KR20230174847A - Nano-theranostics for single-laser-activated phototherapy having mitochondria specificity - Google Patents

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KR20230174847A
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김종승
신진우
구세영
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 하기 [화학식 1]로 표시되는 화합물을 포함하는 감광제에 관한 것이다:
[화학식 1]
.
The present invention relates to a photosensitizer containing a compound represented by the following [Chemical Formula 1]:
[Formula 1]
.

Description

미토콘드리아에 특이적인 단일 레이저 활성 광치료용 나노테라노스틱스 {Nano-theranostics for single-laser-activated phototherapy having mitochondria specificity}{Nano-theranostics for single-laser-activated phototherapy having mitochondria specificity}

본 발명은 미토콘드리아에 특이적인 광치료용 나노테라노스틱스에 관한 것이다.The present invention relates to nanotheranostics for mitochondria-specific light therapy.

광역학 요법(Photodynamic therapy, PDT)은 악성 종양 치료를 위한 비침습적이고 안전한 치료 방식으로 주목받고 있으며, 반응성 산소종(ROS)을 생성하기 위해 감광제(photosensitizers, PS)의 광 매개 활성화에 의존하는 치료법이다. 생성된 ROS는 DNA 및 단백질 손상을 통해 종양 조직에 심각한 산화적 손상을 유발하고 암세포의 세포 사멸을 유발한다. 그러나, 종양 저산소증(tumor hypoxia) 및 생성된 ROS의 짧은 수명과 같은 본질적 제한에 의해 그 치료 효과가 제한된다는 문제점이 존재한다. Photodynamic therapy (PDT) is attracting attention as a non-invasive and safe therapeutic modality for the treatment of malignant tumors, a treatment that relies on light-mediated activation of photosensitizers (PS) to generate reactive oxygen species (ROS). am. The generated ROS causes serious oxidative damage to tumor tissue through DNA and protein damage and induces apoptosis of cancer cells. However, there is a problem that the therapeutic effect is limited by intrinsic limitations such as tumor hypoxia and the short lifespan of the generated ROS.

돌이킬 수 없는 암세포 손상을 유도하기 위해 광열 작용제(photothermal agents, PTA)에 의해 빛 에너지를 열로 변환하는, 또 다른 광선 요법인 광열 요법(photothermal therapy, PTT)이 암 요법의 대체 치료 옵션으로 주목받고 있다(Chu, K.F et al. (2014). Thermal ablation of tumours: biological mechanisms and advances in therapy. Nat. Rev. Cancer 14, 199-208). PDT와 마찬가지로, PTT 또한, 여기광의 낮은 조직 침투성, 낮은 광열 변환 효율, PTT 에이전트의 안정성과 같은 제한 사항이 존재한다. Photothermal therapy (PTT), another type of light therapy that converts light energy into heat by photothermal agents (PTAs) to induce irreversible cancer cell damage, is attracting attention as an alternative treatment option for cancer therapy. (Chu, K.F et al. (2014). Thermal ablation of tumors: biological mechanisms and advances in therapy. Nat. Rev. Cancer 14, 199-208). Like PDT, PTT also has limitations, such as low tissue penetration of the excitation light, low photothermal conversion efficiency, and stability of the PTT agent.

또한, 최근에는 PDT와 PTT의 상호 보완적인 특성으로 인해, PDT와 PTT의 조합이 효과적인 항암 치료 전략으로 주목 받고 있다. 예를 들어, PDT는 PTT에 대한 높은 열 충격 단백질 매개 내성으로 인한 저항을 극복하는 역할을 하는 반면(Calderwood, S.K., and Ciocca, D.R. (2008). Heat shock proteins: stress proteins with Januslike properties in cancer. Int. J. Hyperthermia. 24, 31-39), PTT는 암세포의 저산소 매개 저항을 극복하는 역할을 할 수 있다(Zhang, J et al. (2020). Activatable molecular agents for cancer theranostics. Chem. Sci. 11, 618-630). 또한 PDT 과정에서 생성된 ROS는 약물 접합체의 종양 세포 투과성을 개선하고 PTT 과정을 더 민감하게 만들 수 있다(Ye, S et al. (2018). Rational design of conjugated photosensitizers with controllable photoconversion for dually cooperative phototherapy. Adv. Mater. 30, 18012161). 이에 더하여, 종양 진단과의 추가적인 통합은 전체 치료 과정의 실시간 모니터링을 달성하게 할 수 있다. 그러나 여러 이미징 및 치료제를 단일 플랫폼에 통합하는 것은 낮은 캡슐화 효율성, 조기 누출 및 긴 준비 과정으로 인해 어려움을 겪을 수 있다. 또한, PDT와 PTT는 서로 다른 화학 작용제와 파장 광원을 필요로 하고 있어, 임상적 사용이 더욱 복잡할 수 있다. 따라서, 따라서 진단 및 치료 기능 모두로 구성된 단일 파장 레이저 활성화 진단 시스템을 개발하는 것은 암 치료를 위한 영상 유도 결합 PDT/PTT에 대한 유망한 접근 방식이 될 수 있다. Additionally, due to the complementary characteristics of PDT and PTT, the combination of PDT and PTT has recently been attracting attention as an effective anticancer treatment strategy. For example, PDT acts to overcome resistance due to high heat shock protein-mediated resistance to PTT (Calderwood, S.K., and Ciocca, D.R. (2008). Heat shock proteins: stress proteins with Januslike properties in cancer. Int. J. Hyperthermia. 24, 31-39), PTT may play a role in overcoming hypoxia-mediated resistance of cancer cells (Zhang, J et al. (2020). Activatable molecular agents for cancer theranostics. Chem. Sci. 11, 618-630). Additionally, ROS generated during the PDT process can improve the tumor cell permeability of drug conjugates and make the PTT process more sensitive (Ye, S et al. (2018). Rational design of conjugated photosensitizers with controllable photoconversion for dually cooperative phototherapy. Adv. Mater. 30, 18012161). In addition, further integration with tumor diagnostics can achieve real-time monitoring of the entire treatment process. However, integrating multiple imaging and therapeutic agents into a single platform can be challenging due to low encapsulation efficiency, premature leakage, and lengthy preparation procedures. Additionally, PDT and PTT require different chemical agents and wavelength light sources, which may make clinical use more complicated. Therefore, developing a single-wavelength laser-activated diagnostic system consisting of both diagnostic and therapeutic functions could be a promising approach for image-guided coupled PDT/PTT for cancer treatment.

본 발명에서는, 미토콘드리아를 특이적으로 표적화하며, 우수한 광역학 치료 및 광열 치료 효과를 발휘할 수 있는 신규 광치료용 단일 레이저 활성 나노테라노스틱스를 제공하고자 한다.The present invention seeks to provide a novel single laser-activated nanotheranostics for phototherapy that specifically targets mitochondria and can exhibit excellent photodynamic and photothermal treatment effects.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,In order to solve the above problems, the present invention

하기 [화학식 1]로 표시되는 화합물(MsPDTT)을 포함하는 감광제를 제공한다:Provided is a photosensitizer containing a compound (MsPDTT) represented by the following [Chemical Formula 1]:

[화학식 1][Formula 1]

. .

본 발명에 따르면, 상기 화합물은 미토콘드리아에 특이적으로 축적되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to the present invention, the compound may be characterized as specifically accumulating in mitochondria.

본 발명에 따르면, 상기 화합물은 광역학 및 광열 치료 효과를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.According to the present invention, the compound may be characterized as having photodynamic and photothermal therapeutic effects.

또한, 본 발명은 하기 [화학식 1]로 표시되는 화합물 및 중합지질을 포함하고, 상기 화합물이 상기 중합지질에 의해 캡슐화된 것을 특징으로 하는 나노입자(MsPDTT NPs)를 제공한다:In addition, the present invention provides nanoparticles (MsPDTT NPs) comprising a compound represented by the following [Formula 1] and a polymeric lipid, and wherein the compound is encapsulated by the polymeric lipid:

[화학식 1][Formula 1]

. .

본 발명에 따르면, 상기 중합지질은 DSPE-mPEG인 것을 특징으로 할 수 있다.According to the present invention, the polymerized lipid may be DSPE-mPEG.

또한, 본 발명은 상기 감광제 또는 상기 나노입자를 포함하는 암 치료 또는 진단용 조성물을 제공한다.Additionally, the present invention provides a composition for treating or diagnosing cancer containing the photosensitizer or the nanoparticles.

본 발명에 따르면, 미토콘드리아를 특이적으로 표적화하며, 우수한 광역학 치료 및 광열 치료 효과를 발휘할 수 있는 신규한 광치료용 단일 레이저 활성 나노테라노스틱스를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a novel single laser-activated nanotheranostics for phototherapy that specifically targets mitochondria and can exhibit excellent photodynamic and photothermal treatment effects.

