本文要点：将高性能近红外二区（NIR-II，900-1880 nm）荧光成像与高效光热治疗（PTT）集成于单一纳米平台，仍是癌症诊疗学领域的一项重大挑战。本研究提出了一种基于硼-氧（B-O）螯合的超分子工程策略，成功构建了构象锁定的aza-BODIPY衍生物（BTA-BDP），其可自组装形成超稳定J聚集体。该设计实现了双重突破：1）在NIR-II窗口（λem = 1014 nm）获得4.37%的荧光量子产率（Φ），突破了NIR-II发射体通常Φ < 1%的限制；2）创纪录地达到69.6%的光热转换效率（PCE），超越多数有机光热剂（PCE < 50%）。分子动力学模拟和药代动力学研究表明，强π-π堆积相互作用与长烷基链的结合可延长肿瘤滞留时间（>344小时），实现单次给药治疗。在低功率808 nm辐照（0.4 W cm-2）下，BTA-BDP纳米颗粒（NPs）能迅速引发高热效应（ΔT = 25.9 °C），并在小鼠模型中实现肿瘤完全消融，这一效果通过组织病理学和多模态成像（NIR-II/光声）得到验证。该研究解决了荧光-光热性能难以兼顾的难题，为精准癌症纳米医学建立了超分子设计蓝图，从而在分子工程与临床转化之间架起了桥梁。

图1. 多模式成像指导下用于肿瘤光热治疗的BTA-BDP NPs示意图

本文提出了一种基于硼-氧（B-O）螯合的超分子工程策略，成功构建了构象锁定的氮杂-BODIPY衍生物（BTA-BDP），其可自组装形成具有突破性诊疗性能的超稳定J聚集体。通过小鼠模型的多模态成像（NIR-II/光声）和组织病理学验证，该平台展现出完全抑制肿瘤且无复发的疗效（图1）。本研究通过解决荧光-光热性能权衡问题并建立结构-滞留-活性关系，为设计具有临床转化潜力的新一代光热诊疗剂提供了蓝图。

图2.  TA-BDP 和 BTA-BDP的表征

TA-BDP和BTA-BDP在THF中的紫外-可见-近红外吸收光谱显示出延伸至800 nm以上的宽吸收谱带。相较于TA-BDP，BTA-BDP表现出红移现象，其吸收/发射峰位于829/861 nm（斯托克斯位移：32 nm），而TA-BDP的吸收/发射峰为789/815 nm（图2a）。基于基态优化几何构型的密度泛函理论（DFT）计算揭示了这一红移的电子起源（图2b）。BTA-BDP中联噻吩延伸的共轭体系将HOMO-LUMO能隙缩小至1.679 eV（TA-BDP为1.830 eV），与其增强的近红外吸收特性一致。这些结果验证了近期关于π扩展氮杂-BODIPY体系中前线轨道能量与光学带隙相关性的研究。

通过THF/H2O混合溶剂在0-10°C下的介导聚集研究了J聚集体的形成。随着水相比例增加，BTA-BDP表现出显著的光谱演变：831 nm处的单体峰衰减与978 nm处J聚集体吸收带的出现同步发生（图2c）。相比之下，TA-BDP在相同条件下仅显示轻微红移（789→820 nm，图2e），凸显了联噻吩取代对稳定扩展聚集体的关键作用。加热至70°C可逆地转变为H聚集体，表现为40%水含量时吸收峰蓝移（BTA-BDP：707 nm；TA-BDP：679 nm，图2d-f）。通过吉布斯自由能（ΔG = ΔH - TΔS）的热力学分析表明，J聚集在低温下为焓驱动过程（ΔH < 0），而高温时熵增优势（TΔS主导）促使H聚集体形成。

