利用多维供体工程构建NIR-II AIE聚集体实现原位乳腺癌多模式光疗
2025-07-08 来源:恒光智影 点击次数:126本文要点：集多种光诊断与光治疗功能于一体的“一体化”多模态光诊疗剂已成为推进癌症治疗的新型平台。本文首次提出多维供体工程策略，在分子结构、聚集体态及溶剂相互作用层面协同优化供体设计，成功构建D-A-D型NIR-II聚集诱导发光分子（AIEgen）OPITBT。其纳米颗粒（OPITBT NPs）在四氢呋喃中的荧光量子产率提升16倍，兼具优异光热转换效率（PCE）与I型活性氧（ROS）生成能力。进一步构建的肿瘤靶向纳米粒（OPITBT-R NPs）可在单束808nm激光激发下，通过荧光-光声-光热多模态成像引导的光动力-光热协同治疗彻底清除原位乳腺癌。值得注意的是，该制剂依靠卓越的NIR-II荧光亮度实现了活体小鼠全身血管的NIR-IIb高分辨成像。本工作为平衡光诊疗性能提供了增强NIR-II荧光分子辐射耗散的普适性策略，推动了一体化光诊疗系统的发展。
本研究提出创新的多维供体工程策略，通过同步调控分子结构、聚集体态及溶剂相互作用三个维度优化NIR-II聚集诱导发光分子（AIEgens）性能：(i) 通过供体工程调节给体-受体（D-A）作用强度，获得适配能带隙，平衡吸收/发射波长与固有非辐射能量耗散；适度D-A强度还可抑制分子扭曲电荷转移（TICT）效应；(ii) 通过供体工程控制分子构象，改变聚集体中的分子堆叠模式，从而增强AIE特性并提升荧光量子产率；(iii) 引入体积庞大的疏水基团可最小化AIEgens与水分子相互作用，且聚集态形成的致密疏水网络进一步增强疏水作用，最终显著提高荧光量子产率。
方案1.（A）具有多模光疗性能的NIR-II AIEgens供体工程示意图。（B）OPITBT-R NPs的纳米制备及其在NIR-II FLI/PAI/PTI三峰成像引导PDT/PTT中的应用（Figdraw）
作为概念验证，本文设计并合成新型强供体单元——二苯胺茚并[1,2-b]噻吩，通过引入甲氧基与2,4,4-三甲基戊烷-2-基团调控其性能。将三种不同供体单元与噻吩苯并噻二唑偶联，成功开发出三种新型D-A-D型NIR-II聚集诱导发光分子（方案1A）。通过系统实验研究，在分子及纳米聚集体层面全面评估了它们的光物理性质，包括吸收/发射波长、AIE特性、荧光量子产率、活性氧生成能力及光热转换效率。其中代表性OPITBT纳米颗粒展现出卓越的光稳定性、高NIR-II荧光亮度、优异光热性能和可接受的活性氧生成能力，彰显了多模态光诊疗应用的巨大潜力。这些实验结果证实了多维供体工程策略在平衡激发态能量耗散路径方面的有效性。通过理论计算进一步阐明了该策略的可行性机制。基于DSPE-PEG2000-cRGDfk修饰构建的肿瘤靶向纳米粒OPITBT-R，在808nm近红外激光激发下，通过NIR-II荧光/光声/光热三模态成像引导的光动力-光热协同治疗，实现了原位乳腺癌的有效根除（方案1B）。本研究既彰显了多维供体工程的成功实践，又为开发多功能"一体化"诊疗剂提供了系统设计指南。
图1. MPITBT、DPITBT和OPITBT的结构和光谱
通过密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-31G(d,p)基组水平对MPITBT、DPITBT和OPITBT基态(S₀)的优化几何构型及前线分子轨道进行了计算。如图1A所示，三种分子具有相似骨架：苯并双噻二唑核心与噻吩单元间存在大二面角（>45°），有效抑制了聚集态分子间π-π堆叠。烷基化噻吩单元与茚并噻吩单元的二面角显著减小至约20°，表明茚并噻吩的引入缓解了分子骨架扭曲，从而增强共轭程度与光吸收能力。三者的LUMO能级相近，HOMO能级则随供体强度变化，最终形成1.13、1.27和1.21 eV的窄带隙，预示其在近红外一区（NIR-I）具有强吸收潜力。对应在四氢呋喃溶液中的吸收峰分别位于763、736和754 nm，摩尔消光系数达1.80×10⁴、1.83×10⁴和1.93×10⁴ M⁻¹cm⁻¹（图1B）。鉴于808 nm是NIR-I区最优激发波长，计算显示三者在该波长仍保持10⁴ M⁻¹cm⁻¹量级的消光系数，表明其适用于808 nm激光激发的多模态光诊疗（图S18）。此外，这些分子在THF中展现900-1700 nm的宽谱发射，最大发射峰位于1100 nm附近，具备优异NIR-II荧光成像潜力（图1B）。超过350 nm的显著斯托克斯位移可有效规避自吸收效应。