도 1은 MsPDTT NPs, RsPDTT NPs의 특성화 및 시험관 내(in vitro) PDT/PTT 특성을 나타낸 것으로, (A)는 MsPDTT의 흡광도 스펙트럼 및 캡슐화 효율을 나타낸 것이다. (B)는 MsPDTT NPs의 DLS 및 TEM (inset) 이미지를 나타낸 것이다. Scale bar, 200 nm. (C)는 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs의 광음향(Photoacoustic, PA) 스펙트럼을 나타낸 것이다. (D)는 300초 동안 0.897 W/cm2의 전력 밀도에서 690 nm 레이저 조사 시 MsPDTT NPs의 농도 의존적 광열 특성을 나타낸 것이다. 온도는 적외선 열화상 카메라(Fluke, Ti400, USA)로 10초마다 기록하였다. (E)는 ROS 지표인 DCFH-DA 존재 하에서, MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs의 ROS 생성 능력을 보여주는 형광 스펙트럼이다. (F)는 광조사 조건에서 형성된 DCFH의 상응하는 시간 의존적 형광 향상을 나타낸다: 690 nm laser (0.897 W/cm2). MsPDTT NP- 및 RsPDTT NP-sensitized ROS에 의해 유발된 DCF의 형광 스펙트럼을 기록하였다(λ ex = 488 nm, λ em = 525 nm).
도 2는 MsPDTT NPs RsPDTT NPs의 세포 내 전달 및 항암 효과를 나타낸 것이다. (A)는 정상산소 및 저산소 조건에서 ROS 생성(녹색)을 확인할 수 있는 공초점 형광 현미경 이미지를 나타낸 것이다; 빨간색은 NPs의 형광을 나타내고, DAPI(파란색)는 핵 염색에 사용되었다. 병합된(Mergerd) 이미지 열(column)은 NPs의 세포내 전달을 보여준다. MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs, λ ex = 633 nm, λ em = 680-800 nm; DCF, λ ex = 488 nm, λ em = 500-580 nm; DAPI, λ ex = 405 nm, λ em = 420-470 nm. Scale bar, 50 μm. BF, bright field. (B)는 NPs의 PDT 조건에서 ROS 생성(DCF 형성)에 해당하는 반-정량화된(Semi-quantified) 녹색 형광 강도를 나타낸 것이다. (C)는 레이저를 조사하거나(690 nm, 1.0 W/cm2, 10분) 또는 레이저를 조사하지 않고, 정상 산소 환경의 4T1 세포에서, MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs의 농도 의존적 세포독성을 나타낸 것이다. (D)는 정상산소 및 저산소 조건에서 레이저 조사(690 nm, 1.0 W/cm2, 10 min)가 있거나 없는 4T1 세포에서 MsPDTT NPs의 농도 의존적 세포독성을 나타낸 것이다.
도 3은 정상 산소(21% O2) 및 저산소 조건(0.1% O2, 5% CO2)에서 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs의 광유도 세포 독성 측정 및 세포 이미징 결과를 나타낸 것이다. (A), (B)는 각각 저산소(A), 정상 산소(B) 환경의 4T1 세포에서 MsPDTT NPs(10 μM)의 세포독성 평가를 나타낸 것이다. (C)는 정상 산소 환경 하, 다양한 조건에서 RsPDTT NPs(10 μM) 처리된 4T1 세포의 세포독성 평가를 나타낸다(NAC, N-acetylcysteine, an effective scavenger for wiping out ROS; light, 690 nm laser irradiation, 1.0 W/cm2, 10 min). (D)는 정상 산소(21% O2) 및 저산소 조건(0.1% O2, 5% CO2)에서, 레이저 조사(1.0 W/cm2, 10 min)의 존재 또는 부재하에서, MsPDTT NPs(10 μM) 처리된 4T1 세포와, 정상 산소(21% O2) 조건에서 광 조사의 존재 또는 부재하에서 RsPDTT NPs(10 μM) 처리된 4T1 세포의 calcein-AM 및 PI-표지된 이미지를 나타낸 것이다. Scale bar, 100 μm.
도 4는 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs의 생체 내 및 생체 외 이중 모드 광음향 및 근적외선 형광(PA/NIRF) 이미징 능력을 나타낸 것이다. (A)는 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs의 정맥내 주사 후 4T1 종양(0, 3, 6, 9, 12 및 24시간)의 PA 이미징 결과를 나타낸 것이다. (B)는 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs 주사 후 4T1 종양 보유(tumor-bearing) 마우스 모델의 PA 신호 강도를 나타낸 것이다. (C)는 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs(150 μM, 200 μL)를 정맥내 주사한 후 4T1 종양 보유 마우스의 형광 이미징 결과를 나타낸 것이다. (D)는 시간 경과에 따른 (C)에 표시된 형광 신호의 반정량적 분석 결과를 나타낸 것이다. 형광 이미지는 640±20 nm에서 여기 및 710±30 nm 방출 파장에서 노출시간 0.75초이며, 서로 다른 시점에서 촬영되었다. (E)는 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs 주사 후 4T1 종양 보유 마우스에서 서로 다른 시점에 기록된 형광 신호의 종양 대 정상 조직 비율(T/NT)을 나타낸 것이다. 데이터는 평균 ± SEM (n=3)으로 표시하였다. (F)는 종양 보유 마우스 모델에서 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs 주사 후 종양 및 주요 기관(심장, 간, 비장, 폐 및 신장)의 생체외 NIRF 이미징 결과를 나타낸 것이다. (G)는 (F)에 표시된 형광 신호의 반정량적 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 광조사 하에서 MsPDTT NPs와 RsPDTT NPs의 생체 내 치료 효과를 나타낸 것이다. (A), (B)는 각각 690 nm 광 조사 하에서 PBS, RsPDTT NPs 및 MsPDTT NPs를 투여한 4T1 종양 보유 마우스의 (A) 광열 이미징 및 (B) 온도를 나타낸 것이다. (C)는 다양한 처리군(처리 2일 후)의 종양 절편의 H&E 염색 결과를 나타낸 것이고(Scale bar, 50 μm), (D)는 마우스의 상대적 종양 부피를 나타내며, (E)는 각 그룹의 마우스 체중, (F)는 각 그룹의 생존율을 나타낸 것이다(n=3).
도 6은 MsPDTT 및 RsPDTT의 광물리적 특성을 나타낸 것으로, DMSO 중 MsPDTT 및 RsPDTT(5 μM, respectively)의 (A) 흡수 및 (B) 형광 스펙트럼을 나타낸 것이다(λex = 660 nm).
도 7은 MsPDTT의 광열 성능 분석 결과를 나타낸 것으로, (A)는 다양한 MsPDTT 농도(0-0.25 mM) 및 일정한 레이저 조사 강도(0.897 W/cm2)하에서 DMSO 용액에 대한 광열 가열 곡선을 나타내고, (B)는 일정한 MsPDTT 농도(0.25 mM) 및 다양한 레이저 조사 강도(0-0.897 W/cm2)하에서 DMSO 용액에 대한 광열 가열 곡선을 나타낸다. (C)는 MsPDTT(0.25mM)의 광안정성 분석 결과를 나타낸 것으로, 곡선은 30분 동안 조사(0.897 W/cm2, 660 nm) 후 수동 냉각 및 (E) MsPDTT의 IR 열화상(thermal image)을 포함하는 여러 ON/OFF 주기에 대한 MsPDTT의 온도 변화를 나타낸다. (D)는 660 nm 레이저 조사(0.897 W/cm2) 및 50% DMSO 완충 용액(pH = 7.4, 10 mM PBS)에 분산된 MsPDTT(각각 0.25mM)의 광열 가열 곡선을 나타낸 것이다.
도 8은 RsPDTT의 광열 성능 분석 결과를 나타낸 것으로, A)는 다양한 RsPDTT 농도(0-0.25 mM) 및 일정한 레이저 조사 강도(0.897 W/cm2)하에서 DMSO 용액에 대한 광열 가열 곡선을 나타내고, (B)는 일정한 RsPDTT 농도(0.25 mM) 및 다양한 레이저 조사 강도(0-1.6 W/cm2)하에서 DMSO 용액에 대한 광열 가열 곡선을 나타낸다. (C)는 RsPDTT(0.25mM)의 광안정성 분석 결과를 나타낸 것으로, 곡선은 30분 동안 조사(0.897 W/cm2, 660 nm) 후 수동 냉각 및 (E) RsPDTT의 IR 열화상(thermal image)을 포함하는 여러 ON/OFF 주기에 대한 RsPDTT의 온도 변화를 나타낸다. (D)는 660 nm 레이저 조사(0.897 W/cm2) 및 50% DMSO 완충 용액(pH = 7.4, 10 mM PBS)에 분산된 RsPDTT(각각 0.25mM)의 광열 가열 곡선을 나타낸 것이다.
도 9는 MsPDTT의 광열 가열 이미지를 나타낸 것으로, (A)는 다양한 MsPDTT 농도(0-0.25 mM) 및 NIR 레이저 조사(0.897 W/cm2) 조건에서 DMSO 용액의 IR 열화상을 나타내고, (B)는 일정한 MsPDTT 농도(0.25 mM) 및 다양한 조사 강도(0-1.6 W/cm2, 660 nm)하에서 DMSO 용액의 IR 열화상을 나타낸다.
도 10은 ROS 생성 분석 결과를 나타낸 것으로, (A) MsPDTT(5 μM), (B) RsPDTT(5 μM), (C) 메틸렌 블루(MB)(5 μM)의 존재 및 (D) 660 nm에서 조사 후 감광제가 없는 경우에서, DCFH(20 μM)의 시간 의존적 흡수 스펙트럼 변화를 나타낸 것이다. 모든 실험은 PBS 완충 용액(0.1 M, pH 7.4, 5% DMSO 함유)에서 수행되었다. (E)는 (A-C)에 표시된 실험에 대한 504 nm에서의 흡수 변화 플롯을 나타내고, (F)는 감광제에 대한 ROS 생성 결과를 요약한 것이다.
도 11은 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs의 포착 효율을 나타낸 것이다. DSPE-mPEG5000(2.5-40 μg/mL)으로 캡슐화된 MsPDTT 및 RsPDTT의 양은 UV/vis 분광광도계로 측정되었다(A, C). MsPDTT 및 RsPDTT의 보정 곡선은 2.5-40 μg/mL 범위에서 선형이었다(B, D). MsPDTT NPs와 RsPDTT NPs의 포획 효율은 각각 58.3%와 49.7%였다.
도 12는 RsPDTT NPs의 크기 분포를 나타낸 것으로, DSL 분석 및 TEM 이미지(inset)에 의해 측정된 RsPDTT NP의 유체역학적 크기를 나타낸다(Scale bar, 200nm).
도 13은 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs의 수성 및 생리학적 안정성을 측정한 것으로, 6일 동안 인큐베이션 후, PBS 및 10% FBS에서 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs의 유체역학적 크기 분포를 DLS로 측정한 결과를 나타낸다.
도 14는 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs의 PA 신호를 나타낸 것으로, (A)는 DMSO에서 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs의 PA 스펙트럼을 나타내고, (B)는 MsPDTT NP 및 RsPDTT NP의 PA 강도를 나타낸다(0.5-10 μM).
도 15는 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs의 광열 성능 분석 결과를 나타낸 것이다. (A), (B)는 각각 MsPDTT NPs(A), RsPDTT NPs(B)의 690 nm(0.897 W/cm2)에서 레이저 조사 및 다양한 농도(0, 0.0078, 0.03125, 0.25 mM)에서 온도 변화 플롯을 나타낸 것이다. (C), (D)는 각각 MsPDTT NPs(C), RsPDTT NPs(D)의 690 nm에서의 다양한 전력 밀도 조건(0, 0.297, 0.697 and 0.897 W/cm2)의 레이저 조사 및 일정한 농도(0.25 mM)에서의 온도 변화 플롯을 나타낸 것이다.
도 16은 MsPDTT NPs의 미토콘드리아 국소화(Mitochondrial localization)를 나타낸 것으로, (A)는 저산소 환경(0.1% O2, 5% CO2)에서 2시간 동안 MsPDTT NPs(10μM)로 처리하고, MitoTracker Red(0.5μM)로 15분 동안 염색한 4T1 세포의 공초점 형광 이미지를 나타내고(Scale bar, 50 μm), (B)는 피어슨의 상관 계수(PC = 0.94) 계산을 위한 녹색 및 빨간색 이미지의 산점도(Scatter plot)를 나타내며, (C)는 (A)의 병합 이미지에서 흰색 점선을 따라 수집된 MsPDTT NPs 및 MitoTracker Red의 형광 강도를 나타낸 것이다.
도 17은 4T1 종양 보유 마우스의 종양 부피 변화 확인을 위한 이미지이다(노란색 점선 원:종양 부위, (L): 레이저 조사)
도 18은 마우스 주요 장기의 H&E 염색 결과를 나타낸 것이다(Scale bar, 50 μm, (L): 레이저 조사).
도 19는 MsPDTT를 포함하는 미토콘드리아 표적 나노치료제의 작용 기전을 나타낸 것이다.
Figure 1 shows the characterization and in vitro PDT/PTT properties of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs, and (A) shows the absorbance spectrum and encapsulation efficiency of MsPDTT. (B) shows DLS and TEM (inset) images of MsPDTT NPs. Scale bar, 200 nm. (C) shows the photoacoustic (PA) spectrum of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs. (D) shows the concentration-dependent photothermal properties of MsPDTT NPs when irradiated with a 690 nm laser at a power density of 0.897 W/cm 2 for 300 seconds. Temperature was recorded every 10 seconds with an infrared thermal imaging camera (Fluke, Ti400, USA). (E) is a fluorescence spectrum showing the ROS generation ability of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs in the presence of DCFH-DA, a ROS indicator. (F) shows the corresponding time-dependent fluorescence enhancement of DCFH formed under light irradiation conditions: 690 nm laser (0.897 W/cm 2 ). The fluorescence spectra of DCF induced by MsPDTT NP- and RsPDTT NP-sensitized ROS were recorded ( λ ex = 488 nm, λ em = 525 nm).
Figure 2 shows the intracellular delivery and anticancer effect of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs. (A) shows a confocal fluorescence microscopy image confirming ROS production (green) under normoxic and hypoxic conditions; Red indicates the fluorescence of NPs, and DAPI (blue) was used for nuclear staining. Mergerd image column shows intracellular delivery of NPs. MsPDTT NPs and RsPDTT NPs, λ ex = 633 nm, λ em = 680-800 nm; DCF, λ ex = 488 nm, λ em = 500-580 nm; DAPI, λ ex = 405 nm, λ em = 420-470 nm. Scale bar, 50 μm. BF, bright field. (B) shows the semi-quantified green fluorescence intensity corresponding to ROS generation (DCF formation) under PDT conditions of NPs. (C) shows the concentration-dependent cytotoxicity of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs in 4T1 cells in a normoxic environment with or without laser irradiation (690 nm, 1.0 W/cm 2 , 10 minutes). (D) shows the concentration-dependent cytotoxicity of MsPDTT NPs in 4T1 cells with or without laser irradiation (690 nm, 1.0 W/cm 2 , 10 min) under normoxic and hypoxic conditions.
Figure 3 shows the light-induced cytotoxicity measurement and cell imaging results of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs under normoxic (21% O 2 ) and hypoxic conditions (0.1% O 2 , 5% CO 2 ). (A) and (B) show the cytotoxicity evaluation of MsPDTT NPs (10 μM) in 4T1 cells in hypoxic (A) and normoxic (B) environments, respectively. (C) shows the cytotoxicity evaluation of 4T1 cells treated with RsPDTT NPs (10 μM) under various conditions under normoxic environment (NAC, N-acetylcysteine, an effective scavenger for wiping out ROS; light, 690 nm laser irradiation, 1.0 W/cm 2 , 10 min). ( D ) MsPDTT NPs ( 10 The calcein-AM and PI-labeled images of 4T1 cells treated with RsPDTT NPs (10 μM) and 4T1 cells treated with RsPDTT NPs (10 μM) in the presence or absence of light irradiation under normoxic (21% O 2 ) conditions are shown. Scale bar, 100 μm.
Figure 4 shows the in vivo and in vitro dual-mode photoacoustic and near-infrared fluorescence (PA/NIRF) imaging capabilities of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs. (A) shows the PA imaging results of 4T1 tumors (0, 3, 6, 9, 12, and 24 hours) after intravenous injection of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs. (B) shows the PA signal intensity of the 4T1 tumor-bearing mouse model after injection of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs. (C) shows the fluorescence imaging results of 4T1 tumor-bearing mice after intravenous injection of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs (150 μM, 200 μL). (D) shows the results of semi-quantitative analysis of the fluorescence signal shown in (C) over time. Fluorescence images were taken at different time points, with excitation at 640 ± 20 nm and emission wavelengths at 710 ± 30 nm, with an exposure time of 0.75 s. (E) shows the tumor-to-normal tissue ratio (T/NT) of fluorescence signals recorded at different time points in 4T1 tumor-bearing mice after injection of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs. Data are expressed as mean ± SEM (n = 3). (F) shows the ex vivo NIRF imaging results of tumors and major organs (heart, liver, spleen, lung, and kidney) after injection of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs in a tumor-bearing mouse model. (G) shows the results of semi-quantitative analysis of the fluorescence signal shown in (F).
Figure 5 shows the in vivo therapeutic effects of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs under light irradiation. (A) and (B) show (A) photothermal imaging and (B) temperature of 4T1 tumor-bearing mice administered PBS, RsPDTT NPs, and MsPDTT NPs under 690 nm light irradiation, respectively. (C) shows the H&E staining results of tumor sections from various treatment groups (2 days after treatment) (scale bar, 50 μm), (D) shows the relative tumor volume of mice, and (E) shows the results of each group. Mouse body weight, (F) represents the survival rate of each group (n=3).
Figure 6 shows the photophysical properties of MsPDTT and RsPDTT, showing (A) absorption and (B) fluorescence spectra of MsPDTT and RsPDTT (5 μM, respectively) in DMSO (λ ex = 660 nm).
Figure 7 shows the results of photothermal performance analysis of MsPDTT. (A) shows the photothermal heating curve for DMSO solution under various MsPDTT concentrations (0-0.25mM) and constant laser irradiation intensity (0.897 W/cm 2 ), (A) B) shows the photothermal heating curve for DMSO solution under constant MsPDTT concentration (0.25 mM) and various laser irradiation intensities (0-0.897 W/cm 2 ). (C) shows the photostability analysis results of MsPDTT (0.25mM), and the curve shows passive cooling after irradiation (0.897 W/cm 2 , 660 nm) for 30 minutes and (E) IR thermal image of MsPDTT. It shows the temperature change of MsPDTT for several ON/OFF cycles including. (D) shows the photothermal heating curves of MsPDTT (0.25mM each) dispersed in 660 nm laser irradiation (0.897 W/cm 2 ) and 50% DMSO buffer solution (pH = 7.4, 10 mM PBS).
Figure 8 shows the results of photothermal performance analysis of RsPDTT, (A) shows the photothermal heating curve for DMSO solution under various RsPDTT concentrations (0-0.25mM) and constant laser irradiation intensity (0.897 W/cm 2 ), (B) ) shows the photothermal heating curve for DMSO solution under constant RsPDTT concentration (0.25 mM) and various laser irradiation intensities (0-1.6 W/cm 2 ). (C) shows the results of photostability analysis of RsPDTT (0.25mM), and the curve shows passive cooling after irradiation (0.897 W/cm 2 , 660 nm) for 30 minutes and (E) IR thermal image of RsPDTT. It represents the temperature change of RsPDTT for several ON/OFF cycles including . (D) shows the photothermal heating curves of RsPDTT (0.25mM each) dispersed in 660 nm laser irradiation (0.897 W/cm 2 ) and 50% DMSO buffer solution (pH = 7.4, 10 mM PBS).
Figure 9 shows photothermal heating images of MsPDTT, (A) showing IR thermal images of DMSO solution under various MsPDTT concentrations (0-0.25 mM) and NIR laser irradiation (0.897 W/cm 2 ) conditions, (B) shows IR thermal images of DMSO solution under constant MsPDTT concentration (0.25 mM) and various irradiation intensities (0-1.6 W/cm 2 , 660 nm).
Figure 10 shows the results of ROS generation analysis, in the presence of (A) MsPDTT (5 μM), (B) RsPDTT (5 μM), (C) methylene blue (MB) (5 μM), and (D) at 660 nm. This shows the time-dependent absorption spectrum change of DCFH (20 μM) in the absence of photosensitizer after irradiation. All experiments were performed in PBS buffered solution (0.1 M, pH 7.4, containing 5% DMSO). (E) shows the absorption change plot at 504 nm for the experiment shown in (AC), and (F) summarizes the ROS generation results for the photosensitizers.
Figure 11 shows the capture efficiency of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs. The amount of MsPDTT and RsPDTT encapsulated in DSPE-mPEG5000 (2.5-40 μg/mL) was measured by UV/vis spectrophotometry (A, C). The calibration curves of MsPDTT and RsPDTT were linear in the range of 2.5-40 μg/mL (B, D). The capture efficiencies of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs were 58.3% and 49.7%, respectively.
Figure 12 shows the size distribution of RsPDTT NPs, and shows the hydrodynamic size of RsPDTT NPs measured by DSL analysis and TEM images (inset) (scale bar, 200 nm).
Figure 13 shows the measurement of the aqueous and physiological stability of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs, and shows the results of DLS measurement of the hydrodynamic size distribution of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs in PBS and 10% FBS after incubation for 6 days.
Figure 14 shows the PA signals of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs, where (A) shows the PA spectra of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs in DMSO, and (B) shows the PA intensity of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs (0.5-10 μM).
Figure 15 shows the results of photothermal performance analysis of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs. (A), (B) plots of temperature changes under laser irradiation at 690 nm (0.897 W/cm 2 ) and various concentrations (0, 0.0078, 0.03125, 0.25 mM) of MsPDTT NPs (A) and RsPDTT NPs (B), respectively. It represents. (C) and (D) show laser irradiation at various power density conditions (0, 0.297, 0.697 and 0.897 W/cm 2 ) and constant concentration (0.25 W/cm 2 ) at 690 nm for MsPDTT NPs (C) and RsPDTT NPs (D), respectively. It shows a plot of temperature change in mM).
Figure 16 shows the mitochondrial localization of MsPDTT NPs, (A) treated with MsPDTT NPs (10μM) for 2 hours in a hypoxic environment (0.1% O 2 , 5% CO 2 ), and MitoTracker Red (0.5%) μM) shows a confocal fluorescence image of 4T1 cells stained for 15 minutes (scale bar, 50 μm), and (B) is a scatter plot of green and red images for calculating Pearson's correlation coefficient (PC = 0.94). ), and (C) shows the fluorescence intensity of MsPDTT NPs and MitoTracker Red collected along the white dotted line in the merged image of (A).
Figure 17 is an image for confirming changes in tumor volume in 4T1 tumor-bearing mice (yellow dotted circle: tumor area, (L): laser irradiation)
Figure 18 shows the H&E staining results of mouse major organs (Scale bar, 50 μm, (L): laser irradiation).
Figure 19 shows the mechanism of action of the mitochondria-targeted nanotherapeutic agent containing MsPDTT.

[실시예][Example]

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for illustrating the present invention, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not to be construed as limited by these examples. Accordingly, the actual scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

실험 방법Experimental method

재료 및 방법Materials and Methods

모든 시약과 용매는 Merck, Samchun, TCI, Thermofisher에서 구입하여 추가 정제 없이 사용하였다. UV/Vis 및 형광 스펙트럼은 각각 Jasco V-750 분광 광도계 및 Shimadzu RF-5301PC 분광 형광계를 사용하여 기록하였다. ESI-MS 데이터는 Shimadzu LCMS-2020을 사용하여 수득하였다. MALDI-TOF MASS는 MALDITOF/TOF™5800 시스템(AB SCIEX)을 사용하여 수행하였다. NMR 스펙트럼은 Bruker 500MHz NMR 분광계에서 수집하였고, 컬럼 크로마토그래피는 고정상으로 실리카겔 60(70-230 메쉬)을 사용하여 수행하였다. 60 실리카겔(0.25mm 두께의 사전 코팅된 시트)을 사용하여 분석 박막 크로마토그래피를 수행하였다. 광음향(Photoacoustic, PA) 스펙트럼은 다중 스펙트럼 광음향 단층 촬영(multispectral optoacoustic tomographic, MSOT) 이미징 시스템(inVision 128, iThera Medical GmbH, Neuherberg, Germany)에서 기록하였다. 다양한 DMSO 농도의 MsPDTT 및 RsPDTT로 한천 팬텀(agar phantoms)을 채우고 물 탱크에 현탁시킨 후 600~950nm 범위의 펄스 레이저로 여기된 PA 신호를 기록하였다. PA 강도는 관심 영역(regions of interest, ROIs)에서 측정되었으며 PA 강도와 다양한 농도 사이의 선형 상관 관계가 제시되었다.All reagents and solvents were purchased from Merck, Samchun, TCI, and Thermofisher and used without further purification. UV/Vis and fluorescence spectra were recorded using a Jasco V-750 spectrophotometer and Shimadzu RF-5301PC spectrofluorometer, respectively. ESI-MS data was obtained using Shimadzu LCMS-2020. MALDI-TOF MASS was performed using the MALDITOF/TOF™5800 system (AB SCIEX). NMR spectra were collected on a Bruker 500MHz NMR spectrometer, and column chromatography was performed using silica gel 60 (70-230 mesh) as the stationary phase. Analytical thin layer chromatography was performed using 60 silica gel (0.25 mm thick pre-coated sheets). Photoacoustic (PA) spectra were recorded on a multispectral optoacoustic tomographic (MSOT) imaging system (inVision 128, iThera Medical GmbH, Neuherberg, Germany). Agar phantoms were filled with MsPDTT and RsPDTT at various DMSO concentrations and suspended in a water tank, and then the PA signals excited by a pulsed laser in the range of 600 to 950 nm were recorded. PA intensity was measured in regions of interest (ROIs) and a linear correlation between PA intensity and various concentrations was presented.

