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氰基染料通过自组装形成J-聚集体、H-聚集体等纳米结构，可抑制聚集态淬灭（ACQ），增强光热转换与ROS生成，并实现肿瘤靶向、微环境响应及多模态诊疗整合。目前需解决体内稳定性、批次重复性及复杂生理环境适应性等挑战。
作者：张迪|秦书恒|徐海|边慧|赵圆圆|程晓|郑金荣|彭晓军|尹俊勇
单位：南京工业大学生物技术与制药工程学院材料导向化学工程国家重点实验室，中国南京211816
摘要
花青素染料的独特光物理性质——强近红外（NIR）吸收、大的摩尔消光系数以及灵活的结构可调性——使其成为光热疗法（PTT）和光动力疗法（PDT）中重要的光敏剂。然而，游离的花青素染料存在一些固有缺陷，包括稳定性差、聚集引起的淬灭（ACQ）、产生的活性氧（ROS）量低以及清除速度快，这些严重限制了其在生物医学领域的应用。
分子自组装技术的最新进展为克服这些障碍提供了有效策略。通过π-π堆叠、疏水相互作用、静电结合、肽/蛋白质模板作用或金属离子配位，花青素染料可以被组织成高度有序的纳米结构，如J-聚集体、H-聚集体、纳米胶束和混合纳米组装体，这些结构具有精确可调的形态和光学性能。这些纳米组装体限制了分子的构象自由度，稳定了激发态，抑制了ACQ，并显著提高了ROS的产生量和光热转化效率。特别是J-聚集体能够使吸收带发生红移并变得更窄，从而改善了对深层组织的穿透性和能量利用效率。
除了提高PDT/PTT的效果外，自组装的花青素纳米结构还能自然地整合到多功能平台中，实现肿瘤靶向、对肿瘤微环境（TME）响应的激活、多模式成像以及联合治疗（如PTT-PDT协同作用、化学光疗、声动力疗法或免疫疗法）。尽管取得了这些进展，但仍面临一些挑战，包括在体内控制组装稳定性、实现批次间的重复性以及在复杂生理环境中的生物命运预测。
本文综述了花青素染料自组装的最新进展，重点介绍了组装机制、聚集体状态工程、结构-性质关系以及提高PDT/PTT疗效和联合癌症治疗策略。我们还讨论了现有的局限性以及将组装好的花青素纳米疗法转化为精准肿瘤治疗的未来机遇。这些发现突显了超分子工程在将传统花青素染料转化为稳健、多功能且具有临床意义的光热诊疗纳米平台方面的潜力。
引言
癌症仍然是全球发病率和死亡率的主要原因之一，传统的治疗方法（如手术切除、放疗和化疗）仍然存在系统性毒性、肿瘤选择性不足和治疗抵抗性等根本性问题[1]、[2]、[3]。相比之下，光动力疗法（PDT）和光热疗法（PTT）作为一种非侵入性策略显示出巨大潜力，因为它们具有时空精确性、侵入性小且系统副作用少[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。PDT依赖光敏剂，在受到激发后会产生活性氧（ROS），从而诱导细胞凋亡、坏死或免疫性细胞死亡[9]、[10]、[11]、[12]。而PTT则依靠将近红外（NIR）光转化为热能来不可逆地破坏恶性组织[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。尽管机制不同，但这两种方法都受到治疗剂的光学和物理化学性质的控制。
在各种光治疗分子中，花青素染料是一个特别重要的家族。花青素最早于1856年被报道，由两个杂环部分通过一个π-共轭的多甲基链连接而成，这种结构支持对其电子性质、吸收谱、电荷状态和疏水性的模块化调节[18]、[19]、[20]。花青素的强NIR吸收、狭窄的光谱带、高的摩尔消光系数以及优异的生物相容性使其在成像和治疗中得到广泛应用。吲哚菁绿（ICG）作为NIR荧光成像剂的临床批准进一步证明了这一类色素的转化潜力[21]、[22]、[23]。
然而，游离的花青素染料存在一些固有缺陷，严重限制了其在PDT和PTT中的应用[4]、[6]、[24]、[25]、[26]。它们灵活的多甲基骨架促进了π-π堆叠、构象松弛和非辐射耗散，导致光漂白、ACQ、ROS产生量低以及光热耐受性差[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。疏水性花青素容易聚集并失去产氧能力，而亲水性类似物则表现出有限的细胞摄取和肿瘤积累[33]、[34]、[35]、[36]。这些限制揭示了一个更深层次的光物理原理：
花青素染剂的治疗效果从根本上取决于其聚集状态。
近年来，聚集体状态工程——即有目的地将色素组装成明确的超分子结构——已成为克服这些限制的有效策略。花青素染料可以通过π-π相互作用[56]、[57]、[58]、疏水结合[47]、[48]、[59]、静电作用[39]、[60]、[61]、氢键[48]、[62]或金属离子配位[63]、[64]、[65]自组装成J-聚集体[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、H-聚集体[43]、[44]、[45]、[46]、纳米胶束[47]、[48]、[49]、[50]、配位组装体[51]、[52]、脂质体封装[53]、[54]、[55]以及肽/蛋白质诱导的纳米结构。这些纳米组装体限制了分子运动，抑制了ACQ，增强了光诱导电子转移（ISC），稳定了激发态，并显著提高了ROS的产生量和光热转化效率[66]。特别是J-聚集体使吸收带发生红移并变得更窄，从而改善了对深层组织的穿透性和能量利用效率。