随着溶剂极性增强，三者的发射峰明显红移且荧光猝灭，呈现典型的扭曲分子内电荷转移（TICT）特性。以IR-26（在1,2-二氯乙烷中量子产率QY=0.5%）为参照，测得三种分子在四氢呋喃中的NIR-II荧光QY极低，分别为0.084%、0.068%和0.039%（图1C）。理论计算的振子强度与荧光量子产率变化趋势一致（图1D）。重组能（λ）计算表明，低频区（波数<500 cm⁻¹）的二面角振动对总λ贡献最大，主要反映分子扭转变动与非辐射衰减。值得注意的是，OPITBT的λ值高达5896.41 cm⁻¹，其中二面角变化贡献率达80%，显著高于MPITBT和DPITBT（图1D），这归因于其外围四个大位阻烷基链构成的高柔性分子结构。为验证AIE特性，继续研究了它们在四氢呋喃/水混合体系中随含水量（fw）增加的荧光行为。当fw升至90%时，三者均呈现不同程度荧光增强，其中OPITBT荧光强度较0%含水量状态增强21倍，展现出典型AIE特性（图1E）。随fw增加，溶液颜色显著变化，其在50%和90%含水量下的吸收光谱显示：吸收峰分别红移49 nm（MPITBT）、43 nm（DPITBT）和51 nm（OPITBT），显著提升了长波长区的摩尔消光系数。固态吸收测试表明三者吸收边延伸至1000 nm附近。动态粒径分析显示，聚集体尺寸随fw增加呈先增大后减小趋势。
图2. MPITBT NPs、DPITBT NPs、OPITBT NPs的光谱
为提升生物应用适用性，将MPITBT、DPITBT和OPITBT用DSPE-mPEG2000封装成纳米颗粒（NPs），并系统研究其光物理性质。由于聚集效应，三种NPs在808 nm处吸收红移且消光系数提升：MPITBT NPs、DPITBT NPs和OPITBT NPs吸收峰分别位于814、779和805 nm（图2A）；其发射峰位于1100、1060和1063 nm处，因纳米颗粒内部极性降低呈现微弱蓝移。经808 nm激光（1 W cm⁻²）持续照射60分钟后，NPs吸收强度衰减可忽略不计（图2B），证实其卓越光稳定性。水溶液中三种NPs的NIR-II荧光量子产率（QY）分别为0.5%、1.2%和1.1%。值得注意的是，OPITBT NPs的QY较其四氢呋喃溶液状态提升16倍，与该分子在AIE测试中的显著荧光增强现象一致（图2C）。鉴于NIR-II AIEgens在分子层面存在显著非辐射能量耗散，评估了其NPs的光疗性能：使用DCFH-DA检测显示，三者在808 nm激光照射下均具显著ROS生成能力，其中MPITBT NPs效率最高（图2D）。通过ABDA、DHR123和HPF特异性检测证实，NPs主要通过I型光动力途径产生超氧阴离子自由基(O₂•−)，该途径相比传统II型PDT具有更低的氧依赖性优势。在808 nm激光（0.8 W cm⁻²）照射3分钟后，100 μM的MPITBT NPs、DPITBT NPs和OPITBT NPs溶液温度分别飙升至76.7℃、70.3℃和84.3℃（图2E），完全满足肿瘤光热消融需求。其中OPITBT NPs温升高达63.3℃，显著优于另两种NPs（52.7℃和48.2℃），且光热效应呈现浓度依赖性。OPITBT NPs的光热转换效率（PCE）达28.8%，为三者最高（图2F）。经历五次升降温循环后，三种NPs的最高温度保持稳定，而商用染料吲哚菁绿（ICG）则显著衰减（图2G），印证了其优异的光热稳定性。
图3. OPITBT-R NPs体外体内实验
以LO2、3T3及HUVEC正常细胞评估生物相容性：即使 OPITBT-R NPs浓度达50 μM，细胞存活率仍超80%（图3A），证明其良好生物安全性。共聚焦显微镜观察显示，FITC标记的OPITBT-R NPs在4T1癌细胞中与溶酶体探针高度共定位（皮尔逊相关系数=0.88），表明其通过溶酶体内吞途径进入细胞（图3B）。CCK-8实验证实OPITBT-R NPs在黑暗条件下对4T1细胞毒性可忽略（图3C）；而在808 nm激光（0.8 W cm⁻²）照射下，50 μM浓度时细胞存活率骤降至10%，半数抑制浓度（IC₅₀）为28.81 μM。Calcein-AM/PI双染实验进一步验证：仅"OPITBT-R NPs+激光"组呈现大面积红色死细胞，其余对照组均显示绿色活细胞（图3D），证实其光控杀伤效能。基于OPITBT NPs优异荧光特性，研究者评估了OPITBT-R NPs的组织穿透能力：在808 nm激光激发下，其NIR-II荧光强度在特定浓度范围内呈剂量依赖性（图3E）；即使覆盖7 mm厚鸡胸肉组织，1 mg mL⁻¹浓度时仍可检测到明显信号（图3F）。小鼠血管成像显示：随长通滤波片波长增加，血管图像分辨率显著提升。在NIR-IIb区域（>1500 nm）观察到极低背景噪声，肝区周围血管清晰可辨。1500 nm滤波下后肢血管成像信背比（SBR）达3.41，半峰全宽（FWHM）仅0.55 mm（图3G）；1400 nm滤波成像质量更优（SBR=3.53, FWHM=0.52 mm）。这归因于OPITBT-R NPs在NIR-II区的卓越荧光亮度，且该波段水吸收峰反而增强了信背比，彰显其强大的活体NIR-II成像能力。