MsPDTTMsPDTT and and RsPDTT의RsPDTT's 합성 synthesis

하기 합성 경로(Scheme 1)에 따라 본 발명에 따른 화합물 MsPDTT를 합성하였다.The compound MsPDTT according to the present invention was synthesized according to the following synthetic route (Scheme 1).

[Scheme 1][Scheme 1]

화합물 a, b, c의 합성Synthesis of compounds a, b, and c

종래 문헌에 기재된 절차에 따라 화합물 a, c (Tang, S., Ghazvini Zadeh, E.H., Kim, B., Toomey, N.T., Bondar, M.V., and Belfield, K.D. (2017). Protein-induced fluorescence enhancement of twophoton excitable water-soluble diketopyrrolopyrroles. Org. Biomol. Chem. 15, 6511-6519) 및 화합물 b (Zhang, W., Liu, P., Sadollahkhani, A., Li, Y., Zhang, B., Zhang, F., Safdari, M., Hao, Y., Hua, Y., and Kloo, L. (2017). Investigation of Triphenylamine (TPA)-Based Metal Complexes and Their Application in Perovskite Solar Cells. ACS Omega 2, 9231-9240)를 합성하였다.Compounds a, c according to procedures described in the previous literature (Tang, S., Ghazvini Zadeh, EH, Kim, B., Toomey, NT, Bondar, MV, and Belfield, KD (2017). Protein-induced fluorescence enhancement of twophoton excitable water-soluble diketopyrrolopyrroles. Org. Biomol. Chem. 15 , 6511-6519) and compound b (Zhang, W., Liu, P., Sadollahkhani, A., Li, Y., Zhang, B., Zhang, F ., Safdari, M., Hao, Y., Hua, Y., and Kloo, L. (2017). Investigation of Triphenylamine (TPA)-Based Metal Complexes and Their Application in Perovskite Solar Cells. ACS Omega 2 , 9231- 9240) was synthesized.

화합물 1의 합성Synthesis of Compound 1

화합물 a(2.00g, 6.66mmol)를 무수 DMF(50mL)에 용해시키고 무수 K2CO3(3.68g, 26.6mmol)를 첨가하고 질소 하에 60℃에서 3시간 동안 교반하였다. 다음으로, bromoacetic acid tert-butyl ester(4.00 mL, 26.6 mmol)를 적가하고 60℃에서 밤새 교반하였다. 반응 혼합물을 실온으로 냉각한 후, 용액을 진공하에 제거하였다. 이어서, 혼합물을 DCM으로 추출하고, 유기층을 무수 Na2SO4로 건조시키고, 증발 및 진공 건조 후, 용리제로 CH2Cl2/Hexane(v/v, 3:1)을 사용하여 조생성물(crude product)을 실리카겔 컬럼으로 정제하여 암적색 고체 화합물 1(2.56g, 73%)을 수득하였다.Compound a (2.00 g, 6.66 mmol) was dissolved in anhydrous DMF (50 mL), anhydrous K 2 CO 3 (3.68 g, 26.6 mmol) was added, and stirred at 60° C. under nitrogen for 3 hours. Next, bromoacetic acid tert -butyl ester (4.00 mL, 26.6 mmol) was added dropwise and stirred at 60°C overnight. After the reaction mixture was cooled to room temperature, the solution was removed under vacuum. Then, the mixture was extracted with DCM, the organic layer was dried with anhydrous Na 2 SO 4 , and after evaporation and vacuum drying, the crude product was purified using CH 2 Cl 2 /Hexane (v/v, 3:1) as an eluent. product) was purified using a silica gel column to obtain dark red solid Compound 1 (2.56 g, 73%).

1H NMR (CDCl3, 500 MHz): δ 8.75 (dd, J = 3.9 Hz, 1.0 Hz, 2H), 7.62 (dd, J = 5.0 Hz, 1.1 Hz, 2H), 7.27 (dd, J = 4.4 Hz, 3.4 Hz, 2H), 4.79 (s, 4H), 1.43 (s, 18H) ppm; 13C NMR (CDCl3, 125 MHz): δ 167.26, 161.16, 140.14, 135.10, 130.82, 129.88, 128.92, 107.74, 82.98, 44.33, 28.09 ppm. 1 H NMR (CDCl 3 , 500 MHz): δ 8.75 (dd, J = 3.9 Hz, 1.0 Hz, 2H), 7.62 (dd, J = 5.0 Hz, 1.1 Hz, 2H), 7.27 (dd, J = 4.4 Hz) , 3.4 Hz, 2H), 4.79 (s, 4H), 1.43 (s, 18H) ppm; 13 C NMR (CDCl 3 , 125 MHz): δ 167.26, 161.16, 140.14, 135.10, 130.82, 129.88, 128.92, 107.74, 82.98, 44.33, 28.09 ppm.

화합물 2의 합성Synthesis of Compound 2

화합물 1(1.00g, 1.89mmol)을 클로로포름(200mL)에 용해시키고 60℃로 예열하였다. N-Bromosuccinimide (841 mg, 4.72 mmol)를 혼합물에 첨가하고, 플라스크를 알루미늄 호일로 싸서 빛을 차단하고 밤새 교반하였다. 이어서, 혼합물을 DCM으로 추출하고 무수 Na2SO4로 건조시키고, 증발 및 진공 건조 후, 용리제로 CH2Cl2/Hexane(v/v, 3:1)을 사용하여 조생성물을 실리카겔 컬럼으로 정제하여 화합물 2(0.85g, 65%)를 수득하였다.Compound 1 (1.00 g, 1.89 mmol) was dissolved in chloroform (200 mL) and preheated to 60°C. N -Bromosuccinimide (841 mg, 4.72 mmol) was added to the mixture, and the flask was wrapped in aluminum foil to block light and stirred overnight. Then, the mixture was extracted with DCM, dried over anhydrous Na 2 SO 4 , evaporated and dried under vacuum, and the crude product was purified using a silica gel column using CH 2 Cl 2 /Hexane (v/v, 3:1) as an eluent. Compound 2 (0.85g, 65%) was obtained.

1H NMR (CDCl3, 500 MHz): δ 8.46 (d, J = 4.2 Hz, 2H), 7.22 (d, J = 4.2 Hz, 2H), 4.70 (s, 4H), 1.46 (s, 18H) ppm; 13C NMR (CDCl3, 125 MHz): δ 167.2, 161.0, 142.5, 139.3, 135.3, 132.1, 131.5, 119.5, 83.6, 44.5, 28.3 ppm. 1H NMR (CDCl 3 , 500 MHz): δ 8.46 (d, J = 4.2 Hz, 2H), 7.22 (d, J = 4.2 Hz, 2H), 4.70 (s, 4H), 1.46 (s, 18H) ppm ; 13 C NMR (CDCl 3 , 125 MHz): δ 167.2, 161.0, 142.5, 139.3, 135.3, 132.1, 131.5, 119.5, 83.6, 44.5, 28.3 ppm.

화합물 3의 합성Synthesis of Compound 3

화합물 b(2.00g, 6.55mmol)를 DMF(25.0mL)에 용해시키고 0℃로 냉각되도록 하였다. N-Bromosuccinimide (1.20 g, 6.55 mmol)를 5mL DMF에 용해시키고 반응기에 적가하였다. 빙욕(ice bath)을 제거한 후, 혼합물을 밤새 교반하였다. 혼합물을 에틸 아세테이트로 추출하고 수집하였다. 유기층을 Na2SO4로 건조시키고, 증발 및 진공 건조 후, 용리제로 CH2Cl2/Hexane (v/v, 1:10)을 사용하여 조생성물을 실리카겔 컬럼으로 정제하여 화합물 3(1.60g, 64%)을 수득하였다.Compound b (2.00 g, 6.55 mmol) was dissolved in DMF (25.0 mL) and allowed to cool to 0°C. N -Bromosuccinimide (1.20 g, 6.55 mmol) was dissolved in 5mL DMF and added dropwise to the reactor. After removing the ice bath, the mixture was stirred overnight. The mixture was extracted with ethyl acetate and collected. The organic layer was dried over Na 2 SO 4 , and after evaporation and vacuum drying, the crude product was purified using a silica gel column using CH 2 Cl 2 /Hexane ( v / v , 1:10) as an eluent to obtain compound 3 (1.60 g, 64%) was obtained.

1H NMR (CDCl3, 500 MHz): δ 7.23 (d, J = 8.9 Hz, 2H), 7.03 (d, J = 9.0 Hz, 4H), 6.83 (d, J = 9.0 Hz, 4H), 6.76 (d, J = 8.9 Hz, 2H), 3.77 (s, 6H) ppm. 1 H NMR (CDCl 3 , 500 MHz): δ 7.23 (d, J = 8.9 Hz, 2H), 7.03 (d, J = 9.0 Hz, 4H), 6.83 (d, J = 9.0 Hz, 4H), 6.76 ( d, J = 8.9 Hz, 2H), 3.77 (s, 6H) ppm.

화합물 4의 합성Synthesis of Compound 4

화합물 3(1.50g, 3.43mmol)을 bis(pinacolato)diboron (2.37 g, 9.12 mmol), potassium acetate (0.75 g, 8.25 mmol) 및 1,4-dioxane (50 mL) 중 1,1’-bis(diphenylphosphino)ferrocene palladium dichloride (0.100 g)와 혼합하였다. 혼합물을 밤새 환류 가열하였다. 혼합물을 실온으로 냉각시킨 후, DCM으로 추출하였다. 수집된 유기층을 무수 Na2SO4로 건조시키고, 증발 및 진공 건조 후, 용리제로 CH2Cl2/Hexane (v/v, 1:1)을 사용하여 조생성물을 실리카겔 컬럼으로 정제하여 화합물 4(0.98g, 58%)를 수득하였다.Compound 3 (1.50 g, 3.43 mmol) was reacted with 1,1'-bis( It was mixed with diphenylphosphino)ferrocene palladium dichloride (0.100 g). The mixture was heated to reflux overnight. The mixture was cooled to room temperature and then extracted with DCM. The collected organic layer was dried over anhydrous Na 2 SO 4 , evaporated and dried under vacuum, and the crude product was purified using a silica gel column using CH 2 Cl 2 /Hexane ( v / v , 1:1) as an eluent to obtain compound 4 ( 0.98g, 58%) was obtained.

1H NMR (CDCl3, 500 MHz): δ 7.59-7.60 (m, 2H), 7.06-7.07 (m, 4H), 6.89-6.79 (m, 6H), 3.79 (s, 6H), 1.34 (s, 12H) ppm. MS (ESI): C26H30BNO4 [M + H]+, m/z calcd. 432.23, found 432.20. 1 H NMR (CDCl 3 , 500 MHz): δ 7.59-7.60 (m, 2H), 7.06-7.07 (m, 4H), 6.89-6.79 (m, 6H), 3.79 (s, 6H), 1.34 (s, 12H) ppm. MS (ESI): C 26 H 30 BNO 4 [M + H] + , m / z calcd. 432.23, found 432.20.

화합물 5의 합성Synthesis of compound 5

화합물 2(0.500g, 1.50mmol)를 화합물 4(0.540g, 1.25mmol), Pd(PPh3)4(85.0mg, 0.075mmol), 30mL의 탈기된 1,4-dioxane 중 K2CO3(2.10g, 15.0mmol)와 혼합하고, 질소 분위기 하에 12시간 동안 환류 가열하였다. 혼합물을 실온으로 냉각시킨 후, DCM으로 추출하고, 수집된 유기층을 무수 Na2SO4로 건조시키고, 증발 및 진공 건조 후, 용리제로 EtOAC/MeOH (v/v, 1:1)을 사용하여 조생성물을 실리카겔 컬럼으로 정제하여 화합물 5(0.610g, 43%)를 수득하였다.Compound 2 (0.500 g, 1.50 mmol) was mixed with compound 4 (0.540 g, 1.25 mmol), Pd(PPh 3 ) 4 (85.0 mg, 0.075 mmol), and K 2 CO 3 (2.10 mg) in 30 mL of degassed 1,4-dioxane. g, 15.0 mmol) and heated to reflux for 12 hours under a nitrogen atmosphere. After the mixture was cooled to room temperature, extracted with DCM, the collected organic layer was dried over anhydrous Na 2 SO 4 , evaporated and dried under vacuum, and then crudely purified using EtOAC/MeOH ( v / v , 1:1) as an eluent. The product was purified using a silica gel column to obtain compound 5 (0.610 g, 43%).

1H NMR (CDCl3, 500 MHz): δ 8.81 (d, J = 4.32 Hz, 2H), 7.44 (d, J = 4.11 Hz, 4H), 7.32 (d, J = 4.20 Hz, 2H), 7.11-7.06 (m, 8H), 6.89-6.83 (m, 12H), 4.84 (s, 4H), 3.81 (s, 12H), 1.44 (s, 18H) ppm. MS (ESI): C66H62N4O10S2 [M + H]+, m/z calcd. 1135.39, found 1135.45. 1 H NMR (CDCl 3 , 500 MHz): δ 8.81 (d, J = 4.32 Hz, 2H), 7.44 (d, J = 4.11 Hz, 4H), 7.32 (d, J = 4.20 Hz, 2H), 7.11- 7.06 (m, 8H), 6.89-6.83 (m, 12H), 4.84 (s, 4H), 3.81 (s, 12H), 1.44 (s, 18H) ppm. MS (ESI): C 66 H 62 N 4 O 10 S 2 [M + H] + , m / z calcd. 1135.39, found 1135.45.

화합물 6의 합성Synthesis of compound 6

화합물 5(0.570g, 0.500mmol)를 DCM(20mL)에 용해시키고 0℃로 냉각시켰다. 그 다음, 혼합물에 trifluoroacetic acid(2.00 mL)를 첨가하고 밤새 교반하였다. 용매를 감압하에 증발시킨 다음, 톨루엔(20mL)을 첨가하고 다시 증발시킴으로써 임의의 과량의 trifluoroacetic acid를 제거하여 화합물 6(0.370g, 72%)을 수득하였다.Compound 5 (0.570 g, 0.500 mmol) was dissolved in DCM (20 mL) and cooled to 0°C. Then, trifluoroacetic acid (2.00 mL) was added to the mixture and stirred overnight. The solvent was evaporated under reduced pressure, and then any excess trifluoroacetic acid was removed by adding toluene (20 mL) and evaporating again to obtain compound 6 (0.370 g, 72%).

RsPDTT의RsPDTT's 합성 synthesis

화합물 6(0.300g, 0.270mmol), EDCI(63.0mg, 0.320mmol) 및 DMAP(66.0mg, 0.540mmol)을 무수 DMF(15mL)에 용해시키고 질소 하에 실온에서 10분 동안 교반하였다. 이어서, 프로판올(5 mL)을 혼합물에 첨가하고, 반응 혼합물을 밤새 교반하였다. 용매를 증발시키고 DCM(50mL)/물(50mL)로 추출하였다. 수집된 유기층을 무수 Na2SO4로 건조시키고, 증발 및 진공 건조 후, 용리제로 EtOAC/MeOH (v/v, 1:1)을 사용하여 조생성물을 실리카겔 컬럼으로 정제하여 화합물 RsPDTT(0.110g, 38%)를 수득하였다.Compound 6 (0.300 g, 0.270 mmol), EDCI (63.0 mg, 0.320 mmol) and DMAP (66.0 mg, 0.540 mmol) were dissolved in anhydrous DMF (15 mL) and stirred under nitrogen for 10 min at room temperature. Propanol (5 mL) was then added to the mixture and the reaction mixture was stirred overnight. The solvent was evaporated and extracted with DCM (50 mL)/water (50 mL). The collected organic layer was dried over anhydrous Na 2 SO 4 , and after evaporation and vacuum drying, the crude product was purified using a silica gel column using EtOAC/MeOH ( v / v , 1:1) as an eluent, and the compound RsPDTT (0.110 g, 38%) was obtained.

