本文要点：光声成像（PAI）与近红外二区（NIR-II）荧光成像的融合在癌症诊断领域具有变革性潜力，但高性能双模态造影剂的开发仍面临挑战。作者报道了一种通过荧光团三聚化设计的有机纳米探针tH7@CT8，以解决小分子制剂光热转换效率的局限。[1,2,5]噻二唑并[3,4-g]喹喔啉荧光团衍生物H7三聚化诱导聚集，在抑制荧光量子产率（0.11% vs 单体0.42%）的同时将光热转换效率提升至43.1%。经骨肉瘤靶向两亲性基质包覆形成的纳米颗粒（72±19 nm），其肿瘤摄取量较非靶向对照组增强4倍。在原位骨肉瘤模型中，tH7@CT8实现了光声成像检测及实时NIR-II手术导航，肿瘤信噪比>12:1。该研究确立了平衡肿瘤学中穿透深度与分辨率矛盾的分子设计策略，同时推动有机造影剂向临床转化。

研究者们通过将三聚NIR-II荧光团（tH7）封装于配体功能化的两亲性基质中，获得了肿瘤靶向纳米探针tH7@CT8。[1,2,5]噻二唑并[3,4-g]喹喔啉（TQ）衍生物H7的三聚化诱导受控聚集，在淬灭荧光发射（量子产率0.11% vs 单体0.42%）的同时，将光热转换效率（PTCE）提升至43.1%，显著超越临床用吲哚菁绿（ICG, 22%）。分子动力学模拟揭示三聚体平面化促进π-π堆叠，从而将激发态能量导向非辐射衰变路径。骨肉瘤靶向配体CT8的引入进一步增强了肿瘤选择性富集。在体内实验中，tH7@CT8能通过光声成像精准勾勒深达1厘米组织的毫米级骨肉瘤病灶。本研究建立的分子工程策略能够协调癌症诊断中穿透深度与分辨率矛盾，为先进有机纳米材料在精准肿瘤学中的临床转化开辟道路。

图1. tH7的合理分子设计、合成路线及光物理表征

通过合理的结构设计构建的共价三聚体tH7，可调控双模态成像所需的关键光物理性质。基于TQ的荧光团H7三聚化（图1a）诱导吸收/发射光谱红移，同时增强非辐射衰变路径——这是提升光热转换效率（PTCE）的核心机制。采用B3LYP杂化泛函与6-31G(d)基组的密度泛函理论（DFT）模拟阐明三聚化引发的电子结构改变：前沿分子轨道分析显示最高占据轨道（HOMO）中π电子离域分布于共轭骨架，而缺电子TQ受体主导最低未占轨道（LUMO，图1b）。值得注意的是，三聚化使HOMO-LUMO能隙（ΔEgap）从1.68 eV（H7）降至1.18 eV（tH7），超越苯并双噻二唑基NIR-II荧光团1.50 eV阈值，表明近红外吸收特性显著增强。

光学表征证实三聚化诱导的光谱调控：在二氯甲烷中，tH7最大吸收峰位于864 nm（ε=1.4×10⁵ M⁻¹ cm⁻¹），NIR-II荧光发射峰为1192 nm，斯托克斯位移达328 nm（图1d），有效降低活体激发散射干扰。在水相介质中呈现聚集诱导发光（AIE）效应：80%含水率（fw）时的荧光强度较纯THF提升2.9倍（图1e），归因于三苯胺供体分子内旋转受限。该AIE效应与聚集增强的PTCE（43.1%）协同作用，使tH7成为光声/荧光生物成像的范式转换型探针。

图2. tH7纳米粒子的光物理表征

为使疏水性NIR-II荧光团tH7在水相介质中实现生物应用，采用纳米沉淀法将其封装于1,2-二硬脂酰-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-[氨基(聚乙二醇)-3.4k]（DSPE-PEG3.4k）两亲性基质中。透射电镜显示形成单分散球形纳米颗粒（tH7纳米粒子），核心直径为56±15 nm（图2a）。动态光散射测定流体动力学直径为181±44 nm，多分散指数（PDI）为0.06，符合聚乙二醇化纳米颗粒结构特征。

图3. 靶向功能化与生物安全性评价tH7@CT8纳米颗粒

为实现骨肉瘤靶向成像，通过马来酰亚胺-巯基点击化学将CT-8（一种源自噬菌体展示优化肽PT-7的半胱氨酸修饰寡肽CPPSHTPT）修饰于tH7纳米粒子表面。MALDI-TOF质谱证实DSPE-PEG3.4k-CT8成功合成（图3a），837.8 Da的质量位移对应CT-8连接。在纳米颗粒基质中掺入30 mol% DSPE-PEG3.4k-CT8制得tH7@CT8纳米粒子，其ζ电位从-23.3 mV升至-19.1 mV（图3b），与CT-8理论等电点（pI=8.2）一致。TEM（72±19 nm）与DLS（223±60 nm, PDI=0.07）显示tH7@CT8粒径较tH7纳米粒子增大约30%，归因于表面肽链包覆。

为验证修饰后CT-8靶向特异性，通过6-氨基己酸（Ahx）间隔臂将FITC共价偶联至CT-8制得FITC-CT-8。质谱确证合成成功，流式细胞术分析显示：143B细胞与FITC-CT-8孵育后FITC通道信号显著增强（平均荧光强度MFI≈20），显著高于阴性对照组（成骨细胞hFOB 1.19与乳腺癌MCF-7细胞，MFI<8）；CT-8预封闭组MFI降至阴性对照水平。荧光共聚焦成像进一步佐证该特异性。

