Highly efficient upconversion photodynamic performance of rare-earth-coupled dual-photosensitizers: ultrafast experiments and excited-state calculations

光子上转换 光动力疗法 光敏剂 激发态 系统间交叉 材料科学 纳米技术 光化学 化学 光电子学 兴奋剂 物理 单重态 有机化学 核物理学
作者
Yubiao Yang,Lei Zhang,Chao Xiao,Zhencheng Huang,Fuli Zhao,Jinchang Yin
出处
期刊:Nanophotonics [De Gruyter]
卷期号:13 (4): 443-455 被引量:10
标识
DOI:10.1515/nanoph-2023-0772
摘要

Abstract Upconversion photodynamic therapy (UC-PDT), which integrates upconversion nanoparticles (UCNPs) with photosensitizers (PSs), presents a promising advancement in the field of phototherapy. However, despite the extensive studies focused on the design and synthesis of UCNPs, there is a paucity of systematic research on the mechanisms underlying the synergistic upconversion photodynamic effects. Here we have synthesized upconversion core@dotted-shell nanoparticles (CDSNPs) and covalently tethered them with two distinct PSs, thereby constructing a dual-PS UC-PDT system with high synergistic photodynamic performance. To unravel the mechanism underlying the synergism, we employed a combination of quantum mechanical calculations and ultrafast time-resolved spectroscopy techniques. The results indicate that rare earth oxides play a pivotal role in enhancing the intersystem crossing processes of PSs through modulating their excited electronic states. Additionally, Förster resonance energy transfer between two distinct PSs contributes to the amplification of triplet state populations, thus further enhancing the photodynamic effect. In vitro experiments demonstrate that the prepared CDSNPs based dual-PS system exhibits excellent biocompatibility with normal cells and exceptional synergistic photodynamic efficacy against tumor cells upon near-infrared excitation. This research contributes theoretical insights into the design and application of multi-photosensitizer UC-PDT systems, laying the groundwork for more efficient preclinical implementations in the future.
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