1H NMR (CDCl3, 500 MHz): δ 8.80 (d, J = 4.20 Hz, 2H), 7.43 (m, 4H), 7.31 (d, J = 4.20 Hz, 2H), 7.09-7.06 (m, 8H), 6.91-6.83 (m, 12H), 4.94 (s, 4H), 4.14 (t, J = 6.86 Hz, 4H), 3.81 (s, 12H), 1.66-1.62 (m, 4H), 0.88 (t, J = 7.33 Hz, 6H) ppm; 13C NMR (CDCl3, 125 MHz): δ 168.4, 161.0, 156.5, 151.2, 150.7, 149.6, 140.0, 139.0, 136.8, 129.2, 127.1, 127.0, 126.9, 124.4, 123.3, 119.6, 114.9, 107.4, 82.9, 67.4, 55.5, 53.4, 21.9, 10.3 ppm. MS (MALDI-TOF): C64H58N4O10S2 [M + H]+, m/z calcd. 1106.36, found 1107.2921. 1H NMR (CDCl 3 , 500 MHz): δ 8.80 (d, J = 4.20 Hz, 2H), 7.43 (m, 4H), 7.31 (d, J = 4.20 Hz, 2H), 7.09-7.06 (m, 8H) ), 6.91-6.83 (m, 12H), 4.94 (s, 4H), 4.14 (t, J = 6.86 Hz, 4H), 3.81 (s, 12H), 1.66-1.62 (m, 4H), 0.88 (t, J = 7.33 Hz, 6H) ppm; 13 C NMR (CDCl 3 , 125 MHz): δ 168.4, 161.0, 156.5, 151.2, 150.7, 149.6, 140.0, 139.0, 136.8, 129.2, 127.1, 127.0, 126.9, 124.4, 12 3.3, 119.6, 114.9, 107.4, 82.9, 67.4, 55.5, 53.4, 21.9, 10.3 ppm. MS (MALDI-TOF): C 64 H 58 N 4 O 10 S 2 [M + H] + , m / z calcd. 1106.36, found 1107.2921.

MsPDTT의MsPDTT's 합성 synthesis

화합물 6(0.200g, 0.180mmol), EDCI(42.0mg, 0.216mmol) 및 DMAP(44.0mg, 0.360mmol)을 무수 DMF(10mL)에 용해시키고 질소 하에 실온에서 10분 동안 교반하였다. 이어서, 화합물 c(0.140g, 0.360mmol)를 혼합물에 첨가하고, 반응 혼합물을 밤새 교반하였다. 용매를 증발시키고 DCM(50mL)/물(50mL)로 추출하였다. 수집된 유기층을 무수 Na2SO4로 건조시키고, 증발 및 진공 건조 후, 용리제로 EtOAC/MeOH (v/v, 1:1)을 사용하여 조생성물을 실리카겔 컬럼으로 정제하여 화합물 MsPDTT(0.150g, 47%)를 수득하였다.Compound 6 (0.200 g, 0.180 mmol), EDCI (42.0 mg, 0.216 mmol) and DMAP (44.0 mg, 0.360 mmol) were dissolved in anhydrous DMF (10 mL) and stirred at room temperature under nitrogen for 10 min. Compound c (0.140 g, 0.360 mmol) was then added to the mixture and the reaction mixture was stirred overnight. The solvent was evaporated and extracted with DCM (50 mL)/water (50 mL). The collected organic layer was dried over anhydrous Na 2 SO 4 , and after evaporation and vacuum drying, the crude product was purified using a silica gel column using EtOAC/MeOH ( v / v , 1:1) as an eluent, and the compound MsPDTT (0.150 g, 47%) was obtained.

1H NMR (CDCl3, 500 MHz): δ 8.47 (d, J = 4.20 Hz, 2H), 7.76-7.53 (m, 30H), 7.31-7.24 (m, 8H), 7.10-7.02 (m, 8H), 6.87-6.77 (m, 10H), 4.90 (s, 4H), 4.33-4.31 (m, 4H), 3.81 (s, 12H), 3.19-3.17 (m, 4H), 1.97-1.96 (m, 4H) ppm. 13C NMR (DMSO-d6, 125 MHz): δ 170.8, 168.7, 160.4, 156.9, 150.9, 149.9, 139.5, 138.5, 136.5, 135.5, 134.0, 133.9, 130.8, 130.7, 127.9, 127.4, 126.6, 124.0, 123.5, 118.8, 118.6, 118.1, 115.6, 106.5, 60.2, 55.8, 55.4, 21.9, 14.5 ppm. MS (ESI): C100H86Br2N4O10P2S2 [M]2+, m/z calcd. 814.26, found 814.85. 1 H NMR (CDCl 3 , 500 MHz): δ 8.47 (d, J = 4.20 Hz, 2H), 7.76-7.53 (m, 30H), 7.31-7.24 (m, 8H), 7.10-7.02 (m, 8H) , 6.87-6.77 (m, 10H), 4.90 (s, 4H), 4.33-4.31 (m, 4H), 3.81 (s, 12H), 3.19-3.17 (m, 4H), 1.97-1.96 (m, 4H) ppm. 13 C NMR (DMSO- d 6, 125 MHz): δ 170.8, 168.7, 160.4, 156.9, 150.9, 149.9, 139.5, 138.5, 136.5, 135.5, 134.0, 133.9, 130.8, 130.7, 1 27.9, 127.4, 126.6, 124.0, 123.5, 118.8, 118.6, 118.1, 115.6, 106.5, 60.2, 55.8, 55.4, 21.9, 14.5 ppm. MS (ESI): C 100 H 86 Br 2 N 4 O 10 P 2 S 2 [M] 2+ , m / z calcd. 814.26, found 814.85.

MsPDTTMsPDTT and RsPDTT의RsPDTT's 광열fever 성능( Performance( PhotothermalPhotothermal performance) 테스트 performance test

다양한 농도(0-0.25mM)의 MsPDTT 및 RsPDTT의 광열 성능을 660nm 레이저를 0.897 W/cm2의 전력 밀도에서 120초 동안 연속적으로 노출시켜 측정하였다. 마찬가지로 0.25mM 농도의 감광제(photosensitizers)의 광열 효과를 660nm 레이저를 0, 0.297, 0.697, 0.897 W/cm2의 전력밀도로 120초 동안 지속적으로 노출시켜 측정하였다. 온도는 적외선 열화상 카메라(FLIR, E60, USA)로 10초마다 기록하였다.The photothermal performance of MsPDTT and RsPDTT at various concentrations (0-0.25mM) was measured by continuous exposure to a 660nm laser at a power density of 0.897 W/cm 2 for 120 seconds. Similarly, the photothermal effect of photosensitizers at a concentration of 0.25mM was measured by continuous exposure to a 660nm laser at power densities of 0, 0.297, 0.697, and 0.897 W/cm 2 for 120 seconds. Temperature was recorded every 10 seconds with an infrared thermal imaging camera (FLIR, E60, USA).

분광 데이터spectral data

UV/Vis 및 형광 측정을 위해 MsPDTT 및 RsPDTT의 1mM 디메틸 설폭사이드(DMSO) 스톡 용액을 구성하고 각 용액의 분석에 적합한 농도로 희석하였다. For UV/Vis and fluorescence measurements, 1mM dimethyl sulfoxide (DMSO) stock solutions of MsPDTT and RsPDTT were made up and diluted to the appropriate concentration for the analysis of each solution.

활성산소(reactive oxygen species, reactive oxygen species, ROSROS ) 발생 분석) Occurrence analysis

ROS의 생성은 2,7-dichlorodihydrofluorescein (DCFH)을 사용하여 측정하였다. 장기 보관 조건에서 DCFH가 자가 산화되는 경향으로 인해 DCFH의 보다 안정적인 디아세테이트 형태(DCFH-DA)를 상업적으로 구입하여 DCFH를 생산하는 데 사용하였다. 구체적으로, DCFH-DA의 1mM 에탄올 용액 0.1mL을 0.4mL의 0.1M NaOH 수용액과 혼합하고 암실에서 30분 동안 교반하였다. 그런 다음, 상기 혼합물 150μL를 0.1M PBS 용액 2700μL로 희석하고 각 PS의 1mM DMSO 용액 15μL와 혼합하였다. 일관된 DMSO 농도(5%)를 얻기 위해, 135μL의 추가 DMSO를 혼합물에 첨가하였다. 그런 다음 660nm(Xenon Lamp Monochromatic Light Source, slit width 15/1.5nm)에서 1분마다 시료를 조사한 후 504nm에서 DCF의 흡수 증가를 모니터링하였다. PS의 ROS 생성률은 MB의 성능을 기반으로 아래의 [식 1]을 이용하여 계산하였다.The production of ROS was measured using 2,7-dichlorodihydrofluorescein (DCFH). Due to the tendency of DCFH to autooxidize under long-term storage conditions, the more stable diacetate form of DCFH (DCFH-DA) was purchased commercially and used to produce DCFH. Specifically, 0.1 mL of a 1mM ethanol solution of DCFH-DA was mixed with 0.4 mL of 0.1M NaOH aqueous solution and stirred for 30 minutes in the dark. Then, 150 μL of the above mixture was diluted with 2700 μL of 0.1 M PBS solution and mixed with 15 μL of 1 mM DMSO solution of each PS. To obtain a consistent DMSO concentration (5%), 135 μL of additional DMSO was added to the mixture. Then, the sample was irradiated every minute at 660 nm (Xenon Lamp Monochromatic Light Source, slit width 15/1.5 nm) and the increase in DCF absorption was monitored at 504 nm. The ROS generation rate of PS was calculated using [Equation 1] below based on the performance of MB.

[식 1][Equation 1]

m은 504nm에서 DCF의 흡수 변화와 PS 또는 MB의 존재하에서의 조사 시간 사이의 플롯 기울기이고, F는 F = 1-10-OD (OD at the irradiation wavelength)에 의해 결정되는 흡수 보정 계수이다. m is the slope of the plot between the absorption change of DCF at 504 nm and irradiation time in the presence of PS or MB, and F is the absorption correction factor determined by F = 1–10 -OD (OD at the irradiation wavelength).

계산 세부 정보 및 이론적 계산(Calculation details and theoretical calculations)Calculation details and theoretical calculations

비방사(non-radiative) 공정 연구의 경우, Kohn-Sham 밀도 함수 이론(DFT)의 프레임워크에서(Hohenberg, P., and Kohn, W. (1964). Inhomogeneous Electron Gas. Phys. Rev. B 136, B864-B871), 비단열 분자 역학(non-adiabatic molecular dynamics, NAMD)을 시뮬레이션하였다. NAMD 동안 가벼운 전자의 움직임은 양자 역학적으로 처리되고 무거운 핵의 움직임은 PYXAID 소프트웨어 패키지를 사용하여 처리되었다(Akimov, A.V., and Prezhdo, O.V. (2014). Advanced Capabilities of the PYXAID Program: Integration Schemes, Decoherence Effects, Multiexcitonic States, and Field-Matter Interaction. J. Chem. Theory Comput. 10, 789-804). 이 패키지에서 여기 상태에서 전하의 역학을 설명하기 위해 결맞음 유도 표면 호핑(decoherence induced surface hopping, DISH)이 구현되었다(Jaeger, H.M., Fischer, S., and Prezhdo, O.V. (2012). Decoherence-induced surface hopping. J. Chem. Phys. 137, 22A545). 전자 상태 및 단열 MD 궤적은 Perdew, Burke 및 Ernzerhof(PBE)와 PAW(Projector-Augmented Wave) 유사전위 이론으로 설정된 plane-wave basis를 사용하는 Vienna Ab initio Simulation Package(VASP) 프로그램에 의해 수행되는 초기 분자 역학(initio molecular dynamics, AIMD)에서 수득하였다. AIMD 시뮬레이션은 1fs 시간 간격으로 1ps 동안 수행되었다.For the study of non-radiative processes, in the framework of Kohn-Sham density functional theory (DFT) (Hohenberg, P., and Kohn, W. (1964). Inhomogeneous Electron Gas. Phys. Rev. B 136 , B864-B871), non-adiabatic molecular dynamics (NAMD) were simulated. During NAMD, the motions of light electrons were processed quantum mechanically and the motions of heavy nuclei were processed using the PYXAID software package (Akimov, A.V., and Prezhdo, O.V. (2014). Advanced Capabilities of the PYXAID Program: Integration Schemes, Decoherence Effects , Multiexcitonic States, and Field-Matter Interaction. J. Chem. Theory Comput. 10, 789-804). In this package, decoherence induced surface hopping (DISH) was implemented to describe the dynamics of charge in excited states (Jaeger, H.M., Fischer, S., and Prezhdo, O.V. (2012). Decoherence-induced surface hopping (DISH) hopping. J. Chem. Phys. 137, 22A545). Electronic states and adiabatic MD trajectories were performed by the Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) program using the plane-wave basis set by Perdew, Burke and Ernzerhof (PBE) and Projector-Augmented Wave (PAW) pseudopotential theory. Obtained from initial molecular dynamics (AIMD). AIMD simulations were performed for 1 ps with a 1 fs time step.

Oscillator strength와 excitation energy를 얻기 위해, CPCM(conductor-like polarizable continuum model)을 적용하여 시간-의존(time-dependent) DFT (TDDFT) 계산을 수행하였다. 스핀-궤도 커플링(spin-orbit coupling, SOC) 상수는 Q-Chem 5.2 소프트웨어 패키지를 사용하여 B3LYP 하이브리드 기능 및 6-31G basis 세트로 계산하였다. To obtain the oscillator strength and excitation energy, time-dependent DFT (TDDFT) calculations were performed by applying the conductor-like polarizable continuum model (CPCM). Spin-orbit coupling (SOC) constants were calculated with the B3LYP hybrid function and 6-31G basis set using the Q-Chem 5.2 software package.

MsPDTTMsPDTT NPsNPs and RsPDTTRsPDTT NPs의NPs 준비 preparation

9.00 mg DSPE-mPEG5000을 1 mL THF 중 1.00 mg MsPDTT 또는 1.00 mg RsPDTT를 함유한 9 mL 이중 증류수(double distilled water, DDW)에 첨가하였다. 그런 다음 혼합물을 초음파 세포 분쇄 장치를 사용하여 ice bath에서 2분 동안 초음파 처리하였다. THF를 질소 가스로 완전히 증발시킨 후, 용액을 한외여과관(Millipore, Mw=50 kDa)으로 옮겨 과잉 DSPE-mPEG5000을 제거하였다. 0.220 μm 필터 멤브레인을 통해 여과하여 MsPDTT NPs와 RsPDTT NPs의 수용액을 얻었다.9.00 mg DSPE-mPEG5000 was added to 9 mL double distilled water (DDW) containing 1.00 mg MsPDTT or 1.00 mg RsPDTT in 1 mL THF. The mixture was then sonicated in an ice bath for 2 min using an ultrasonic cell disruptor. After THF was completely evaporated with nitrogen gas, the solution was transferred to an ultrafiltration tube (Millipore, Mw=50 kDa) to remove excess DSPE-mPEG5000. Aqueous solutions of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs were obtained by filtration through a 0.220 μm filter membrane.

포획 효율(entrapment efficiency)의 정량적 측정Quantitative measurement of entrapment efficiency

선형 검량선(linear calibration curve)은 2.5-40 μg/mL 범위의 농도와 Lambert-Beer 법칙을 통한 해당 흡광도 간의 관계에서 파생되었습다. 포획 효율(entrapment efficiency, EE)은 DSPE-mPEG5000에 캡슐화된 MsPDTT 및 RsPDTT의 양과 나노입자 준비 과정에서 추가된 양의 비율로 정의되었다. EE는 다음 공식을 통해 계산하였다: EE (%) = (weight of loaded MsPDTT or RsPDTT/weight of MsPDTT or RsPDTT in feed) × 100%. MsPDTT NPs와 RsPDTT NPs의 EE 계산 결과는 각각 58.3%와 49.7%였다. MsPDTT와 RsPDTT의 분자량 차이를 고려하여, EE에 따라 MsPDTT NPs와 RsPDTT NPs에 대해 동일한 몰 농도를 얻기 위해 스톡 용액을 희석하였다.A linear calibration curve was derived from the relationship between concentrations in the range 2.5-40 μg/mL and the corresponding absorbance through the Lambert-Beer law. Entrapment efficiency (EE) was defined as the ratio of the amount of MsPDTT and RsPDTT encapsulated in DSPE-mPEG5000 and the amount added during nanoparticle preparation. EE was calculated using the following formula: EE (%) = (weight of loaded MsPDTT or RsPDTT/weight of MsPDTT or RsPDTT in feed) × 100%. The EE calculation results of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs were 58.3% and 49.7%, respectively. Considering the difference in molecular weight between MsPDTT and RsPDTT, the stock solution was diluted to obtain equal molar concentrations for MsPDTT NPs and RsPDTT NPs according to EE.

크기 및 형태(Size and morphology)Size and morphology

동적 광산란(dynamic light scattering, DLS) 측정을 통해 크기 분포를 분석하였고, 형태는 고해상도 투과전자현미경으로 수득한 TEM 이미지를 통해 분석하였다. The size distribution was analyzed through dynamic light scattering (DLS) measurements, and the shape was analyzed through TEM images obtained with a high-resolution transmission electron microscope.

사이즈 안정성size stability

준비된 MsPDTT NPs와 RsPDTT NPs를 PBS(0.01 M) 또는 10% FBS(Gibco, Australia)와 함께 인큐베이션하였다. 6일의 인큐베이션 후, 용액의 크기 분포를 DLS에 의해 수행하였다.The prepared MsPDTT NPs and RsPDTT NPs were incubated with PBS (0.01 M) or 10% FBS (Gibco, Australia). After 6 days of incubation, the size distribution of the solutions was performed by DLS.

