR123和HPF荧光增强分别约100倍和29倍，以I型ROS为主。C8系列趋势类似，但TNCF3-2C8不如TNCF3-2C6，说明侧链过长反而不利。

Fig.3 (a) Schematic illustration of side-chain engineering programmed H-aggregates to regulate ROS generation. (b) The absorption spectra of TNCF3-R derivatives with different side chain molecules in THF. (c) Absmax changes of these TNCF3-R derivatives in THF/water mixtures with increased water fractions. (d) The hydrodynamic sizes and (e) absorption spectra of TNCF3-R NPs with different side chains. (f) The normalized absorption spectra of TNCF3-2C6 in monomer and NPs formats. The relative fluorescence intensity changes (I/I0) of (g) DCFH, (h) DHR123 within different side-chain nanoparticles (NPs). (i) The temperature elevation of different side-chain NPs.

单晶和理论揭示：支链让分子更平、堆积更紧#

为了解释侧链效应，作者拿到了TNCF3-C6和TNCF3-C6-C2的单晶，但TNCF3-2C6因长烷基链未能得到单晶。单晶结构显示，无支链TNCF3-C6呈香蕉形，给体和受体向π桥同侧弯曲，二面角分别为12.52°和11.76°，二聚体π–π面间距约4.10 Å，质心距离约8.70 Å，堆积较松。支链TNCF3-C6-C2呈S形，给体和受体向相反方向弯曲，二面角更小，为8.21°和9.85°，分子更平面。其二聚体采取面对面H型堆积，质心距离约3.40 Å，面间距约3.33 Å。TNCF3-C6-C2还存在独特的分子间N···S相互作用，距离2.95–3.05 Å，而无支链类似物没有。这些多维相互作用让H堆积更稳固、更有序。

理论计算表明，TNCF3-C6-C2二聚体的自旋轨道耦合（SOC）常数大于TNCF3-C6，有利于三重态布居。TNCF3-C6-C2的电子分布更弥散，电子-空穴分离距离更大（5.59 Å vs 4.24 Å），分子间电荷转移特征更强。这些因素共同解释了支链侧链为何能增强I型ROS：更平面的分子、更紧的H堆积、更强的ISC和电荷转移。

Fig.4 (a) Schematic of the side-chain engineering in regulating H-packing structures and corresponding phototherapy properties. The monomer and dimer configurations of (b) TNCF3-C6 and (c) TNCF3-C6-C2 extracted from the single crystal structures. (d) The interchain interactions of TNCF3-C6-C2 and TNCF3-C6 in single crystals. (e) The calculated energy levels and SOC constants for TNCF3-C6-C2 and TNCF3-C6 dimers. (f) The calculated hole and electron distributions of TNCF3-C6 and TNCF3-C6-C2 dimers.

低氧下仍有效，小鼠肿瘤抑制率达90.7%#

优化后的TNCF3-2C6 NPs被用于细胞和动物实验。4T1乳腺癌细胞中，808 nm激光照射下，常氧和低氧条件都产生明显ROS，低氧下荧光强度约为常氧的71%。MTT实验中，常氧下IC50为7.16 µM，低氧下为9.52 µM。活/死染色和流式细胞术显示，常氧下凋亡细胞比例76.17%，低氧下仍有68.71%。维生素C预处理大幅削弱光毒性，说明ROS介导的光化学是主要杀伤机制。

体内实验用4T1荷瘤BALB/c小鼠，瘤内注射TNCF3-2C6 NPs后808 nm激光照射10分钟，肿瘤温度升至42.7°C，PBS+激光组仅34.0°C。14天后，TNCF3-2C6 NPs+激光组肿瘤抑制率达90.7%，肿瘤重量仅0.06 g，H&E、Ki-67和TUNEL染色都显示最强的肿瘤细胞坏死和凋亡。各组小鼠体重无明显变化，心、肝、脾、肺、肾H&E染色正常，血液学指标和肝肾功能与PBS组相似，初步显示生物安全性。

Fig.6 (a) In vivo infrared thermal images of temperature elevation and (b) corresponding temperature elevation curves of TNCF3-2C6 NPs or PBS treated tumors under 808 nm laser irradiation (0.5 W/cm2). (c) The relative tumor volume growth curves of mice from different groups. (d) The photograph and (e) weights of extracted tumors from different groups at day 14. (f) The body weight changes of mice from different groups. (g) H&E, Ki-67, and TUNEL staining images of the mice tumors from different groups, scale bar = 100 µm. Data were presented as mean ±SD, n = 5.

这套分层编程解决了什么，还留下什么#

这项工作把近红外吸收和I型ROS生成之间的权衡，拆成两个层次来处理：一级编程通过π桥延长和受体增强，让不对称D-π-A分子形成反平行H聚集体，把吸收蓝移压到很小；二级编程通过侧链工程，用支链促进分子平面化和紧密H堆积，增强ISC和分子间电荷转移，进一步提升I型ROS。TNCF3-2C6 NPs蓝移仅20 nm，ROS比初始H聚集体增强约2倍，在常氧和低氧下都能有效杀伤肿瘤细胞，小鼠肿瘤抑制率达90.7%。

边界也很清楚。TNCF3-2C6的单晶没有拿到，侧链调控机制的推断部分依赖TNCF3-C6和TNCF3-C6-C2的单晶，对称支链的最优结构还缺少直接晶体学证据。体内实验只在小鼠4T1模型上完成，瘤内注射和808 nm激光照射的条件与临床场景差距较大，长期毒性、药代动力学、大动物验证和规模化制备都未涉及。H聚集体的胶体稳定性在PBS中观察了7天，但更长期的储存和体内代谢稳定性仍需评估。此外，光热效应和I型ROS生成在治疗中的相对贡献没有完全拆分，低氧下仍有68.71%凋亡细胞，但氧分压进一步降低时性能如何，尚不清楚。

这项工作的真正推进，是证明超分子分层编程可以在不牺牲近红外吸收的前提下，把H聚集体从“光热为主、ROS不足”变成高效I型光化学平台。下一步要回答的是：这种反平行H堆积策略能否推广到其他D-π-A骨架，对称支链的最优堆积能否直接解析，以及近红外I型光敏剂能否在更接近临床的深部肿瘤和转移模型中保持疗效。