光診療學（Phototheranostics 或Phototheragnostic）作為一種新興的非侵入性診療模式，其基本思想是通過光激發整合協同診斷和治療功能，也是現代精準醫學的重要組成部分。通常，光敏劑具有治療或診斷的單一功能，因此，具有多功能的診療試劑的構建通過不同功能的分子連接或者混合起來。這樣的方式往往需要複雜的設計與合成，而且不同的組分也将帶來不确定的藥代動力學。顯然，如果能在同一分子中以簡單可控的方式實現多功能的集合、平衡，将極大簡化分子光診療試劑的設計和制備，為光診療學的實用化奠定基礎。其中，如何對激發态能量的耗散途徑進行精細的調控是實現這一目标的關鍵。

beat365beat365張俊龍課題組長期從事分子光診療試劑的研究，特别是在仿生光收集天線分子和模拟生物光敏/催化過程方面取得了重要進展。針對光診療試劑的設計，該課題組提出“金屬調控”策略，即在光吸收配體固定的情況下，通過價态相同、尺寸相近、反應性相似的金屬置換，調控金屬與配體激發态能量的傳遞過程，實現整個分子激發态能量的耗散途徑的平衡。這個方法突破了分子光敏劑（包括金屬配合物）設計中基于有機骨架（organic frame）修飾的傳統設計思路，突出了“金屬維度”。稀土金屬通常以三價陽離子的形式穩定存在，具有獨特的4f内層電子構型和豐富的電子能級和相關光學、電學和磁學性質，與配體激發态能級混合，呈現“階梯狀”能級分布，是考察“金屬調控”策略調控激發态能量耗散途徑的理想金屬。近期，他們與美國德州大學奧斯汀分校的Jonathan L. Sessler教授合作，巧妙通過稀土金屬的置換，調控金屬配合物的激發态能量耗散過程，進而實現彙集光治療和診斷功能于同一分子的光敏劑 (圖1)。

圖1. Ln配合物中能量耗散途徑示意圖和光聲成像引導的光熱/光動力協同治療

基于近紅外吸收的咔唑卟啉配體，合成了一系列具有不同稀土金屬中心(Ln = Gd，Yb，Er)的配合物。這些配合物在650-850 nm的光療窗口有着較強的吸收，通過吸收、發射以及瞬态吸收光譜，并結合理論計算，揭示了Ln配合物在光激發下的能量耗散途徑高度依賴于配體三重态和Ln離子激發态之間的能隙 (圖2)。其中，Yb配合物在産生單線态氧、放熱及發光等能量耗散途徑之間表現出了良好的平衡，同時實現光聲成像、光熱治療、光動力治療等功能。

圖2. 納秒瞬态吸收光譜和光診療試劑激發态能量耗散途徑的雅布隆斯基圖

通過将Yb配合物負載到介孔二氧化矽納米顆粒中，得到了具有水溶性以及生物相容性的YbL@MSN，并顯示出較高的光熱轉化效率 (η = 45％)以及良好的單線态氧量子産率 (ΦΔ = 31％)。此外，小鼠腫瘤模型研究表明YbL@MSN可在活體内實現光聲成像引導下的光熱/光動力協同治療，在單次近紅外激光照射後能夠明顯抑制腫瘤的生長 (圖3)。

圖3. 小鼠腫瘤模型：光聲成像引導下的光熱/光動力協同治療效果

綜上，該研究提出了一種光診療試劑設計策略，通過配位Ln離子對光敏劑的激發态特性進行調節，實現不同診療功能間的平衡。這一成果近期發表在Journal of the American Chemical Society（J. Am. Chem. Soc.  2021, 143, 7541-7552 ）上，第一作者是beat365beat365博士後朱孟良。張俊龍教授和Jonathan L. Sessler教授為該文共同通訊作者。合作者還包括湖南師範大學的宋建新教授和北京師範大學的張文凱教授。該研究得到了國家自然科學基金委員會、科技部、北京分子科學國家研究中心及化學與精細化工廣東省實驗室的經費支持。