MsPDTTMsPDTT NPsNPs and RsPDTTRsPDTT NPs의NPs 광열fever 성능 테스트 performance test

0, 0.0078, 0.03125, 0.25mM 농도의 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs를 300초 동안 0.897 W/cm2의 전력 밀도에서 690 nm 레이저에 연속적으로 노출시켰다. 또한 0.25mM 농도의 MsPDTT NPs와 RsPDTT NPs를 300초 동안 0, 0.297, 0.697 및 0.897 W/cm2의 출력 밀도로 690 nm 레이저에 지속적으로 노출시켰다. 온도는 적외선 열화상 카메라(Fluke, Ti400, USA)로 10초마다 기록하였다.MsPDTT NPs and RsPDTT NPs at concentrations of 0, 0.0078, 0.03125, and 0.25mM were continuously exposed to a 690 nm laser at a power density of 0.897 W/cm 2 for 300 seconds. Additionally, MsPDTT NPs and RsPDTT NPs at a concentration of 0.25mM were continuously exposed to a 690 nm laser at power densities of 0, 0.297, 0.697, and 0.897 W/cm 2 for 300 seconds. Temperature was recorded every 10 seconds with an infrared thermal imaging camera (Fluke, Ti400, USA).

MsPDTTMsPDTT NPsNPs and RsPDTTRsPDTT NPs의NPs ROSROS 생성 produce

MsPDTT NP 및 RsPDTT NP의 ROS 생성 효율은 DCFH-DA를 사용하여 측정하였다. DMSO 중 0.5mL DCFH-DA(MedChem Express, USA, 1.0mM)를 DCFH로 가수분해하기 위해 2mL NaOH(0.01N)와 혼합하였다. 탈아세틸화된 DCFH-DA(DCFH, 20μM)를 MsPDTT NPs와 RsPDTT NPs(5μM)의 수용액에 첨가한 후, 용액을 다양한 조사 시간 동안 690nm 레이저(0.897 W/cm2)로 처리하였다. MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs sensitized ROS에 의해 유발된 DCF(λex= 488 nm, λem= 525 nm)의 형광 스펙트럼을 기록하였다. The ROS generation efficiency of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs was measured using DCFH-DA. 0.5 mL DCFH-DA (MedChem Express, USA, 1.0 mM) in DMSO was mixed with 2 mL NaOH (0.01 N) to hydrolyze to DCFH. Deacetylated DCFH-DA (DCFH, 20 μM) was added to the aqueous solution of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs (5 μM), and then the solution was treated with a 690 nm laser (0.897 W/cm 2 ) for various irradiation times. The fluorescence spectra of DCF ( λ ex = 488 nm, λ em = 525 nm) induced by MsPDTT NPs and RsPDTT NPs sensitized ROS were recorded.

세포 배양cell culture

4T1 세포를 37°C에서 5% CO2와 95% 공기를 포함하는 인큐베이터에서 10% FBS(Gibco, Australia) 및 1% 항생제(penicillin/streptomycin, HyClone)를 포함하는 RPMI-1640 배지(Gibco)로 배양하였다.4T1 cells were grown in RPMI-1640 medium (Gibco) containing 10% FBS (Gibco, Australia) and 1% antibiotics (penicillin/streptomycin, HyClone) in an incubator containing 5% CO 2 and 95% air at 37°C. Cultured.

세포 내 저산소 환경 구축Establishment of an intracellular hypoxic environment

세포 배양을 위해 AnaeroPack System™sachets(Mitsubishi Gas Chemical Co., Tokyo, Japan)를 사용하여 저산소 조건(~0.1% O2, 5% CO2)을 구축하였다. 특별히 언급하지 않는 한, 세포는 모두 정상 산소 조건에서 배양하였다(21% O2).For cell culture, hypoxic conditions (~0.1% O 2 , 5% CO 2 ) were established using AnaeroPack System™ sachets (Mitsubishi Gas Chemical Co., Tokyo, Japan). Unless otherwise specified, all cells were cultured under normoxic conditions (21% O2).

세포 형광 cell fluorescence 이미징imaging 및 세포 내 and intracellular ROSROS 생성 produce

4T1 세포를 공초점 접시(1 x 106 cells/well)에서 정상산소 조건(21% O2)하에 24시간 동안 배양하여 벽에 붙이고 정상산소(21% O2) 또는 저산소 조건(~0.1% O2)에서 8시간 더 배양하였다. MsPDTT NPs/RsPDTT NPs(10μM)가 포함된 1mL 배양 배지를 각 접시에서 교체하고, 4T1 세포를 각각 정상 산소(21% O2) 또는 저산소 조건(~0.1% O2)에서 추가로 2시간 동안 배양하였다. 그런 다음 DCFH-DA(20μM)를 첨가하고 각각의 조건에서 추가로 30분 동안 인큐베이션하였다. 그 후, 4T1 세포를 5분 동안 1.0 W/cm2의 전력 밀도에서 690 nm 레이저 조사로 처리하였다. 이어서, 4T1 세포를 4',6-Diamidino-2-phenylindole(DAPI)로 5분 동안 염색하고 PBS 완충액으로 각각의 조건에서 3회 세척하였다. 세포는 공초점 현미경(Leica TCS SP8; Leica Camera, Solms, Germany)으로 이미지화하였다. 세포 이미지는 Image J로 분석하였다. MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs; DCF: λ ex = 488 nm, λ em = 500-580 nm; DAPI: λ ex = 405 nm, λ em = 420-470 nm.4T1 cells were cultured in a confocal dish ( 1 2 ) was cultured for an additional 8 hours. Replace 1 mL culture medium containing MsPDTT NPs/RsPDTT NPs (10 μM) in each dish, and culture 4T1 cells for an additional 2 h under normoxic (21% O 2 ) or hypoxic conditions (~0.1% O 2 ), respectively. did. DCFH-DA (20 μM) was then added and incubated for an additional 30 min under each condition. Afterwards, 4T1 cells were treated with 690 nm laser irradiation at a power density of 1.0 W/cm 2 for 5 minutes. Subsequently, 4T1 cells were stained with 4',6-Diamidino-2-phenylindole (DAPI) for 5 minutes and washed three times with PBS buffer under each condition. Cells were imaged with a confocal microscope (Leica TCS SP8; Leica Camera, Solms, Germany). Cell images were analyzed with Image J. MsPDTT NPs and RsPDTT NPs; DCF: λ ex = 488 nm, λ em = 500-580 nm; DAPI: λ ex = 405 nm, λ em = 420-470 nm.

세포 내 intracellular 국소화localization (Subcellular localization)(Subcellular localization)

4T1 세포를 공초점 접시(1 x 106 cells/well)에서 정상산소 조건(21% O2)하에 24시간 동안 배양하여 벽에 붙이고 정상산소(21% O2) 또는 저산소 조건(~0.1% O2)에서 8시간 더 배양하였다. MsPDTT NPs(10μM)가 포함된 1mL 배양 배지를 교체하고, 4T1 세포를 저산소 조건(~0.1% O2)에서 추가로 2시간 동안 배양하였다. 4T1 세포를 추가로 15분 동안 Mito-Tracker Red(0.5μM)로 염색하고 PBS 완충액으로 3회 세척하였다. 세포는 공초점 현미경(Leica TCS SP8; Leica Camera, Solms, Germany)에 의해 이미지화하였다. 세포 이미지는 ImageJ로 분석하였다. MsPDTT NPs: λ ex = 633 nm, λ em = 680-800 nm; Mito-Tracker Red: λ ex = 561 nm, λ em = 580-620 nm.4T1 cells were cultured in a confocal dish ( 1 2 ) was cultured for an additional 8 hours. The 1 mL culture medium containing MsPDTT NPs (10 μM) was replaced, and 4T1 cells were cultured for an additional 2 h under hypoxic conditions (~0.1% O 2 ). 4T1 cells were stained with Mito-Tracker Red (0.5 μM) for an additional 15 min and washed three times with PBS buffer. Cells were imaged by confocal microscopy (Leica TCS SP8; Leica Camera, Solms, Germany). Cell images were analyzed with ImageJ. MsPDTT NPs: λ ex = 633 nm, λ em = 680-800 nm; Mito-Tracker Red: λ ex = 561 nm, λ em = 580-620 nm.

세포독성 분석Cytotoxicity assay

세포 독성은 MTT 분석을 통해 결정하였다. 96웰 플레이트(1 x 104 cells/well)에 접종된 4T1 세포를 정상산소 조건(21% O2)하에 24시간 동안 배양하여 벽에 붙이고, 정상산소(21% O2) 또는 저산소 조건(~0.1% O2)에서 8시간 더 배양하였다. 다음으로, 배양 배지를 MsPDTT NPs/RsPDTT NPs(0, 1.25, 2.5, 5, 10μM)가 포함된 배지로 교체하고, 4T1 세포를 각각 정상 산소(21% O2) 또는 저산소 조건(~0.1% O2)에서 추가로 2시간 동안 배양하였다. 배지를 제거하고 새로운 RPMI-1640 배지(100μL)로 교체하였다. 그런 다음, 4T1 세포에 10분 동안 1.0 W/cm2의 전력 밀도에서 690 nm 레이저 조사를 처리하거나(laser group), 레이저 조사 없이 어두운 환경으로 처리하였다(without laser group). 그 후, 4T1 세포를 37 ℃에서 12시간 동안 추가로 배양하였다. 각 웰에 MTT 용액(5 mg/mL)을 넣고 4시간 동안 인큐베이션한 후 100 μL DMSO를 첨가하여 formazan을 녹이고 microplate reader(BioTek, USA)를 이용하여 OD490(490 nm에서 흡광도)을 측정하였다. .Cytotoxicity was determined by MTT assay. 4T1 cells inoculated in a 96-well plate ( 1 It was cultured for another 8 hours in 0.1% O 2 ). Next, the culture medium was replaced with medium containing MsPDTT NPs/RsPDTT NPs (0, 1.25, 2.5, 5, 10 μM), and 4T1 cells were cultured under normoxic (21% O 2 ) or hypoxic conditions (~0.1% O 2 ), respectively. 2 ) was incubated for an additional 2 hours. The medium was removed and replaced with fresh RPMI-1640 medium (100 μL). Then, 4T1 cells were treated with 690 nm laser irradiation at a power density of 1.0 W/cm 2 for 10 minutes (laser group) or treated in a dark environment without laser irradiation (without laser group). Afterwards, 4T1 cells were further cultured at 37°C for 12 hours. MTT solution (5 mg/mL) was added to each well and incubated for 4 hours, then 100 μL DMSO was added to dissolve formazan, and OD 490 (absorbance at 490 nm) was measured using a microplate reader (BioTek, USA). .

MsPDTT NPs/RsPDTT NPs에 의해 생성된 PDT 또는 PTT의 치료적 기여(therapeutic contribution)는 ROS scavenger (N-acetylcysteine = NAC) 및 열 억제(heat suppression)(ice bath)를 통해 조사하였다. 96웰 플레이트(1 x 104 cells/well)에 접종된 4T1 세포를 정상산소 조건(21% O2)하에 24시간 동안 배양하여 벽에 붙이고, 정상산소(21% O2) 또는 저산소 조건(~0.1% O2)에서 8시간 더 배양하였다. PDT의 치료적 기여도 테스트를 위해 배양 배지를 MsPDTT NPs/RsPDTT NPs(10μM), MsPDTT NPs/RsPDTT NPs(10μM) + NAC(10mM), 및 NAC(10mM)가 포함된 배지로 각각 교체하고 4T1 세포를 정상 산소(21% O2) 또는 저산소 조건(~0.1% O2)에서 각각 2시간 더 배양하였다. 배지를 제거하고 새로운 RPMI-1640 배지(100μL)로 교체하였다. 그런 다음, 4T1 세포에 10분 동안 1.0 W/cm2의 전력 밀도에서 690 nm 레이저를 조사하거나, 레이저 조사 없이 어두운 환경으로 처리하였다. 그 후, 4T1 세포를 37 ℃에서 12시간 동안 추가로 배양하였다. MTT 분석은 전술한 방법과 동일하게 수행하였다. PTT의 치료적 기여도 테스트를 위해 배양 배지를 MsPDTT NPs/RsPDTT NPs(10μM)가 포함된 배지로 교체하고 4T1 세포를 정상 산소(21% O2) 또는 저산소 조건(~0.1% O2)에서 각각 2시간 더 배양하였다. 배지를 제거하고 새로운 RPMI-1640 배지(100μL)로 교체하였다. 그런 다음, 4T1 세포를 10분 동안 1.0 W/cm2의 전력 밀도에서 690 nm 레이저를 조사하였다(laser+ice group: 조사 동안 세포를 ice bath에 유지, laser group: 조사 동안 세포를 실온으로 유지). 4T1 세포는 암 그룹(dark group)으로 암실에 보관되었다. 그 후, 4T1 세포를 37º에서 12시간 동안 추가로 배양하였다. MTT 분석은 전술한 방법과 동일하게 수행하였다.The therapeutic contribution of PDT or PTT produced by MsPDTT NPs/RsPDTT NPs was investigated through ROS scavenger ( N -acetylcysteine = NAC) and heat suppression (ice bath). 4T1 cells inoculated in a 96-well plate ( 1 It was cultured for another 8 hours in 0.1% O 2 ). To test the therapeutic contribution of PDT, the culture medium was replaced with medium containing MsPDTT NPs/RsPDTT NPs (10 μM), MsPDTT NPs/RsPDTT NPs (10 μM) + NAC (10mM), and NAC (10mM), respectively, and 4T1 cells were cultured. The cells were cultured for an additional 2 hours each under normoxic (21% O 2 ) or hypoxic conditions (~0.1% O 2 ). The medium was removed and replaced with fresh RPMI-1640 medium (100 μL). Then, 4T1 cells were irradiated with a 690 nm laser at a power density of 1.0 W/cm 2 for 10 minutes, or treated in a dark environment without laser irradiation. Afterwards, 4T1 cells were further cultured at 37°C for 12 hours. MTT analysis was performed in the same manner as described above. To test the therapeutic contribution of PTT, the culture medium was replaced with medium containing MsPDTT NPs/RsPDTT NPs (10 μM) and 4T1 cells were grown in normoxic (21% O 2 ) or hypoxic conditions (~0.1% O 2 ) for 2 days each. It was cultured for more time. The medium was removed and replaced with fresh RPMI-1640 medium (100 μL). Then, 4T1 cells were irradiated with a 690 nm laser at a power density of 1.0 W/cm 2 for 10 minutes (laser+ice group: cells were kept in an ice bath during irradiation, laser group: cells were kept at room temperature during irradiation). . 4T1 cells were stored in the dark as a dark group. Afterwards, 4T1 cells were further cultured at 37º for 12 hours. MTT analysis was performed in the same manner as described above.

세포 염색cell staining

살아있는 세포(live cells)와 죽은 세포(dead cells)를 각각 Calcein-AM(calcein의 Acetoxymethyl ester)과 PI(propidium iodide) 염색하였다. 4T1 세포를 공초점 접시(2 × 106 cells/well)에서 정상산소 조건(21% O2)하에 24시간 동안 배양하여 벽에 붙이고 정상산소(21% O2) 또는 저산소 조건(~0.1% O2)에서 8시간 더 배양하였다. MsPDTT NPs/RsPDTT NPs(10μM)가 포함된 1mL 배양 배지를 각 접시에서 교체하고, 4T1 세포를 각각 정상 산소(21% O2) 또는 저산소 조건(~0.1% O2)에서 추가로 2시간 동안 배양하였다. MsPDTT NP/RsPDTT NP(10μM)가 포함된 1mL 배양 배지를 각 접시에서 교체하고 4T1 세포를 각각 정상 산소(21% O2) 또는 저산소 조건(~0.1% O2)에서 추가로 2시간 동안 배양했습니다. 배지를 제거하고 새로운 RPMI-1640 배지(100μL)로 교체하였다. 그런 다음, 4T1 세포에 10분 동안 1.0 W/cm2의 전력 밀도에서 690 nm 레이저 조사로 처리하였다. 이어서, 4T1 세포를 37℃에서 12시간 동안 추가 배양한 다음 Calcein-AM(2μM) 및 PI(4.5μM)로 15분 동안 염색하고 PBS 완충액으로 3회 세척하였다. 세포는 도립 형광 현미경(inverted fluorescence microscope)(Olympus IX71, Japan)으로 이미지하였다. Calcein-AM: λ ex = 488 nm, λ em = 510-550 nm; PI: λ ex = 530 nm, λ em = 560-640 nm.Live cells and dead cells were stained with Calcein-AM (Acetoxymethyl ester of calcein) and PI (propidium iodide), respectively. 4T1 cells were cultured in a confocal dish ( 2 2 ) was cultured for an additional 8 hours. Replace 1 mL culture medium containing MsPDTT NPs/RsPDTT NPs (10 μM) in each dish, and culture 4T1 cells for an additional 2 h under normoxic (21% O 2 ) or hypoxic conditions (~0.1% O 2 ), respectively. did. 1 mL culture medium containing MsPDTT NPs/RsPDTT NPs (10 μM) was replaced in each dish and 4T1 cells were cultured for an additional 2 h under normoxic (21% O2) or hypoxic conditions (~0.1% O2), respectively. The medium was removed and replaced with fresh RPMI-1640 medium (100 μL). Then, 4T1 cells were treated with 690 nm laser irradiation at a power density of 1.0 W/cm 2 for 10 minutes. Then, 4T1 cells were further cultured at 37°C for 12 hours, then stained with Calcein-AM (2 μM) and PI (4.5 μM) for 15 minutes and washed three times with PBS buffer. Cells were imaged with an inverted fluorescence microscope (Olympus IX71, Japan). Calcein-AM: λ ex = 488 nm, λ em = 510-550 nm; PI: λ ex = 530 nm, λ em = 560-640 nm.