为评估NIR-II生物成像潜力，制备了TA-BDP和BTA-BDP的水相纳米颗粒。BTA-BDP NPs在978 nm处显示出显著的J聚集体吸收（较THF中红移118 nm）及1014 nm处荧光发射（Φ=4.37%），性能显著优于TA-BDP NPs（图2i-j）。动态光散射（DLS）和透射电镜（TEM）证实了单分散NP形貌，其中BTA-BDP NPs（103.6 nm）的尺寸均一性优于TA-BDP NPs（128.3 nm）（图2i-j）。这种150 nm以下的尺寸通过增强渗透滞留效应（EPR）对被动肿瘤靶向至关重要，使BTA-BDP NPs成为诊疗一体化应用的理想平台。

图4. 细胞内化动力学与体外细胞毒性实验

为阐明BTA-BDP NPs的细胞摄取机制，研究者共包裹尼罗红（NR）作为亚细胞追踪探针。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）显示，HeLa细胞孵育4小时后，NPs呈现核周定位，DAPI染色的细胞核（蓝色）与NR荧光（红色）存在明显空间分离，证实了细胞质内化且避免进入细胞核——这一关键特性可最大限度降低基因毒性（图4a）。流式细胞术33分析表明，TA-BDP/NR NPs和BTA-BDP/NR NPs的细胞摄取均呈时间依赖性，随孵育时间延长而增加（图4b）。CCK-8细胞毒性试验显示其在黑暗条件下具有优异的生物相容性，即使超治疗浓度（16 µM，孵育4小时）下细胞存活率仍>96%（图4c）。值得注意的是，短暂近红外照射（808 nm，1.0 W cm−2，3分钟）即可诱导HeLa细胞近乎完全消融（存活率<1%，图4d）。Calcein AM/PI双染进一步验证了这种"开/关"式二元细胞毒性：未处理对照组显示均匀绿色荧光（活细胞），而经照射的BTA-BDP NPs引发广泛红色荧光（坏死细胞，图4e）。PBS+激光对照组细胞毒性可忽略（存活率98.2±1.4%），证实了光热效应的特异性。这些结果确立了BTA-BDP NPs作为兼具卓越安全性和疗效的精准治疗剂地位。

图5. 体内多模态成像与光热性能评价

为全面评估BTA-BDP NPs的体内诊疗性能，研究者采用HeLa荷瘤小鼠模型对其光热转换效率及光声成像（PAI）能力进行系统研究。瘤内注射BTA-BDP NPs（20 µM，100 µL）后，在808 nm激光照射（0.8 W cm−2）下监测局部温度动态变化。值得注意的是，肿瘤区域温度在10分钟内从32.7°C迅速升至58.6°C（ΔT=25.9°C）（图5a,b），不仅超过不可逆热消融阈值（>50°C），同时避免了对周围组织的附带损伤。这种显著差异（PBS对照组：ΔT=3.1°C；TA-BDP NPs组：ΔT=18.4°C）凸显了BTA-BDP NPs卓越的光热效应，归因于其优化的J聚集体结构和增强的π共轭体系。升温幅度与纳米颗粒浓度/激光功率的线性相关性进一步验证了热诱导过程的精准时空控制——这是临床转化的重要特性。

BTA-BDP NPs体外PA信号分析显示浓度依赖性增强，20 µM浓度下BTA-BDP NPs的信号强度较TA-BDP NPs提高1.13倍（图5c），这源于BTA-BDP扩展π共轭体系对光吸收及热弹性声波产生的增强作用。体内PA成像进一步展现优异的肿瘤勾勒能力，清晰记录了注射后48小时内的动态生物分布（图5d-e）。PA信号强度在6小时达到峰值（荧光成像数据吻合），并可持续检测至48小时，表明其在肿瘤中的长效滞留。特别值得注意的是，BTA-BDP NPs较小的流体力学直径（103.6 nm vs TA-BDP NPs的128.3 nm，图2i-j）通过EPR效应增强被动靶向性，其肿瘤-背景对比度较TA-BDP对照组提高1.19倍。

