本文要点：胶质母细胞瘤因其高侵袭性和高频耐药性成为最常见且最具破坏性的脑肿瘤。基于聚合物发光剂的近红外二区成像引导光疗法虽为耐药性胶质瘤提供了有前景的治疗方案，但难以实现光能利用率最大化。本研究设计了一系列半导体聚合物以增强胶质母细胞瘤的可视化与消融能力。通过精妙调控吩噻嗪和噻吩基团的侧链或取代基，研究者获得了兼具优质荧光性能、良好溶解性、卓越光热转换能力及平衡活性氧生成效率的近红外二区聚合物发光剂。最优聚合物采用支化烷基链与四苯乙烯悬垂基团，调控辐射能量耗散通道与非辐射能量耗散通道间的平衡。高灵敏度近红外二区成像技术成功监测了载脂蛋白E修饰聚合物纳米粒的血脑屏障穿透及胶质瘤细胞靶向过程。近红外照射触发并最大化了光子在原位耐药性胶质母细胞瘤的光动力/光热协同治疗中的利用率。

图1. 脑靶向载脂蛋白E（ApoE）修饰聚合物纳米粒的设计、制备及其对荷原位耐药胶质母细胞瘤小鼠的协同光热和光动力治疗

本研究通过侧链工程开发了一种基于吩噻嗪(PTZ)的、具有聚集诱导发光(AIE)特性的近红外二区半导体聚合物诊疗系统，其中PTZ单元作为电子供体核心和振动单元促进聚合物调控(图1)。通过改变噻吩桥上的空间位阻侧链和PTZ核的取代基，系统研究了侧链片段对聚合物溶解度和光物理性能的影响。具有典型AIE特性和优异溶剂溶解度的最优聚合物(P3)可自组装为水分散纳米颗粒(P3 NPs)，可实现体内高质量近红外二区荧光成像。该纳米颗粒同时表现出卓越的光稳定性、高光热转换效率及808nm激光激发的良好活性氧产出。进一步整合脑靶向载脂蛋白E(ApoE)获得的ApoE-P3 NPs，显示出显著的血脑屏障穿透能力和对耐药胶质瘤细胞的增强靶向性。出色的近红外二区荧光成像导航的协同光动力/光热治疗，有效消融了原位耐药胶质母细胞瘤小鼠模型的肿瘤，将生存期从磷酸盐缓冲液(PBS)组的17天显著延长至45天。这种精巧的分子设计和成功的近红外二区诊疗策略，为脑疾病和其他耐药肿瘤建立了强大的诊疗范式。

三种具有相同半导体骨架但不同侧链的半导体聚合物（P1-P3，图2a）分别通过单体PTZ和T-BBTD-T之间的Pd催化Stille偶联缩合合成。采用M062X/6-31G(d,p)方法进行了密度泛函理论(DFT)计算，评估简化模型P1-P3重复单元的电子分布与几何构型。结果显示吩噻嗪单元呈蝶形非平面结构，P1、P2、P3中两苯环二面角(θ)分别为137.74°、144.17°和149.86°（图2b）。BBTD核心与噻吩间隔基的二面角范围为38.43°至52.75°（图2c），表明其骨架扭曲特征，该构型有利于阻断分子间相互作用。如图2d,e所示，P1-P3的最低未占分子轨道(LUMO)电子主要离域于BBTD核心，而最高占据分子轨道(HOMO)则分布于整个共轭主链，揭示了强给体-受体(D-A)结构中的典型电荷分离特性。P1、P2、P3的能隙估值分别为3.14、3.26和3.23 eV。三者最大吸收峰分别位于804 nm、804 nm和712 nm，对应质量消光系数为17.7、18.4和12.7 L g⁻¹ cm⁻¹，表明其在近红外窗口具有强吸收能力（图2f）。此外，P1-P3的光致发光(PL)光谱在900-1500 nm呈现宽发射带（图2g）。值得注意的是，P1和P2在聚集态下随不良溶剂比例增加显现荧光淬灭，呈现典型聚集导致淬灭(ACQ)特性。而具有大位阻螺旋桨状四苯乙烯(TPE)基团的P3，在密堆积时有效抑制了链内/链间π–π堆积，使聚集态荧光强度提升2.2倍（图2h），展现优异聚集诱导发光(AIE)特性，为高灵敏度近红外二区荧光成像应用奠定基础。