피하 종양 모델(Subcutaneous tumor model)Subcutaneous tumor model

BALB/c 누드 마우스(암컷, 5주)는 Beijing Vital River Laboratory Animal Technology에서 구입하였다. 실험 전 모든 동물은 일주일 전에 조건에 적응시켰다. 그 다음, 4T1 암세포(마우스당 1×107 세포)를 각 마우스의 오른쪽 옆구리에 피하 주사하였다. 종양 부피가 약 80 mm3에 도달한 후 추가 실험을 수행하였다. BALB/c nude mice (female, 5 weeks old) were purchased from Beijing Vital River Laboratory Animal Technology. All animals were acclimatized to the conditions one week prior to the experiment. Next, 4T1 cancer cells (1×10 7 cells per mouse) were injected subcutaneously into the right flank of each mouse. Additional experiments were performed after the tumor volume reached approximately 80 mm 3 .

생체 내(In In vivo vivovivo ) 형광 ) Neon 이미징imaging

MsPDTT NPs/RsPDTT NPs(150μM, 200μL)를 정맥내(i.v.) 주사한 후, IVIS Lumina XRMS III in vivo imaging system (PerkinElmer, U.S.A.)를 사용하여 형광 이미지를 촬영하였다(excitation at 640±20 nm, emission at 710±30 nm, 0.75 s exposure time으로 다른 시점에서 촬영). 이미징 분석은 native Living Image 4.0 소프트웨어에서 수행하였다. 생체 외 생체 분포(Ex vivo biodistribution) 분석은 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs의 주입 후 24시간에 수행되었다.After intravenous (i.v.) injection of MsPDTT NPs/RsPDTT NPs (150 μM, 200 μL), fluorescence images were taken using the IVIS Lumina XRMS III in vivo imaging system (PerkinElmer, U.S.A.) (excitation at 640 ± 20 nm, emission at 710±30 nm, taken at different viewpoints with 0.75 s exposure time). Imaging analysis was performed in native Living Image 4.0 software. Ex vivo biodistribution analysis was performed 24 hours after injection of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs.

생체 내 in vivo 광음향photoacoustic (( photoacousticphotoacoustic , PA) , PA) 이미징imaging

MsPDTT NPs/RsPDTT NPs(150μM, 200μL)를 정맥내(i.v.) 주사한 후, PA 이미지는 동일한 위치에서 다른 시점에 촬영되었다. 생체 내 PA 이미징 실험 동안 마우스를 증발된 이소플루란 시스템으로 마취시켰다. PA 이미징은 실시간 다중 스펙트럼 광음향 단층 촬영(multispectral optoacoustic tomographic, MSOT) 이미징 시스템을 통해 수행하였다.After intravenous (i.v.) injection of MsPDTT NPs/RsPDTT NPs (150 μM, 200 μL), PA images were taken at the same location and at different time points. During in vivo PA imaging experiments, mice were anesthetized with a vaporized isoflurane system. PA imaging was performed using a real-time multispectral optoacoustic tomographic (MSOT) imaging system.

생체 내 치료적 효능(therapeutic efficacy) In vivo therapeutic efficacy (therapeutic efficacy) 시험InExamIn vivovivo therapeutic efficacy tests therapeutic efficacy tests

4T1 cell-bearing 누드 마우스를 6개의 그룹(5 mice per group)으로 나누었다: a. MsPDTT NPs (150 μM, 200 μL) with laser (690 nm, 1.0 W/cm2, 5 min); b. MsPDTT NPs (150 μM, 200 μL) without laser; c. RsPDTT NPs (150 μM, 200 μL) with laser (690 nm, 1.0 W/cm2, 5 min); d. RsPDTT NPs (150 μM, 200 μL) without laser; e. PBS (10 mM, 200 μL) with laser (690 nm, 1.0 W/cm2, 5 min); f. PBS (10 mM, 200 μL) without laser. 레이저를 조사하는 동안 적외선 카메라(Fluke, Ti400, USA)를 사용하여 마우스의 실시간 열화상을 기록하였다. 30일 동안, 3일마다 캘리퍼(caliper)를 사용하여 종양 크기를 기록하였다. 종양 크기는 다음의 공식을 사용하여 계산하였다: Tumor volume (mm3) = 0.5 × (tumor length) × (tumor width)2. 30일 동안, 3일 마다 체중을 기록하였다.4T1 cell-bearing nude mice were divided into 6 groups (5 mice per group): a. MsPDTT NPs (150 μM, 200 μL) with laser (690 nm, 1.0 W/cm 2 , 5 min); b. MsPDTT NPs (150 μM, 200 μL) without laser; c. RsPDTT NPs (150 μM, 200 μL) with laser (690 nm, 1.0 W/cm 2 , 5 min); d. RsPDTT NPs (150 μM, 200 μL) without laser; e. PBS (10 mM, 200 μL) with laser (690 nm, 1.0 W/cm 2 , 5 min); f. PBS (10 mM, 200 μL) without laser. During laser irradiation, real-time thermal images of the mouse were recorded using an infrared camera (Fluke, Ti400, USA). Tumor size was recorded using a caliper every 3 days for 30 days. Tumor size was calculated using the following formula: Tumor volume (mm 3 ) = 0.5 × (tumor length) × (tumor width) 2 . Body weight was recorded every 3 days for 30 days.

조직학적 분석(Histological analysis ( HistologicalHistological analysis) analysis)

각 그룹의 4T1 cell-bearing 누드 마우스를 희생시키고 조직학적 분석을 수행하였다. 종양을 수집하고 헤마톡실린-에오신(H&E) 염색에 의한 조직학적 분석을 위해 4% 파라포름알데히드로 고정하였다. 30일 동안 처리한 후, 각 그룹의 4T1 세포 보유 누드 마우스를 희생시키고 조직학적 분석을 수행하였다. 심장, 간, 비장, 폐 및 신장을 포함한 주요 장기를 H&E 염색을 위해 수집하였다. 4T1 cell-bearing nude mice from each group were sacrificed and histological analysis was performed. Tumors were collected and fixed in 4% paraformaldehyde for histological analysis by hematoxylin-eosin (H&E) staining. After treatment for 30 days, 4T1 cell-bearing nude mice from each group were sacrificed and histological analysis was performed. Major organs including heart, liver, spleen, lungs and kidneys were collected for H&E staining.

통계 분석statistical analysis

데이터는 달리 명시하지 않는 한 평균 ± 표준 편차(s.d.)로 표시하였다. 통계적 비교는 두 그룹 간의 짝을 이루지 않은 Student's t-test (two-tailed)로 수행하였다. 모든 실험의 유의성은 ****P<0.0001; ***P<0.001; **P<0.01; *P<0.05로 정의하였다. P value>0.05는 통계적으로 유의하지 않은 것으로 간주하였다(n.s.). 모든 통계 계산은 Stata 소프트웨어를 사용하여 수행하였다.Data are expressed as mean ± standard deviation (sd) unless otherwise specified. Statistical comparisons were performed with unpaired Student's t-test (two-tailed) between the two groups. Significance for all experiments was **** P <0.0001; *** P <0.001; ** P <0.01; *Defined as P <0.05. P value>0.05 was considered not statistically significant (ns). All statistical calculations were performed using Stata software.

결과 및 고찰Results and Discussion

본 발명에 따른 [화학식 1]로 표시되는 화합물 MsPDTT 및 비교 화합물 RsPDTT는 상기 Scheme 1에 따라 합성하였다. 합성된 화합물들의 특징은 1H NMR, 13C NMR 및 ESI-MS 분석을 통해 확인하였다. MsPDTT와 RsPDTT는 모두 확장된 접합으로 인해 650 nm를 중심으로 하는 넓은 NIR 흡수 밴드와 718 nm에서 형광 방출을 나타내었다(도 6). 또한, 흡수 최대값에서 관찰된 바소크로믹 쉬프트(bathochromic shift)는 공여체 코어에 메톡시모이어티의 존재에 기인하며, 그 결과 분자내 전하 이동 상호작용이 개선됨을 의미한다. The compound MsPDTT represented by [Formula 1] according to the present invention and the comparative compound RsPDTT were synthesized according to Scheme 1 above. The characteristics of the synthesized compounds were confirmed through 1 H NMR, 13 C NMR, and ESI-MS analysis. Both MsPDTT and RsPDTT exhibited a broad NIR absorption band centered at 650 nm and fluorescence emission at 718 nm due to the extended conjugation (Figure 6). Additionally, the bathochromic shift observed in the absorption maximum is due to the presence of a methoxy moiety in the donor core, resulting in improved intramolecular charge transfer interactions.

다음으로 MsPDTT와 RsPDTT의 광열 효능과 ROS 생성 능력을 각각 조사하여 다기능 역할을 테스트하였다. 도 7 내지 도 9에 나타난 바와 같이, 두 화합물은 660 nm의 레이저 조사 조건에서 농도와 레이저 출력 의존적인 열 발생 능력을 보여주었으며, 최대 3사이클까지 우수한 가열 및 냉각 응답 특성을 나타내었다. 또한, DCFH-DA(ROS 지시약)를 이용하여 MsPDTT 및 RsPDTT의 ROS 생성 능력을 시험하였다(도 10). 660 nm에서 MsPDTT의 광 조사 시, 504 nm에서 시간 의존적 흡수 향상이 관찰되었으며, 이는 생성물 DCF(2,7-dichlorofluorescein)의 형성을 나타낸다. 놀랍게도, MsPDTT의 ROS 생성률(△ROS)은 대표적인 감광제(photosensitizer, PS)인 메틸렌 블루(methylene blue, MB, △ROS = 1)보다 1.41배 높은 것으로 계산되었다. 대조적으로, 동일한 조건에서 RsPDTT는 MB에 비해 0.179배 △ROS를 나타내어 유의미한 성능을 보이지 않았다. 종합적으로, 이러한 결과를 통해, 조사 조건에서 두 화합물 모두 광열 변환 효율을 나타내며, MsPDTT는 감광성 조건에서 비교 화합물인 RsPDTT보다 더 나은 ROS 생성 능력을 나타냄을 확인하였다. Next, the photothermal efficacy and ROS generation ability of MsPDTT and RsPDTT were investigated respectively to test their multifunctional roles. As shown in Figures 7 to 9, the two compounds showed concentration- and laser power-dependent heat generation ability under 660 nm laser irradiation conditions, and exhibited excellent heating and cooling response characteristics up to 3 cycles. In addition, the ROS generation ability of MsPDTT and RsPDTT was tested using DCFH-DA (ROS indicator) (FIG. 10). Upon light irradiation of MsPDTT at 660 nm, a time-dependent absorption enhancement was observed at 504 nm, indicating the formation of the product 2,7-dichlorofluorescein (DCF). Surprisingly, the ROS generation rate (△ ROS ) of MsPDTT was calculated to be 1.41 times higher than that of methylene blue (MB, △ ROS = 1), a representative photosensitizer (PS). In contrast, under the same conditions, RsPDTT showed 0.179 times △ ROS compared to MB, showing no significant performance. Overall, these results confirmed that both compounds showed photothermal conversion efficiency under irradiation conditions, and that MsPDTT showed better ROS generation ability than the comparative compound RsPDTT under photosensitive conditions.

MsPDTT와 RsPDTT의 PDT와 PTT 속성의 차이에 대한 이유를 이해하기 위해 밀도 함수 이론 연구를 수행하였다. 광자에 의해 유도된 여기 후, 여기된 에너지는 방사(radiative) 및 비방사(non-radiative) 이완(relaxation)의 두 가지 형태로 방출될 수 있다. 비방사 이완은 열을 유도하는 광열 효과로, 여기 에너지를 방출한다. 따라서 방사 이완보다 상대적으로 지배적인 비방사 이완이 PTT의 전제 조건이다. 두 이완 간의 우세를 평가하기 위해 각 프로세스의 시간 척도(timescale)를 비교하였다.A density functional theory study was performed to understand the reasons for the differences in PDT and PTT properties of MsPDTT and RsPDTT. After photon-induced excitation, the excited energy can be released in two forms: radiative and non-radiative relaxation. Non-radiative relaxation is a photothermal effect that induces heat, releasing excitation energy. Therefore, non-radiative relaxation, which is relatively more dominant than radiative relaxation, is a prerequisite for PTT. To evaluate the dominance between the two relaxations, the timescale of each process was compared.

비단열(non-adiabatic) 분자 역학 결과에 따르면, 첫 번째 여기 상태에서 바닥 상태(S1→S0로의 비단열 지수 붕괴의 시간 척도는 MsPDTT 및 RsPDTT에서 각각 1,428.6 및 125.0 fs였다. 내부 변환(internal conversion, IC) 속도 상수가 비단열 결합 항의 제곱에 비례한다는 점을 고려하면, 이러한 IC 비율의 큰 차이는 비단열 결합 상수로 설명된다. 평균 비단열 결합 상수는 MsPDTT와 RsPDTT에서 각각 1.65×10-3 및 7.34×10-3 eV였다. 한편, 여기 상태에서의 복사 감쇠율(radiative decay rate)은 oscillator 강도(f0→1) 및 여기 에너지(S0→S1)와 관련된 Einstein 계수 Aij에 의해 유도될 수 있다. 이러한 요인의 관계는 다음과 같다:According to non-adiabatic molecular dynamics results, the time scales of the non-adiabatic exponential decay from the first excited state to the ground state (S 1 →S 0) were 1,428.6 and 125.0 fs for MsPDTT and RsPDTT, respectively. Considering that the rate constant (IC) is proportional to the square of the non-adiabatic coupling term, this large difference in the IC ratio is explained by the non-adiabatic coupling constant. The average non-adiabatic coupling constant is 1.65 × 10 - for MsPDTT and RsPDTT, respectively. 3 and 7.34×10 -3 eV. Meanwhile, the radiative decay rate in the excited state is determined by the Einstein coefficient A ij related to the oscillator strength (f 0→1 ) and excitation energy (S 0 →S 1 ). It can be derived that the relationship between these factors is as follows:

[식 2][Equation 2]

여기서, n과 u는 용매의 굴절률과 전이 주파수이다.Here, n and u are the refractive index and transition frequency of the solvent.

하기 표 1은 두 시스템에서, oscillator 강도, 여기 에너지 및 첫 번째 여기 상태에서 바닥 상태(S1→S0)까지의 방사 붕괴 수명(lifetime of radiative decay)을 나타낸다. 표 1에 나타난 바와 같이, MsPDTT 및 RsPDTT는 방사 붕괴보다 훨씬 빠른 비단열 붕괴(non-adiabatic decay)를 보인다. 예를 들어, MsPDTT 및 RsPDTT의 비단열 붕괴는 각 수직 전이의 방사 붕괴보다 약 1.8배 및 20배 더 빠르다. 이러한 계산 결과는 두 시스템 모두 PTT 효과를 나타내는 실험 결과와 일치하는 것이다.Table 1 below shows the oscillator strength, excitation energy, and lifetime of radiative decay from the first excited state to the ground state (S 1 → S 0 ) for the two systems. As shown in Table 1, MsPDTT and RsPDTT exhibit non-adiabatic decay, which is much faster than radiative decay. For example, the nonadiabatic decay of MsPDTT and RsPDTT is approximately 1.8 and 20 times faster than the radiative decay of the respective vertical transitions. These calculation results are consistent with experimental results showing the PTT effect in both systems.

[표 1][Table 1]

광역학 과정에서 세포 사멸을 유도하는 세포 독성 ROS의 생성은 중요한 단계이다. 이러한 ROS는 PDT에 사용되는 감광성 분자의 T1 상태에서 전하 이동에 의해 얻어진다. MsPDTT 및 RsPDTT의 작용 기전에 관한 하기 도 19에 나타낸 바와 같이, T1 상태는 RsPDTT 및 MsPDTT 시스템의 S1 상태에서 ISC(intersystem crossing) 프로세스를 통해 시작된다. 따라서 ISC rate는 특정 분자의 광역학적 효과를 평가하는 데 중요한 요소로 간주될 수 있다. During the photodynamic process, the generation of cytotoxic ROS that induce cell death is a critical step. These ROS are obtained by charge transfer in the T 1 state of the photosensitive molecules used in PDT. As shown in Figure 19 below regarding the mechanism of action of MsPDTT and RsPDTT, the T 1 state begins through an intersystem crossing (ISC) process in the S 1 state of the RsPDTT and MsPDTT systems. Therefore, ISC rate can be considered an important factor in evaluating the photodynamic effect of a specific molecule.

