室温合成的纳米尺度COFs用于光动力和光热联合治疗

共价有机框架(COF)是近年来发展起来的一类有机晶态多孔材料¹，并被广泛用于催化、分离等领域。就生物医学应用而言，COF至少具有以下优势²：

首先，COF具有大直径的规则孔道。得益于COF的长程有序结构，COF的孔道直径通常大于20 Å。这显然有利于装载较大尺寸的功能分子，特别是具有大范围共轭结构的有机染料(如酞菁、BODIPY、花菁等)。

其次，COF表面未反应的官能团使得COF容易进行表面功能化。从合成反应的角度而言，COF本质上是由具有活性官能团的有机单体之间的缩聚反应形成的，显然会在末端保留来自单体的活性官能团(键合缺陷³)。原则上，这些键合缺陷可以进一步修饰以实现表面功能化。

最后，大多数COF不含金属，可能具有更高的生物相容性，有效避免含金属纳米材料引起的潜在毒性。

但已报道的COF往往具有较大的颗粒尺寸(通常大于1 μm)，这使得COFs在生物医学中的应用受到严重限制。纳米尺度COF(NCOF)的报道并不多见。已经开发了一些方法制备NCOF，如聚合物辅助溶剂热法⁴、大功率超声剥离^5,6、空间位阻诱导的化学剥离^7,8、模板法^9–11等。这些方法往往需要苛刻的合成条件，合成产量低，这使得关于NCOF肿瘤治疗的报道非常少见。因此，在环境条件下大规模合成NCOF非常重要。

最近，我们在室温条件下制备了粒径~140 nm的NCOF纳米颗粒，并通过“键合缺陷功能化”和主客体包封的方法分别将卟啉光敏剂和萘酞菁光热剂修饰到NCOF平台，实现肿瘤的光动力和光热的联合治疗。

如图1，在室温下以1,3,5-三(4-氨基苯基)苯和2,5-二甲氧基苯-1,4-二甲醛为原料，借助乙酸和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，在乙腈溶剂中合成了亚胺键连接的纳米尺度TPB-DMTP-COF(1)。与传统的溶剂热方法不同，这种方法不需要溶剂热和惰性气氛等严苛的反应条件，非常容易按比例放大到克级规模。COF-Por (2)是通过1上的自由端基–CHO与氨基卟啉(Por)光敏剂在1,4-二氧六环中反应得到的。将2浸入光热剂萘菁氧钒(VONc)的N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)溶液中，可以容易地获得主客体超分子系统VONc@COF-Por(3)。

图1. 材料设计与合成。

(A) 材料设计的思维导图。

(B) 合成示意图。

如图2，3中各个组分的结构关系如图2A所示。所得纳米材料的结构与光谱学性质进一步通过粉末X射线衍射、傅里叶变换ATR红外光谱、顺磁电子共振、紫外–可见吸收光谱、氮气吸附与脱附实验证实。

图2. 材料表征。

(A) 材料结构示意图。

(B) 克级规模的NCOF室温合成。

(C) 粉末X射线衍射。

(D) 傅里叶变换ATR红外光谱。

(E) 电子顺磁共振。

(F, G) 紫外–可见吸收光谱。

(H) 氮气吸附等温线。

材料的微观形貌和流体力学性质如图3所示。纳米颗粒具有~140 nm的均匀粒径，较高的Zeta电位暗示其优异的分散性和胶体稳定性。

图3. 微观形貌与流体力学性质。

(A) 扫描电镜与透射电镜照片。

(B) 动态光散射和多分散系数。

(C) Zeta电位。

在化学环境中，检测了红色LED灯照射下的光动力性能(图4)、808 nm激光器照射下的光热性能(图5)。数据表明，两种光源独立的负责光动力和光热性质。重要的是，3的光热转换效率高达55.9%，这在基于卟啉、酞菁及其类似物的光热体系中处于领先位置。

图4 光动力性能。

(A) 诱导产生1O2的机理。

(B) DPBF探针检测红色LED诱导的¹O₂的生成。

(C,D,E) 不同光源照射下DPBF的紫外–可见吸收光谱。

图5 光热转换性能。

(A) 光热性质的浓度依赖性。

(B) 光热性质的光功率密度依赖性。

(C) 不同光源照射时，分散液的热成像。

(D) 不同光源照射时，分散液的温度变化。

(E) 通过On-Off循环实验验证材料的光热稳定性。

红色LED诱导的光动力治疗和808 nm激光诱导的光热治疗通过细胞水平的MTT实验、钙黄绿素-AM/碘化丙啶染色实验、细胞划痕实验评估，证实联合治疗的优越性(图6)。进一步的实验结果表明所得纳米材料对线粒体和溶酶体均有不同程度的损伤(图7)。

图6. 体外抗肿瘤活性。

(A) 细胞活力测定。

(B) 不同治疗方法的IC50。

(C) 通过抑制剂验证不同疗法的联合。

(D) 钙黄绿素-AM/碘化丙啶染色实验。

(E) 细胞划痕实验。

图7. 激光共聚焦成像研究抗肿瘤机理。

(A) 利用SOSG荧光探针检测细胞内¹O₂。

(B) 利用JC-1荧光探针评估细胞线粒体膜电位。

(C) 利用CM-H₂ros荧光探针评估线粒体氧化应激。

(D) 利用AO荧光探针评估溶酶体膜完整性。

最后，还在动物实验中评估了所得材料的抗肿瘤性能(图8)。联合治疗几乎完全治愈了荷瘤裸鼠，没有不可恢复的皮肤损伤。

图8. 异种移植物模型上的动物实验。

(A) 动物实验治疗方案。

(B) 治疗结束后的肿瘤照片。

(C) 肿瘤体积曲线。

(D) 治疗结束后的肿瘤质量。

(E) 治疗期间的动物体重。

信息来源:官群李延安董育斌

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