重要的是，花青素纳米结构的纳米尺度和模块化特性为集成光热诊疗提供了天然基础[67]、[68]。它们的可调形态和表面化学性质允许结合肿瘤靶向配体、对TME响应的模块、免疫调节剂或化疗剂。它们的动态超分子特性可以通过酸度、缺氧、氧化还原梯度、酶或ROS来激活，实现选择性解体、可切换的光学输出和空间限制的治疗效果[69]、[70]。因此，花青素纳米组装体迅速发展成为能够进行多模式成像、协同PDT-PTT、化学光疗、免疫疗法和声动力疗法的平台。
尽管七甲基花青素（如ICG）具有强烈的NIR吸收，但其在体内的性能常常受到快速药代动力学和有效光子预算的限制。临床上，ICG的循环半衰期极短（约150-180秒；即几分钟），并通过肝胆途径迅速清除，这限制了其在体内的保留时间，从而缩小了实际成像/治疗的时间窗口[71]、[72]、[73]、[74]。迄今为止，ICG已被封装到多种纳米结构中，包括胶束、脂质体、合成聚合物纳米颗粒、磷酸钙和硅酸盐基质。值得注意的是，PEG化的聚合物纳米颗粒已被证明可以显著延长ICG的循环时间并延缓其在肝脏中的积累，最长可达约1小时，这突显了纳米结构在提高体内生物利用度和性能方面的作用。
此外，在荧光引导的设置中，临床相关的辐射暴露通常在约0-6 J cm-2范围内，这进一步限制了可传递的光剂量，从而加剧了光漂白、聚集引起的淬灭和ROS产生效率低的问题[75]。这些定量限制促使人们进行组装/聚集体状态工程，以在真实的体内条件下同时提高稳定性、保留时间和光化学/光热效率。尽管取得了这些进展，但在花青素纳米组装体实现广泛临床应用之前，仍存在关键挑战[76]、[77]。非共价组装的动态可逆性使得预测其体内稳定性和光物理行为变得复杂。将分子结构、组装路径、聚集形态和治疗结果联系起来的定量框架尚未完善。制造的可重复性、长期生物命运、与蛋白质和免疫成分的相互作用以及肿瘤异质性（包括缺氧、基质屏障和免疫抑制）的影响仍不甚清楚[77]、[78]、[79]。
鉴于这些机遇和瓶颈，本文系统地从聚集体状态调节的角度探讨了花青素纳米组装体。我们重点介绍了自组装策略、金属离子介导的聚集、载体限定的结构和生物分子驱动的组装的最新进展，强调了结构-性质关系以及提高PDT/PTT疗效和联合癌症治疗策略。我们还讨论了将这些组装好的花青素纳米疗法转化为精准肿瘤治疗的现有局限性和未来机遇。
示意图。展示了多种实现基于花青素的光热诊疗纳米平台的自组装机制。请注意：该示意图代表了一个通用的花青素框架；本文讨论的各种结构修饰并未在图中明确显示。
花青素染料的性质和结构
1856年8月26日，威廉·亨利·珀金申请了一种合成染料的专利——后来被称为品红，这通常被认为是第一种人工色素[80]。尽管之前也有其他人造染料的报道，但没有一种能够达到类似的商业成功或对新兴化学产业产生如此大的影响。值得注意的是，就在同年4月7日，查尔斯·格雷维尔·威廉姆斯向爱丁堡皇家学会展示了他的蓝色染料合成方法，这种染料后来被命名为...
用于光动力疗法的组装花青素纳米粒子的优势与设计策略
光敏剂是PDT疗效的关键决定因素[125]、[167]、[168]。理想的光敏剂在黑暗中应具有最低的毒性，在适当波长的光照射下能高效产生ROS，并在从正常组织中快速清除的同时显示出显著的肿瘤积累[169]。同时，它还应尽量减少对皮肤和眼睛的光敏性，以避免临床应用中的严重光毒性副作用[170]。
通过聚集体状态调节设计花青素纳米结构
J-聚集体是由染料分子“头对尾”滑动堆积形成的高度有序的激子组装体。这种独特的排列方式赋予了红移的吸收带、狭窄的光谱带宽、高的摩尔消光系数和优异的光稳定性，使其在光声成像、NIR-II荧光成像、PTT和PDT中表现出色。然而，在水环境中，大多数花青素染料更倾向于形成面对面排列的H-聚集体，这会导致荧光...
蛋白质诱导的花青素染料自组装
蛋白质，特别是血清白蛋白，已成为基于花青素的光敏剂的强大天然载体，为构建高性能的NIR-II成像和光治疗纳米探针提供了独特平台。白蛋白（如HSA、BSA）具有天然的生物相容性、生物降解性和极低的免疫原性，可以显著延长染料在体内的循环时间，并减少巨噬细胞的快速清除。此外，它们的疏水口袋...
自组装是有优势还是不可或缺的?
聚集体状态工程策略——包括传统的载体封装、共价固化以及内在的自组装——已被广泛用于提高花青素光敏剂的性能。虽然每种策略都取得了各自的成功，但它们的相对性能上限和机制限制存在根本差异。明确自组装是否提供额外的好处或代表了一种不可或缺的设计范式需要直接的机制研究...
结论与未来展望
在过去十年中，聚集体状态工程已成为克服花青素在PDT和PTT中固有局限性的有效策略。通过将花青素分子引导成明确的超分子结构（如J-聚集体、H-聚集体、纳米胶束、配位组装体和载体限定的纳米结构），研究人员实现了对激发态动力学、光诱导电子转移（ISC）和非辐射衰减的精确控制。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
J.Y. 感谢韩国国家研究基金会（NRF）的纳米与材料技术发展计划（由科学技术信息通信部（RS-2024–00407093）资助）以及韩国政府（MSIT）（2022R1A2C3005420）的支持。本研究还得到了中国国家自然科学基金（32301154）的资助。