ISC rate을 평가하기 위해, 일반적으로 유기 화합물에 대한 ISC rate을 평가하기 위해 사용되는, 직접 스핀-궤도 커플링(spin-orbit coupling, SOC) 상수만을 고려하여 Fermi's golden rule을 참고하였다(Marian, C.M. (2012). Spin-orbit coupling and intersystem crossing in molecules. Wires. Comput. Mol. Sci. 2, 187-203). 그런 다음, ISC 속도 상수(kISC)는 단일항 상태와 삼중항 상태 사이의 직접 SOC 상수로부터 파생되었다:To evaluate the ISC rate, Fermi's golden rule was referred to by considering only the direct spin-orbit coupling (SOC) constant, which is generally used to evaluate the ISC rate for organic compounds (Marian, CM (2012). Spin-orbit coupling and intersystem crossing in molecules. Wires. Comput. Mol. Sci. 2, 187-203). Then, the ISC rate constant ( kISC ) was derived from the SOC constant directly between the singlet and triplet states:

[식 3][Equation 3]

(where a and b denote electronic states with multiplicity singlet or triplet, and j denotes vibrational state, a designates a fine-structure component, and q0 is a reference point, which is an optimized structure of the initial state. In this equation, is the vibrational density of state (VDOS) at the energy of the initial state, i.e., the j-th vibrational state of excited singlet electronic states. (where a and b denote electronic states with multiplicity singlet or triplet, and j denotes vibrational state, a designates a fine-structure component, and q 0 is a reference point, which is an optimized structure of the initial state. In this equation, is the vibrational density of state (VDOS) at the energy of the initial state, ie, the j-th vibrational state of excited singlet electronic states.

VDOS는 전자 상태(S1 및 T1 상태) 간의 에너지 차이에 의존하고, 두 시스템은 유사한 에너지 차이(RsPDTT, 0.580 eV 및 MsPDTT, 0.575 eV)를 나타내기 때문에, 그들의 VDOS는 ISC rate 평가에서 크게 다르지 않을 수 있다. 따라서 S1과 T1 상태 사이의 SOC 상수는 이러한 시스템의 ISC rate에 지배적인 영향을 미칠 수 있다. 이러한 결과로부터 우리는 두 시스템이 SOC 상수 값(RsPDTT, 0.253 cm- 1및 MsPDTT, 0.249 cm- 1)에서 최소 차이를 보여 식(3)의 관점에서 SOC 상수 차이의 1.04배에 불과하다는 것을 확인하였다. 즉, 시스템의 ISC rate는 비슷할 수 있지만 RsPDTT의 IC tate는 MsPDTT보다 약 11.4배 빠르다. 일반적으로 IC 프로세스는 ISC rate와 비슷하거나 빠르다. 두 시스템의 ISC rate가 RsPDTT의 IC rate와 비슷하면 MsPDTT의 경우 ISC rate가 IC rate보다 상대적으로 빠를 것이다. 이 맥락에서 우리는 두 시스템의 ISC rate가 크기(~103fs lifetime)의 순서로 MsPDTT의 IC 속도와 비슷하다고 가정하였다. RsPDTT의 IC rate가 ISC rate보다 훨씬 빠르다고 가정하면, T1 상태의 모집단은 ISC 프로세스보다 경쟁적인 IC 프로세스가 우세하기 때문에 전하를 O2 분자로 전달하기에 충분하지 않을 수 있다. 이것은 또한 PDT가 MsPDTT에서만 주로 관찰된다는 실험 결과에 따른 것이다.Since VDOS depends on the energy difference between electronic states (S 1 and T 1 states), and the two systems exhibit similar energy differences (RsPDTT, 0.580 eV and MsPDTT, 0.575 eV), their VDOS do not differ significantly in the ISC rate estimates. It may not be possible. Therefore, the SOC constant between the S 1 and T 1 states can have a dominant effect on the ISC rate of these systems. From these results, we confirmed that the two systems showed the minimum difference in SOC constant values (RsPDTT, 0.253 cm - 1 and MsPDTT, 0.249 cm - 1 ), which was only 1.04 times the difference in SOC constant in terms of equation (3). . In other words, the ISC rate of the system may be similar, but RsPDTT's IC tate is approximately 11.4 times faster than MsPDTT. In general, IC processes are similar to or faster than ISC rates. If the ISC rates of the two systems are similar to the IC rate of RsPDTT, the ISC rate will be relatively faster than the IC rate in the case of MsPDTT. In this context, we assumed that the ISC rates of both systems are similar to the IC rates of MsPDTT by an order of magnitude (~10 3 fs lifetime). Assuming that the IC rate of RsPDTT is much faster than the ISC rate, the population of T 1 states may not be sufficient to transfer charge to O 2 molecules because the competitive IC process dominates over the ISC process. This is also in accordance with the experimental results that PDT is mainly observed only in MsPDTT.

생체 적용을 위한 MsPDTT 및 RsPDTT의 수용해도 개선을 위해, 나노침전 방식을 통해 구성물들을 FDA 승인 양친매성 공중합체 DSPE-mPEG5000에 캡슐화하였다. 선형 검량선은 2.5~40 μg/mL(MsPDTT) 범위의 농도와 Lambert-Beer 법칙을 통한 해당 흡광도 간의 관계에서 파생되었다. 포획 효율(entrapment efficiency, EE)은 DSPEmPEG5000에 캡슐화된 MsPDTT 및 RsPDTT의 양과 NP 준비 과정에서 추가된 양의 비율로 정의되었습니다. MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs의 계산된 EE는 각각 58.3% 및 49.7%였다(도 1A 및 도 11). 동적 광산란(DLS) 결과를 통해, MsPDTT NPs와 RsPDTT NPs의 평균 유체역학적 크기가 약 122nm 및 약 142 nm인 것을 확인하였다(도 1B 및 도 12). 또한, TEM 이미지를 통해, MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs가 균일한 구형 형태 및 크기를 보임을 확인하였다(도 11B, inset 및 도 12 inset). 이러한 크기 결과는 제조된 NPs가 종양 부위를 표적으로 삼는 잠재적인 능력이 있음을 암시한다. 또한, MsPDTT NPs와 RsPDTT NPs의 유체역학적 크기 분포는 NPs가 PBS와 10% FBS에 보관된 후에도 무시할 수 있는 수준의 작은 변화를 보였다(도 13). PBS 완충액에 6일 동안 분산시킨 후 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs의 EE는 각각 52.8% 및 41.0%로 측정되었으며, 이는 새로 제조된 샘플과 큰 변화가 없는 수준이었다. 이러한 결과는 NPs의 우수한 수성 및 생리학적 안정성을 나타낸다.To improve the water solubility of MsPDTT and RsPDTT for bioapplication, the components were encapsulated in the FDA-approved amphiphilic copolymer DSPE-mPEG5000 via nanoprecipitation method. A linear calibration curve was derived from the relationship between concentrations ranging from 2.5 to 40 μg/mL (MsPDTT) and the corresponding absorbance through the Lambert-Beer law. Entrapment efficiency (EE) was defined as the ratio of the amount of MsPDTT and RsPDTT encapsulated in DSPEmPEG5000 to the amount added during NP preparation. The calculated EE of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs were 58.3% and 49.7%, respectively (Figure 1A and Figure 11). Through dynamic light scattering (DLS) results, it was confirmed that the average hydrodynamic size of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs was about 122 nm and about 142 nm (FIGS. 1B and 12). In addition, through TEM images, it was confirmed that MsPDTT NPs and RsPDTT NPs showed a uniform spherical shape and size (Figure 11B, inset and Figure 12 inset). These size results suggest that the prepared NPs have the potential ability to target tumor sites. Additionally, the hydrodynamic size distribution of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs showed negligible small changes even after the NPs were stored in PBS and 10% FBS (Figure 13). After dispersing in PBS buffer for 6 days, the EE of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs was measured to be 52.8% and 41.0%, respectively, which were not significantly different from the freshly prepared samples. These results indicate excellent aqueous and physiological stability of the NPs.

MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs의 PA 스펙트럼은 630~750nm 범위였으며(도 1C 및 도 14A), PA 강도는 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs의 농도에 선형적으로 의존하였다(도 14B). 또한 MsPDTT NPs와 RsPDTT NPs의 광열 효과는 적외선 열화상 카메라로 모니터하였다(도 15). 수용액에서 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs의 농도/레이저 전력 밀도 의존적 온도 변화는 0-0.25mM 및 0-0.897W/cm2의 범위에서 수행되었다. 도 1D 및 도 15에 나타난 바와 같이, MsPDTT NPs와 RsPDTT NPs의 온도는 농도/레이저 전력 밀도가 증가함에 따라 유사한 상승 추세를 나타내어 거의 동일한 광열 변환 거동을 보였다. MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs의 시험관 내 ROS 생성 능력은 ROS 지표인 DCFH-DA에 의해 평가되었다. 도 1E 및 도 1F에 나타난 바와 같이, MsPDTT NPs(5μM)와 혼합된 DCFH의 형광 강도는 레이저 조사(690nm) 조건에서, 0초에서 120초까지 시간 의존적 방식으로 525nm에서부터 점진적으로 증가하였고, 이를 통해, 레이저 조사 조건에서 MsPDTT NP에 의한 ROS가 효율적으로 생성됨을 알 수 있었다. The PA spectra of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs ranged from 630 to 750 nm (Figure 1C and Figure 14A), and the PA intensity depended linearly on the concentration of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs (Figure 14B). Additionally, the photothermal effect of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs was monitored using an infrared thermal imaging camera (Figure 15). Concentration/laser power density dependent temperature changes of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs in aqueous solution were performed in the range of 0-0.25mM and 0-0.897W/cm 2 . As shown in Figure 1D and Figure 15, the temperature of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs showed a similar upward trend with increasing concentration/laser power density, showing almost identical photothermal conversion behavior. The in vitro ROS generation ability of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs was evaluated by the ROS indicator DCFH-DA. As shown in Figure 1E and Figure 1F, the fluorescence intensity of DCFH mixed with MsPDTT NPs (5 μM) gradually increased from 525 nm in a time-dependent manner from 0 to 120 s under laser irradiation (690 nm) conditions, through which , it was found that ROS were efficiently generated by MsPDTT NPs under laser irradiation conditions.

대조적으로, RsPDTT NPs(5μM)와 혼합된 DCFH의 형광 강도는 유사한 조건에서 눈에 띄는 변화를 나타내지 않았다. 이러한 결과는 MsPDTT NPs가 용액에서 레이저 조사하에서 열과 ROS를 생성할 수 있어 PTT 및 PDT의 좋은 후보가 되는 반면, RsPDTT NPs는 용액에서 레이저 조사하에서만 열을 생성할 수 있고 PTT에만 사용할 수 있음을 나타내는 것이다.In contrast, the fluorescence intensity of DCFH mixed with RsPDTT NPs (5 μM) showed no noticeable change under similar conditions. These results indicate that MsPDTT NPs can generate heat and ROS under laser irradiation in solution, making them good candidates for PTT and PDT, whereas RsPDTT NPs can only generate heat under laser irradiation in solution and can only be used for PTT. will be.

다음으로, 살아있는 세포에서 MsPDTT NPs의 세포간 ROS 생성 능력을 평가하였다. 도 2A에 나타낸 바와 같이, 4T1 뮤린 유방암 세포를 DCFH-DA 및 NPs(10 μM)와 함께 사전 인큐베이션하였다. 레이저 조사(690 nm, 1W/cm2, 5분, 21% O2)시, MsPDTT NPs로 처리된 세포에서 밝은 녹색 형광이 관찰되었다(도 2A). 이러한 녹색 형광은 RsPDTT NPs 처리된 세포에서는 관찰되지 않았습니다. 또한 저산소 조건에서 NPs의 ROS 생성 능력을 평가하였다. 이를 위해, Anaero Pack System을 사용하여 시험관 내 저산소 환경을 구축하였다. 저산소 조건(0.1% O2)에서 4T1 세포는 유사한 실험 조건(도 2A 및 2B)에서 정상 산소 환경(21% O2)에 비해 약한 형광 신호를 나타내었다. 이러한 결과는 MsPDTT NPs가 저산소 상태보다 정상 산소 상태에서 더 많은 ROS를 생성할 수 있는 반면 RsPDTT NPs는 정상 산소 상태 또는 저산소 상태에서 ROS를 생성하지 않음을 나타내는 것이다. 또한, 상용 MitoTracker red를 사용한 추가 colocalization 실험 결과, MsPDTT NPs(2시간 배양)가 Pearson의 상관 계수가 0.94인 미토콘드리아에서 우선적으로 국소화됨을 확인하였다(도 16). 이러한 결과를 통해, TPP 양이온을 MsPDTT 스캐폴드에 통합할 경우, NPs의 미토콘드리아 표적화 능력이 향상될 수 있음을 확인하였다.Next, the intercellular ROS generation ability of MsPDTT NPs was evaluated in living cells. As shown in Figure 2A, 4T1 murine breast cancer cells were pre-incubated with DCFH-DA and NPs (10 μM). Upon laser irradiation (690 nm, 1W/cm 2 , 5 min, 21% O 2 ), bright green fluorescence was observed in cells treated with MsPDTT NPs (Figure 2A). This green fluorescence was not observed in cells treated with RsPDTT NPs. Additionally, the ROS generation ability of NPs was evaluated under hypoxic conditions. For this purpose, an in vitro hypoxic environment was established using the Anaero Pack System. 4T1 cells under hypoxic conditions (0.1% O 2 ) showed a weaker fluorescence signal compared to normoxic environments (21% O 2 ) under similar experimental conditions (Figures 2A and 2B). These results indicate that MsPDTT NPs can generate more ROS under normoxic conditions than under hypoxic conditions, while RsPDTT NPs do not generate ROS under normoxic or hypoxic conditions. In addition, as a result of an additional colocalization experiment using commercial MitoTracker red, it was confirmed that MsPDTT NPs (2-hour culture) were preferentially localized in mitochondria with a Pearson's correlation coefficient of 0.94 (Figure 16). These results confirmed that the mitochondrial targeting ability of NPs could be improved when TPP cations were incorporated into the MsPDTT scaffold.

TPP를 RsPDTT에 도입하면 MsPDTT의 이중 광선 치료 특성이 가능하다. 광유도 치료 효능을 평가하기 위해 정상산소 조건에서 4T1 세포에 대한 MsPDTT NPs와 RsPDTT NPs의 항종양 효과를 시험관 내에서 비교하였다(도 2C). 4T1 세포를 레이저 조사 없이 MsPDTT NP 및 RsPDTT NP와 함께 인큐베이션시 세포 생존율의 명백한 감소는 관찰되지 않았으며, 이는 시험관 내에서의 우수한 생체 적합성을 나타낸다. 광조사(690 nm, 1W/cm2, 10 분)하에서, 10μM의 동일한 농도에서 RsPDTT NPs(~67% 세포 사멸)에 비해 MsPDTT NPs 처리 세포(~97% 세포 사멸)에서 우수한 치료 효과가 관찰되었다. 그 결과, MsPDTT NPs와 RsPDTT NPs의 유사한 PTT 효과에도 불구하고, MsPDTT NPs가 PDT 효과와 PTT 효과를 모두 가지고 있기 때문에 MsPDTT NPs가 RsPDTT NPs보다 더 나은 항암 능력을 보였다. 또한, MsPDTT NPs는 저산소증 및 정상산소에서 효과적인 항암 효과를 보였고(저산소 조건에서 69% 세포 사멸, 정상 산소 조건에서 90% 세포 사멸), 이는 이중 광선 요법이 광유도 치료에 유리할 것임을 나타내는 것이다(도 2D).Introducing TPP into RsPDTT enables the dual phototherapy properties of MsPDTT. To evaluate the efficacy of light-induced treatment, the antitumor effects of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs on 4T1 cells were compared in vitro under normoxic conditions ( Figure 2C ). No obvious decrease in cell viability was observed when 4T1 cells were incubated with MsPDTT NPs and RsPDTT NPs without laser irradiation, indicating good biocompatibility in vitro. Under light irradiation (690 nm, 1W/cm 2 , 10 min), a superior therapeutic effect was observed in MsPDTT NPs-treated cells (~97% cell death) compared to RsPDTT NPs (~67% cell death) at the same concentration of 10 μM. . As a result, despite the similar PTT effects of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs, MsPDTT NPs showed better anticancer ability than RsPDTT NPs because MsPDTT NPs have both PDT effect and PTT effect. Additionally, MsPDTT NPs showed effective anticancer effects under hypoxia and normoxia (69% cell death under hypoxic conditions and 90% cell death under normoxic conditions), indicating that dual phototherapy would be advantageous for light-induced treatment ( Figure 2D ).