图3. P3 NPs的表征

得益于优异聚集诱导发光性能，P3成为体外体内应用的理想候选材料。自组装P3纳米颗粒平均粒径为169.0纳米（图3a），在磷酸盐缓冲液、纯水和胰蛋白酶溶液中保持5天稳定分散（图3b）。其最大吸收峰与发射峰分别位于740纳米和1016纳米，发射光谱延伸至1400纳米（图3c）。该特性使P3纳米颗粒在不同带通滤光片下仍呈现明亮的浓度依赖性近红外二区荧光（图3d）。此外，P3纳米颗粒可清晰勾勒全身血管系统（尤其是腹部及后肢血管），成像信号显著优于吲哚菁绿（ICG），信噪比明显提升（图3e）。纳米颗粒在脑肿瘤区域的实时分布与积累过程被清晰呈现（图3f），证实P3纳米粒子具备高质量近红外二区成像能力，在原位胶质母细胞瘤监测中展现巨大潜力。光热性能方面，P3纳米颗粒吸收的光能可高效转化为热能，其温升效应呈辐照时间与浓度双重依赖性（图3g）。200μM浓度样品经360秒辐照后温升达35.1°C，远超纯水6.9°C的温升幅度。热成像图直观显示含P3液滴的温度显著升高（图3h）。更重要的是，P3纳米颗粒具备卓越抗光漂白能力，808纳米激光持续照射30分钟后吸光度变化可忽略（图3i），P3纳米颗粒光热转换效率（η）达20.6%。电子自旋共振谱捕获到单线态氧、羟基自由基和超氧自由基的强特征信号（图3j-l），证实P3纳米颗粒近红外激光触发多类型活性氧生成能力。综上，P3纳米颗粒实现了近红外光能的平衡利用，其分子设计合理，在近红外二区成像引导的体内光疗领域前景广阔。

图4. ApoE-P3 NPs体外实验

随后研究者评估了P3纳米颗粒的体外诊疗效率。通过合成修饰型两亲性聚合物载体（DSPE-PEG-ApoE），将脑靶向肽（ApoE）整合至纳米颗粒。Transwell实验定量表明，经体外血脑屏障模型传输后，ApoE-P3纳米颗粒的穿透效率较P3纳米颗粒组提升3.1倍（图4a）。共聚焦图像证实ApoE-P3纳米颗粒在3D肿瘤球体中的渗透性显著增强（图4b）。未辐照条件下，内化的ApoE-P3纳米颗粒对293T、HA1800、U87、U251-TR、LO2及Beas-2B细胞均无明显毒性（图4c）。此外在200 μM浓度下辐照9分钟，ApoE-P3纳米颗粒对U251-TR细胞的杀伤效率达86.5%，远优于P3纳米颗粒组（30.4%）和替莫唑胺组（13.9%）的微弱杀伤效果（图4d,e）。这些结果证实ApoE-P3纳米颗粒具备良好的生物相容性，并对耐药胶质瘤细胞具有高效靶向治疗能力。随后通过DCFH-DA探针评估ApoE-P3纳米颗粒的胞内活性氧生成能力。共聚焦观察显示，ApoE-P3纳米颗粒联合辐照组两种指示剂均呈现明亮荧光，而其他对照组荧光信号微弱，证实其在近红外照射下能于U251-TR细胞内高效产生活性氧（图4f,g）。结晶紫染色结果进一步证实ApoE-P3纳米颗粒在光照条件下对U251-TR细胞的显著杀伤作用（图4h）。流式细胞分析表明：黑暗环境中单独ApoE-P3纳米颗粒仅诱导7.30%细胞死亡，而光照联合组细胞死亡率达63.68%，显著高于光照下P3纳米颗粒组的6.23%（图4i）。上述结果充分证明ApoE-P3纳米颗粒具有优异的靶向光疗效率，可有效消融耐药胶质瘤细胞。

图5. ApoE-P3 NPs体内实验

接下来，按照图5a所示流程在荷U251-TR肿瘤小鼠体内进行诊疗研究。体内药代动力学研究表明，ApoE-P3纳米颗粒与P3纳米颗粒的体内消除半衰期（t1/2,β）分别为2.88小时和0.52小时（图5b）。如图5c所示，P3纳米颗粒组仅在注射后最初2小时内观察到微弱荧光信号；与之形成鲜明对比的是，注射ApoE-P3纳米颗粒1小时后胶质母细胞瘤区域即呈现显著荧光，24小时达到最大蓄积量，表明ApoE修饰有效促进了ApoE-P3纳米颗粒在原位U251-TR荷瘤小鼠体内的血脑屏障穿透。后续生物分布结果显示，两种纳米颗粒在主要脏器中分布相似，且在肝脏和脾脏中均有显著蓄积（图5d）。高效蓄积的ApoE-P3纳米颗粒经808纳米辐照1分钟后，诱导温度急剧升高至44.1℃（图5e），该值高于PBS组（38.1℃）和P3纳米颗粒组（38.2℃），证实其具备高效的靶向光热转换能力。生存曲线分析显示，ApoE-P3纳米颗粒联合808纳米辐照组生存期延长至45天，显著优于PBS组（17天）、单独ApoE-P3纳米颗粒组（20天）及P3纳米颗粒联合辐照组（24天），证实ApoE-P3纳米颗粒对耐药胶质瘤具有优异的光疗效果（图5f）。整个治疗期间各组小鼠体重未见明显波动（图5g），表明P3与ApoE-P3纳米颗粒副作用轻微。H&E与TUNEL染色分析显示，相较于其他三组，ApoE-P3纳米颗粒联合辐照组肿瘤切片呈现显著缩小的瘤体体积和明显的肿瘤细胞凋亡（图5h,i）。综上结果表明，ApoE-P3纳米颗粒具备显著生物相容性与安全性，对原位U251-TR胶质瘤协同光动力/光热治疗具有高效性。

参考文献

Su X, Liu Y, Zhong Y, et al. A Brain-Targeting NIR-II Polymeric Phototheranostic Nanoplatform toward Orthotopic Drug-Resistant Glioblastoma[J]. Nano Letters, 2025, 25(9): 3445-3454.

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