光热治疗与PA成像的协同整合不仅验证了BTA-BDP NPs的结构优势，更为实时治疗监测建立了可靠框架。温度-PA信号相关性（图5b,d）提供双参数反馈机制，可精准校准照射参数以最小化脱靶效应。这些发现共同确立了BTA-BDP NPs作为多功能诊疗平台的潜力，在单一纳米医学范式下实现了高保真诊断成像与可控光热消融的有机统一。

图6. 小鼠腹部和腿部血管成像

为评估BTA-BDP NPs的体内荧光成像性能，采用不同长通滤光片（1000 nm LP–1300 nm LP）和激光功率密度（12–181 mW cm−2）对小鼠血管系统进行荧光成像。使用1000 nm LP滤光片时，可清晰观测小鼠腹部区域不同粗细血管及下肢血管网络。随着滤光片截止波长增加，虽然血管内探针亮度逐渐降低，但在1100 nm LP、1200 nm LP和1300 nm LP条件下仍能检测到血管信号（图6a,b）。这些结果凸显了BTA-BDP NPs卓越的NIR-II发光特性，提示其可通过血管成像评估抗肿瘤药物对肿瘤血管生成的影响，为肿瘤治疗提供新思路。通过血管横截面强度定量分析及高斯拟合显示：在1000 nm LP滤光片下，腹部血管半峰宽仅0.29 mm，下肢血管为0.42 mm；当滤光片波长提升至1300 nm LP时，腹部与下肢血管半峰宽分别仅增加0.03 mm（至0.32 mm）和0.04 mm（至0.46 mm）（图6c,d）。值得注意的是，即使在极低激发功率（12 mW cm−2，图6e）下仍能检测血管信号，证实了BTA-BDP NPs优异的荧光量子产率和深组织成像潜力。

图7. BTA-BDP NPs荷瘤小鼠研究和分子模拟

对比分析显示，BTA-BDP NPs在肿瘤部位产生的荧光信号强度是TA-BDP对照组的1.97倍，可实现治疗进程的实时监控。药代动力学分析表明肿瘤积累峰值出现在注射后6小时（图7a-d），与光热治疗最佳时间窗高度吻合。长达344小时的纵向追踪检测到持续肿瘤信号——这是有机纳米颗粒报道中最长的滞留时间，为单剂量治疗方案提供支持的同时降低了多药耐药风险。

图8. 小鼠NIR-II荧光成像

分子动力学模拟揭示了滞留动力学机制（图7e-g）：首先，径向分布函数[g(r)]分析显示BTA-BDP具有更强的π-π堆积作用（4 Å处第一配位峰：BTA-BDP 1.588 vs TA-BDP 1.338），与实验滞留数据相互印证。这种增强作用可能源于BTA-BDP分子中引入的双噻吩基团，其不仅能强化分子间堆叠作用，还可能影响分子整体电子结构进而优化光物理性质。其次，与缺乏烷基链的A-BDP类似物相比（图8a,b），TA-BDP NPs的烷基链延缓了肝脏清除速率。两组系统均呈现时间依赖性生物分布（荧光峰值出现在12小时），但峰值后清除模式显著不同：TA-BDP NPs代谢速率明显慢于A-BDP。器官特异性成像（图8c）证实烷基化NPs在肝脏具有优先滞留性（TA-BDP肝脏信号在48小时为A-BDP的1.18倍），这与疏水作用延缓代谢过程的机制一致。这种结构-功能关系在无肿瘤模型中进一步验证——非烷基化A-BDP NPs在达到积累峰值前即出现信号过早衰减。这些发现确立了π-π相互作用与疏水性协同的滞留策略，为纳米颗粒生物分布的时空控制及解决持续给药临床难题提供了新方案。