图4. 注射OPITBT-R NPs后原位4T1乳腺癌荷瘤小鼠成像实验
基于OPITBT-R NPs在体外展现的抗癌细胞光毒性及体内外NIR-II成像能力，研究者在原位4T1乳腺癌小鼠模型中评估了其多模态诊疗性能。静脉注射后，肿瘤区域荧光信号逐渐增强，24小时达峰值并持续至48小时（图4A），这种长效滞留特性有利于术中导航。与荧光成像结果一致，光声（PA）信号同样在24小时达到峰值（图4B），证实荧光/光声双模态协同可实现精准肿瘤可视化诊断。选择NPs富集峰值时段（注射后24小时）进行光热治疗：经808 nm激光（0.8 W cm⁻²）照射2分钟，肿瘤温度从33.8℃急剧升至54.6℃，5分钟后达56.1℃（图4C），完全满足肿瘤消融需求。这种快速升温特性可显著缩短照射时间，最大限度降低对正常组织的光损伤。上述结果充分证明，兼具NIR-II荧光成像、光声成像与光热治疗功能的OPITBT-R NPs是精准癌症诊疗的理想制剂。
图5. 肿瘤治疗情况分析
基于前期实验结果，对OPITBT-R NPs进行了体内抗肿瘤疗效评估：将原位4T1乳腺癌荷瘤小鼠随机分为四组。单次静脉注射OPITBT-R NPs后24小时施加808 nm激光照射（0.8 W cm⁻²，5分钟），光疗组（OPITBT-R NPs + L）的实体瘤在2天内生长被完全抑制，肿瘤近乎消失（图5A）；治疗14天后实现肿瘤完全清除且无复发迹象，仅残留疤痕（图5B）。相比之下，PBS组、PBS+L组及单独纳米颗粒组肿瘤持续快速生长（图5C、D）。组织学与免疫组化分析进一步验证作用机制：H&E染色显示光疗组肿瘤组织大面积破坏，而对照组肿瘤细胞存活且排列紧密；TUNEL染色证实光疗组细胞严重凋亡/坏死；CD31与Ki67染色则表明肿瘤血管形成和细胞增殖受显著抑制（图5E）。治疗期间每两日监测小鼠体重，14天后光疗组未出现显著体重下降（图5F）。治疗结束时血液及主要器官分析显示：光疗组肝功指标（ALT/AST/ALB）与肾功指标（CREA/BUN）均无统计学差异（图5G、H）；心、肝、脾、肺、肾的H&E染色未见病理性异常，证实该纳米系统具有优异的生物相容性与安全性，符合临床光诊疗制剂标准。上述结果充分证明多维供体工程策略可开发兼具高效治疗性与生物安全性的多功能光诊疗体系。
通过多维供体工程策略，本研究显著提升了近红外二区（NIR-II）诊疗试剂的荧光效率并优化其多模态光诊疗性能。所开发的NIR-II AIE分子OPITBT在纳米聚集态下兼具高NIR-I摩尔消光系数、卓越的NIR-II量子产率、优异的光热转换效率及可接受的I型活性氧生成能力。系统性实验与理论分析表明：该分子通过同步调控供体-受体强度、增强疏水相互作用、扩大分子堆叠距离减弱π-π堆积，并维持适度的分子内运动，实现了辐射衰变与非辐射衰变过程的精巧平衡。经纳米化改性提升水分散性与肿瘤靶向能力后，OPITBT-R NPs表现出卓越的多模态诊疗性能：在NIR-II荧光/光声/光热成像引导下，通过光动力/光热协同疗法彻底清除小鼠原位4T1肿瘤。本研究为设计"一体化"光诊疗体系提供了通用框架，并为癌症治疗的临床转化奠定基础。后续研究将聚焦OPITBT在深部恶性肿瘤、晚期动脉粥样硬化病变及多重耐药菌感染等临床病理模型中的精准诊疗应用，以满足转化医学的迫切需求。
参考文献
Yuan T, Cui J, Zhu J, et al. Multi-dimensional donor engineering of NIR-II AIEgens for multimodal phototheranostics of orthotopic breast cancer[J]. Biomaterials, 2025, 319: 123193.
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