PDT 또는 PTT 매개 세포독성 정도를 평가하기 위한 MTT 분석 결과, 저산소 조건(0.1% O2)에서 MsPDTT NPs와 레이저를 조사한 세포의 경우, NAC로 전처리한 세포(~35% 세포 생존율)와 NAC 전처리를 하지 않은 세포(~33% 세포 생존율)에서 유사한 세포독성 효과가 관찰되었다. 그러나 ice bath 조건에서는 일부 세포 손상되었으며(~14% 세포 사멸), 이는 저산소 조건에서 MsPDTT NPs의 항암 효과가 주로 PTT 효과에 기인한다는 것을 의미한다(도 3A). 정상산소 조건(21% O2)에서 NAC 전처리(~31% 세포 생존)보다 ice bath에서 MsPDTT NPs 처리 및 레이저 조사 시(~41% 세포 생존) 더 많은 4T1 세포가 살아 남았다. 이는 PTT 효과가 종양 세포를 죽이는 데 PDT 효과보다 더 기여했음을 시사하는 것이다(도 3B). 마찬가지로, 레이저 조사 동안 ice bath에서 세포와 배양된 RsPDTT NPs는 MTT 분석에서 세포 손상이 거의 나타나지 않았으며, 이는 RsPDTT NPs의 항암 효과가 주로 PTT 효과에 기인한다는 것을 나타낸다(도 3C). Calcein-AM/propidium iodide(PI) 동시 염색 결과, 정상 산소 및 저산소 조건 모두에서 레이저 조사 후 살아있는 세포(녹색)에 비해 더 많은 죽은 세포(빨간색)가 관찰되었다(도 3D). 종합적으로, 이러한 결과는 레이저 조사 하에서, MsPDTT NPs가 효율적인 PDT를 위해 정상산소 환경에서 ROS를 생성할 수 있을 뿐만 아니라 효율적인 저산소 세포 PTT 파괴를 위해 저산소 조건에서 가열할 수 있음을 나타낸다. 또한, RsPDTT NPs가 정상산소 세포 광열 파괴에 효과적인 물질임을 확인할 수 있었다.As a result of the MTT assay to evaluate the degree of PDT or PTT-mediated cytotoxicity, in the case of cells irradiated with MsPDTT NPs and laser under hypoxic conditions (0.1% O 2 ), cells pretreated with NAC (~35% cell viability) and NAC pretreatment A similar cytotoxic effect was observed in cells that did not (~33% cell viability). However, under ice bath conditions, some cells were damaged (~14% cell death), which means that the anticancer effect of MsPDTT NPs under hypoxic conditions is mainly due to the PTT effect (Figure 3A). More 4T1 cells survived when treated with MsPDTT NPs and laser irradiated in an ice bath (~41% cell survival) than with NAC pretreatment (~31% cell survival) under normoxic conditions (21% O 2 ). This suggests that the PTT effect contributed more than the PDT effect to killing tumor cells (Figure 3B). Likewise, RsPDTT NPs cultured with cells in an ice bath during laser irradiation showed little cell damage in the MTT assay, indicating that the anticancer effect of RsPDTT NPs is mainly due to the PTT effect (Figure 3C). As a result of simultaneous Calcein-AM/propidium iodide (PI) staining, more dead cells (red) were observed compared to live cells (green) after laser irradiation in both normoxic and hypoxic conditions (Figure 3D). Collectively, these results indicate that under laser irradiation, MsPDTT NPs can generate ROS in normoxic environment for efficient PDT as well as heat under hypoxic conditions for efficient hypoxic cell PTT destruction. In addition, it was confirmed that RsPDTT NPs are an effective material for photothermal destruction of normoxic cells.

다음으로 4T1 종양 보유(tumor-bearing) 누드 모델에서 정맥내(i.v.) 투여에 의해 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs의 생체내 이중 모드 PA/NIR 이미징 기능을 평가하였다. PA 이미징 및 NIRF 이미징은 각각 실시간 다중 스펙트럼 광음향 단층 촬영 이미징 시스템 및 IVIS Lumina XRMS III 생체 내 이미징 시스템에서 수행되었다. 관심 영역의 PA 신호 및 형광 강도의 반정량적 분석은 이중 모드 이미징의 신호 변화가 서로 일치함을 보여주었다(도 4A-4D). MsPDTT NPs와 RsPDTT NPs는 모두 종양 부위에 점차적으로 축적되었고 주사 후 12시간에 최대 종양 축적을 나타내었다. 종양 대 정상 조직 비율은 시간이 지남에 따라 점차적으로 향상되었고 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs 투여 후 12시간에 각각 최대 6.8 및 6.0에 도달하였다(도 4E). 생체외 NIRF 이미징을 위해 해부된 종양 및 주요 기관(심장, 간, 비장, 폐 및 신장)을 주사 후 24시간째에 수집하였다. 종양은 가장 높은 형광 강도를 나타내었으며, 이는 MsPDTT NPs 및 RsPDTT NPs가 종양 부위를 성공적으로 표적화하고 축적할 수 있음을 의미한다(도 4F 및 4G). 다음으로, 이종이식 4T1 뮤린 유방 종양이 있는 누드 마우스에 대한 MsPDTT NPs의 치료 능력을 추가적으로 평가하였다(도 5). 종양의 부피가 약 80mm3에 도달했을 때 BALB/c 누드 마우스(암컷, 4주)를 무작위로 6개 그룹(각각 n = 5개)으로 분리하였다: (1) MsPDTT NPs (150 μM, 200 μL) + laser; (2) MsPDTT NPs (150 μM, 200 μL); (3) RsPDTT NPs (150 μM, 200 μL) + laser; (4) RsPDTT NPs (150 μM, 200 μL); (5) PBS (10 mM, 200 μL) + laser; (6) PBS (10 mM, 200 μL). 그룹 (1), (3) 및 (5)는 정맥내 주사 후 12시간에 690 nm 레이저(1 W/cm2, 5분)로 조사하였다. 종양별 축적 및 온도 변화는 적외선 열화상 카메라로 기록하였다. 도 5A 및 5B에 도시된 바와 같이, 그룹 (1) 및 (3)의 종양 부위의 온도는 레이저 치료 동안 각각 35.8℃에서 53.7℃및 36.0℃에서 54.8℃로 급격한 증가를 보였다. 이러한 결과는 MsPDTT NPs와 RsPDTT NPs가 생체 내에서 유사한 광열 효과를 가질 뿐만 아니라 축적된 NPs에 의해 유도된 지속적인 고온이 종양 온열 요법의 요구를 넘어선다는 것을 시사한다. 각 그룹의 마우스는 처리 후 2일에 희생되었고, 종양 조각은 헤마톡실린 및 에오신(H&E) 염색을 위해 수집되었다(도 5C). 그룹 (1)의 경우 MsPDTT NPs를 투여하고 레이저를 조사한 후, 종양 세포 괴사 및 세포 사멸을 포함한 명백한 손상이 관찰되었다. 그룹 (3)의 경우 그룹 (1)에 비해 RsPDTTs 나노입자 투여 및 레이저 조사 후 더 적은 괴사 영역이 구별되었다. 다른 대조군(PBS)의 경우 병리학적 부분에서 거의 손상이 관찰되지 않았다. 이러한 결과를 통해, PDT 및 PTT 특성이 결합된 MsPDTT NPs가 PTT 효과만 있는 RsPDTT NPs보다 4T1 종양 보유 마우스에서 훨씬 더 우수한 항종양 치료 능력을 나타냄을 확인하였다. 치료 효율의 평가는 처리 후 30일 동안 매 3일마다 종양 부피 및 체중을 모니터링함으로써 추가로 수행하였다. 도 5D에 도시된 바와 같이, 종양 성장은 그룹(3)에서 RsPDTT NPs 및 레이저 조사 후에 부분적으로 억제되었다. 놀랍게도, MsPDTT NPs 투여 및 레이저를 조사한 그룹 (1)에서 그룹 (3)보다 더 유의한 종양 성장 억제가 확인되었으며, 이는 MsPDTT NPs의 상승적 치료 효과를 암시한다. 또한 각 그룹의 종양 부피 변화를 기록하기 위해 사진을 찍었다(도 17). 각각의 그룹에서 체중은 정상 범위 내에서 변화하였는바, 이를 통해, MsPDTT NPs와 RsPDTT NPs 모두의 우수한 생물학적 안전성을 확인하였다(도 5E). 각 그룹의 마우스는 처리 후 30일에 희생되었고 주요 장기(심장, 간, 비장, 폐 및 신장)는 H&E 염색을 위해 수집되었다(도 18). 모든 테스트 그룹에서 조직학적 분석에 의해 비정상적인 손상이 구별되지 않았으며, 이는 MsPDTT NPs와 RsPDTT NPs가 모두 살아있는 시스템에서 생체적합성임을 암시하였다. 다음으로 마우스 모델의 생존율에 대한 통계를 작성하였다(도 5F). 그 결과, MsPDTT NPs의 정맥내 주사와 레이저 조사를 받은 쥐만이 50일 후까지 수명이 상당히 연장되었다. 대조적으로, RsPDTT NPs 투여 및 레이저를 조사한 그룹 (3)의 모든 마우스는 50일 이내에 사망하였다. 이러한 결과를 통해, PDT 및 PTT 특성이 결합된 MsPDTT NPs가 PTT 특성만 있는 RsPDTT NPs보다 종양 보유 마우스에서 훨씬 더 나은 치료 효과를 가짐을 확인하였다. Next, we evaluated the in vivo dual-mode PA/NIR imaging capabilities of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs by intravenous (iv) administration in a 4T1 tumor-bearing nude model. PA imaging and NIRF imaging were performed on a real-time multispectral photoacoustic tomography imaging system and an IVIS Lumina XRMS III in vivo imaging system, respectively. Semiquantitative analysis of the PA signal and fluorescence intensity of the region of interest showed that the signal changes in dual-mode imaging were consistent with each other (Figures 4A-4D). Both MsPDTT NPs and RsPDTT NPs gradually accumulated in the tumor area and showed maximum tumor accumulation at 12 hours after injection. The tumor-to-normal tissue ratio gradually improved over time and reached a maximum of 6.8 and 6.0 at 12 h after administration of MsPDTT NPs and RsPDTT NPs, respectively ( Figure 4E ). For ex vivo NIRF imaging, dissected tumors and major organs (heart, liver, spleen, lungs, and kidneys) were collected 24 hours after injection. Tumors showed the highest fluorescence intensity, meaning that MsPDTT NPs and RsPDTT NPs could successfully target and accumulate at the tumor site (Figures 4F and 4G). Next, the therapeutic ability of MsPDTT NPs on nude mice bearing xenografted 4T1 murine mammary tumors was further evaluated (Figure 5). When the tumor volume reached approximately 80 mm 3 , BALB/c nude mice (female, 4 weeks old) were randomly separated into 6 groups (n = 5 each): (1) MsPDTT NPs (150 μM, 200 μL); ) + laser; (2) MsPDTT NPs (150 μM, 200 μL); (3) RsPDTT NPs (150 μM, 200 μL) + laser; (4) RsPDTT NPs (150 μM, 200 μL); (5) PBS (10 mM, 200 μL) + laser; (6) PBS (10 mM, 200 μL). Groups (1), (3), and (5) were irradiated with a 690 nm laser (1 W/cm 2 , 5 minutes) 12 hours after intravenous injection. Accumulation and temperature changes for each tumor were recorded with an infrared thermal imaging camera. As shown in Figures 5A and 5B, the temperature of the tumor area in groups (1) and (3) showed a rapid increase from 35.8°C to 53.7°C and from 36.0°C to 54.8°C, respectively, during laser treatment. These results suggest that not only MsPDTT NPs and RsPDTT NPs have similar photothermal effects in vivo, but also that the sustained high temperature induced by accumulated NPs exceeds the needs of tumor hyperthermia. Mice in each group were sacrificed 2 days after treatment, and tumor pieces were collected for hematoxylin and eosin (H&E) staining (Figure 5C). For group (1), after administering MsPDTT NPs and irradiating with laser, obvious damage, including tumor cell necrosis and apoptosis, was observed. In group (3), fewer necrotic areas were distinguished after RsPDTTs nanoparticle administration and laser irradiation compared to group (1). In the case of the other control group (PBS), almost no damage was observed in the pathological part. Through these results, it was confirmed that MsPDTT NPs, which combine PDT and PTT properties, showed much better antitumor treatment ability in 4T1 tumor-bearing mice than RsPDTT NPs, which only have PTT effects. Evaluation of treatment efficiency was further performed by monitoring tumor volume and body weight every 3 days for 30 days after treatment. As shown in Figure 5D, tumor growth was partially inhibited after RsPDTT NPs and laser irradiation in group (3). Surprisingly, more significant tumor growth inhibition was confirmed in group (1) administered MsPDTT NPs and irradiated with laser than group (3), suggesting a synergistic therapeutic effect of MsPDTT NPs. Additionally, photographs were taken to record changes in tumor volume in each group (Figure 17). In each group, body weight changed within the normal range, confirming the excellent biological safety of both MsPDTT NPs and RsPDTT NPs (Figure 5E). Mice in each group were sacrificed 30 days after treatment and major organs (heart, liver, spleen, lungs, and kidneys) were collected for H&E staining (Figure 18). No abnormal damage was distinguished by histological analysis in all tested groups, suggesting that both MsPDTT NPs and RsPDTT NPs were biocompatible in living systems. Next, statistics on the survival rate of the mouse model were created (Figure 5F). As a result, only the mice that received intravenous injection of MsPDTT NPs and laser irradiation had a significant extension of lifespan after 50 days. In contrast, all mice in group (3) administered RsPDTT NPs and irradiated with laser died within 50 days. These results confirmed that MsPDTT NPs, which combine PDT and PTT properties, had a much better therapeutic effect in tumor-bearing mice than RsPDTT NPs, which only had PTT properties.

본 발명에서는 이중 모드 이미징(PA/fluorescence) 및 광선 요법(PDT/PTT)을 위한, 미토콘드리아 표적 공여자-수용체-공여자(D-A-D) 분자 구조의 화합물 MsPDTT 및 이를 포함하는 감광제를 제공하며, 또한, 생체 적합성 제형을 위해 중합지질에 의해 캡슐화된 나노입자 MsPDTT NPs를 제공한다. 효율적인 PS로서의 MsPDTT NPs의 실용성은 이론적 계산, 예비 솔루션 및 세포 기반 실험을 통해 확인하였다. 종합적으로, 향상된 투과성, 머무름 효과 및 TPP 매개 표적화로 인해 MsPDTT NPs는 향상된 종양 조직 흡수 능력을 가지며, 강한 형광 신호를 증폭하여 전신에서 종양의 존재를 효과적으로 이미징하며, 또한 PA 이미징을 통해 특히 종양 조직의 고해상도 이미지를 제공할 수 있다. 또한, MsPDTT NPs는 PDT 및 PTT를 통해 최대 광자 사용을 활용하는 전략에 따라 현저히 향상된 종양 성장 억제 능력 및 치료 효능을 나타내었는바, 본 발명은 전통적인 PDT 관련 저산소증 매개 저항을 회피할 수 있는 유용한 전략이 될 것으로 기대된다. The present invention provides a compound MsPDTT with a mitochondria-targeted donor-acceptor-donor (D-A-D) molecular structure for dual-mode imaging (PA/fluorescence) and phototherapy (PDT/PTT), and a photosensitizer containing the same, and is also biocompatible. Nanoparticles MsPDTT NPs encapsulated by polymerized lipids are provided for formulation. The practicality of MsPDTT NPs as an efficient PS was confirmed through theoretical calculations, preliminary solutions, and cell-based experiments. Overall, due to the enhanced permeability, retention effect and TPP-mediated targeting, MsPDTT NPs have improved tumor tissue uptake ability, amplify strong fluorescence signal to effectively image the presence of tumor in the whole body, and also specifically target tumor tissue through PA imaging. High-resolution images can be provided. In addition, MsPDTT NPs showed significantly improved tumor growth inhibition ability and therapeutic efficacy according to the strategy of utilizing maximum photon usage through PDT and PTT, suggesting that the present invention is a useful strategy to circumvent traditional PDT-related hypoxia-mediated resistance. It is expected that it will be.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시형태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As the specific parts of the present invention have been described in detail above, it is clear to those skilled in the art that these specific techniques are merely preferred embodiments and do not limit the scope of the present invention. something to do. Accordingly, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (6)

하기 [화학식 1]로 표시되는 화합물을 포함하는 감광제:
[화학식 1]
.
A photosensitizer containing a compound represented by the following [Chemical Formula 1]:
[Formula 1]
.
제1항에 있어서,
상기 화합물은 미토콘드리아에 특이적으로 축적되는 것을 특징으로 하는 감광제.
According to paragraph 1,
A photosensitizer characterized in that the compound accumulates specifically in mitochondria.
제1항에 있어서,
상기 화합물은 광역학 및 광열 치료 효과를 갖는 것을 특징으로 하는 감광제.
According to paragraph 1,
The compound is a photosensitizer characterized in that it has photodynamic and photothermal therapeutic effects.
하기 [화학식 1]로 표시되는 화합물 및 중합지질을 포함하고,
상기 화합물이 상기 중합지질에 의해 캡슐화된 것을 특징으로 하는 나노입자:
[화학식 1]
.
Contains a compound and a polymerized lipid represented by the following [Chemical Formula 1],
Nanoparticles characterized in that the compound is encapsulated by the polymeric lipid:
[Formula 1]
.
제4항에 있어서,
상기 중합지질은 DSPE-mPEG인 것을 특징으로 하는 나노입자.
According to paragraph 4,
Nanoparticles, characterized in that the polymerized lipid is DSPE-mPEG.
제1항의 감광제 또는 제4항의 나노입자를 포함하는 암 치료 또는 진단용 조성물.A composition for treating or diagnosing cancer comprising the photosensitizer of claim 1 or the nanoparticle of claim 4.
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