图9. 体内抗肿瘤疗效及生物相容性实验

为评估肿瘤微环境（TME）中的治疗效果，采用808 nm激光（0.8 W cm−2）照射下BTA-BDP NPs处理的HeLa异种移植模型。荷瘤小鼠随机分为六组（每组6-8只）：I) PBS对照组；II) PBS+激光对照组；III) TA-BDP NPs组；IV) TA-BDP NPs+激光组；V) BTA-BDP NPs组；VI) BTA-BDP NPs+激光组。每72小时静脉给药一次，注射后6小时进行808 nm激光（0.8 W cm−2）照射，并通过肿瘤体积纵向测量和影像记录量化治疗效果（图9a）。引人注目的是，接受光热治疗的IV组和VI组表现出快速肿瘤消退，而未照射组（I、III、V组）则呈现进行性生长。其中BTA-BDP NPs+激光组（VI组）疗效最为显著，部分小鼠在第24天甚至出现肿瘤完全消失，疗效显著优于TA-BDP NPs+激光组（IV组）。这种增强效果可能源于BTA-BDP NPs优化的生物分布和肿瘤靶向能力，此前的药代动力学研究已证实这一点。

通过H&E染色和Ki67染色评估肿瘤组织学变化发现：BTA-BDP NPs+激光组的肿瘤组织呈现明显收缩、间质增宽及显著的核固缩碎裂，这些组织学改变表明肿瘤组织受到严重损伤（图9c）。Ki-67染色显示治疗后增殖细胞数量显著减少，进一步证实BTA-BDP NPs介导的光热治疗对肿瘤细胞增殖的强效抑制作用。值得注意的是，所有组别均未观察到显著体重波动或行为异常（图9b），验证了制剂良好的生物相容性。血液学分析（ALT、AST、BUN、肌酐均在生理范围内）及器官组织病理学检查（组织结构完整，无坏死或炎）证实了系统性安全性。这些发现共同验证了BTA-BDP NPs作为精准治疗平台兼具卓越肿瘤消融能力和极低脱靶毒性的优势。

本研究提出BTA-BDP NPs作为一种变革性光诊疗平台，通过超稳定J聚集体工程学与双模态NIR-II成像及高效光热治疗（PTT）的协同作用实现突破。基于硼-氧（B-O）螯合作用刚性化氮杂-BODIPY核并稳定J聚集体，研究者实现了前所未有的双重功能：在NIR-II窗口（λem=1014 nm）获得4.37%的量子产率（Φ），以及创纪录的69.6%光热转换效率（PCE），这一突破性进展成功解决了癌症诊疗领域长期存在的荧光-光热性能权衡难题。分子动力学模拟与药代动力学分析进一步揭示，烷基链调控的π-π堆叠作用可延长系统循环时间与肿瘤滞留性，从而在低功率808 nm激光照射（0.4 W cm−2）下实现单剂量肿瘤消融。通过小鼠模型的多模态成像（NIR-II/光声）与组织病理学验证，BTA-BDP NPs展现出完全消除肿瘤且无复发的治疗效果。其临床转化价值尤为突出：在保持疗效的前提下，激光功率降低50%、给药频率减半，有效解决了累积毒性和医疗设施限制等临床痛点。机制研究表明，该疗法通过高热驱动坏死（ΔT=25.9°C）和抗增殖效应诱导肿瘤不可逆损伤。因此，BTA-BDP NPs为精准肿瘤学提供了多功能技术蓝图。未来研究将探索与免疫治疗的联合方案以增强免疫原性细胞死亡，并整合AI驱动成像系统实现实时治疗反馈。该研究不仅推进了超分子设计原理，更为构建节能高效、以患者为中心的临床治疗体系建立了可转化框架。
 

参考文献

Yu, Yanlu, et al. "Boron–Oxygen Chelation‐Enabled Aza‐BODIPY J‐Aggregates: NIR‐II Imaging and Photothermal Therapy for Single‐Dose Tumor Ablation." Small (2025): 2504607.

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