体外NIR-II荧光成像验证tH7@CT8靶向能力：骨肉瘤143B细胞相对MFI（6.4±1.4）为hFOB 1.19细胞（1.5±0.2）的4.3倍、MCF-7细胞（2.2±0.3）的2.9倍（*p<0.05，方差分析联合Tukey检验，图3d）。CCK-8毒性实验显示：tH7@CT8（0-50 μg mL⁻¹）处理24小时后，143B与NIH/3T3细胞存活率>90%（图3e）。药代动力学研究测得血液循环半衰期为53分钟（图3f）。

图4. 皮下骨肉瘤的NIR-II荧光和光声双模成像

在143B骨肉瘤皮下移植瘤Balb/c裸鼠模型（n=3）中评估了tH7@CT8纳米颗粒的肿瘤靶向效能与药代动力学特性。静脉注射tH7@CT8纳米粒子（2.5 μmol kg⁻¹, 200 μL PBS）可实现实时NIR-II荧光成像（808 nm激发，0.3 W cm⁻²；1000 nm长通滤光片，100 ms曝光，图4a）：注射后1小时即可检测到右后肢肿瘤特异性信号，12小时达到峰值信背比（SBR=9.8±1.4，图4a/b）。24小时信号衰减（SBR=5.6±0.5）与肝脏清除动力学相关，离体器官成像显示纳米颗粒主要富集于肝脏（29±11% ID/g）和脾脏（160±70% ID/g）（图4c）。

预注射游离CT-8肽（2 mg）的竞争抑制实验使12小时肿瘤荧光强度降低76%（SBR=2.4±0.3 vs 9.8±1.4,**p<0.01，图4a/b），证实受体介导靶向；而注射1小时残余信号（SBR=3.5±0.2）源于增强渗透滞留（EPR）效应的被动蓄积。

光声层析成像在注射后10小时以150 μm分辨率呈现肿瘤血管网络（图4d）。860 nm激发光声纵向监测显示：肿瘤信号药代动力学特征与NIR-II荧光数据一致，10小时达峰值（SBR=20.2±6.2，图4d/e）。游离CT-8肽竞争抑制使10小时光声强度降低72%（SBR=5.7±1.0,*p<0.05），定量验证受体靶向机制。时序相关性分析证实光声与NIR-II信号动力学高度同步。该双模态平台整合NIR-II实时导航（100 ms帧率）与光声深度分辨成像（150 μm分辨率），为术中肿瘤精准定位提供诊断方案。

图5. NIR-II/光声双模态原位骨肉瘤成像

原位骨肉瘤模型较皮下移植瘤更精准地复现人类疾病进程，其保留的肿瘤-基质相互作用及转移潜能对诊断探针评估至关重要。本研究于小鼠右胫骨建立143B原位骨肉瘤模型（n=3，图5a），X线成像验证显示骨皮质破坏（骨矿物密度较对照组降低~60%，图5b）。静脉注射tH7@CT8纳米粒子（2.5 μmol kg⁻¹）实现纵向NIR-II荧光成像（808 nm激发，1000 nm长通滤光片，图5c）：注射后3小时出现肿瘤特异性信号（SBR=2.8±0.6），12小时达峰值（SBR=11.9±3.7），24小时仍维持显著对比度（SBR=7.5±0.8，图5d）。假手术处理左胫骨始终呈背景水平信号（SBR=1.3±0.3），排除手术伪影干扰。CT-8肽竞争抑制使12小时肿瘤信背比降低56%（5.2±1.0,*p<0.05），证实靶向能力。

同步光声层析成像（860 nm, 1.5 MHz，图5e）显示随时间递进的肿瘤增强效应，10小时达峰值（光声信号：3.5±0.8 au vs 注射前0.5±0.1 au,*p<0.05）。封闭组光声信号降低57%（1.5±0.3 au），假手术对照组保持基线水平（0.8±0.2 au）。实验结束后截取后肢（图5f）行组织病理学分析（H&E染色），结果显示tH7@CT8组与封闭组的骨肉瘤区域及形态学特征均与成像结果吻合（图5g）。

本研究构建了tH7@CT8有机纳米探针，其通过精准分子工程协调光声成像深度分辨率与NIR-II荧光灵敏度。利用TQ衍生物三聚化，通过受控π-π堆叠实现43.1%光热转换效率，在将激发态能量导向非辐射衰变路径的同时，保留实时导航所需的荧光量子产率（0.11%）。分子动力学模拟揭示平面三聚体构象增强分子间电荷转移，CT8靶向纳米粒的肿瘤蓄积量较非靶向对照组提升4倍。tH7@CT8能在0.9厘米深度实现亚毫米级肿瘤边缘勾勒，并达成>12:1的NIR-II肿瘤信噪比，性能超越现有双模态制剂。竞争性结合实验经76%摄取抑制率证实受体特异性靶向。未来转化需将光谱拓展至NIR-IIb波段（1500-1700 nm）以增强穿透深度，并整合微环境响应基团实现肿瘤异质性动态图谱绘制。本研究论证的寡聚化驱动能量平衡范式——通过分子调控优化辐射/非辐射衰变比例——为诊断探针开发提供普适性设计蓝图。

参考文献

Siyu Lu, et al. "Trimerization-Enhanced NIR-II/Photoacoustic Nanoprobes for Precision Osteosarcoma Imaging." Analytical Chemistry . 2025, 97, 46, 25701–25711

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