利用多維供體工程構(gòu)建NIR-II AIE聚集體實現(xiàn)原位乳腺癌多模式光療_abio生物試劑品牌網(wǎng)
本文要點：集多種光診斷與光治療功能于一體的“一體化”多模態(tài)光診療劑已成為推進(jìn)癌癥治療的新型平臺。本文首次提出多維供體工程策略，在分子結(jié)構(gòu)、聚集體態(tài)及溶劑相互作用層面協(xié)同優(yōu)化供體設(shè)計，成功構(gòu)建D-A-D型NIR-II聚集誘導(dǎo)發(fā)光分子（AIEgen）OPITBT。其納米顆粒（OPITBT NPs）在四氫呋喃中的熒光量子產(chǎn)率提升16倍，兼具優(yōu)異光熱轉(zhuǎn)換效率（PCE）與I型活性氧（ROS）生成能力。進(jìn)一步構(gòu)建的腫瘤靶向納米粒（OPITBT-R NPs）可在單束808nm激光激發(fā)下，通過熒光-光聲-光熱多模態(tài)成像引導(dǎo)的光動力-光熱協(xié)同治療徹底清除原位乳腺癌。值得注意的是，該制劑依靠卓越的NIR-II熒光亮度實現(xiàn)了活體小鼠全身血管的NIR-IIb高分辨成像。本工作為平衡光診療性能提供了增強(qiáng)NIR-II熒光分子輻射耗散的普適性策略，推動了一體化光診療系統(tǒng)的發(fā)展。
本研究提出創(chuàng)新的多維供體工程策略，通過同步調(diào)控分子結(jié)構(gòu)、聚集體態(tài)及溶劑相互作用三個維度優(yōu)化NIR-II聚集誘導(dǎo)發(fā)光分子（AIEgens）性能：(i) 通過供體工程調(diào)節(jié)給體-受體（D-A）作用強(qiáng)度，獲得適配能帶隙，平衡吸收/發(fā)射波長與固有非輻射能量耗散；適度D-A強(qiáng)度還可抑制分子扭曲電荷轉(zhuǎn)移（TICT）效應(yīng)；(ii) 通過供體工程控制分子構(gòu)象，改變聚集體中的分子堆疊模式，從而增強(qiáng)AIE特性并提升熒光量子產(chǎn)率；(iii) 引入體積龐大的疏水基團(tuán)可最小化AIEgens與水分子相互作用，且聚集態(tài)形成的致密疏水網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步增強(qiáng)疏水作用，最終顯著提高熒光量子產(chǎn)率。
方案1.（A）具有多模光療性能的NIR-II AIEgens供體工程示意圖。（B）OPITBT-R NPs的納米制備及其在NIR-II FLI/PAI/PTI三峰成像引導(dǎo)PDT/PTT中的應(yīng)用（Figdraw）
作為概念驗證，本文設(shè)計并合成新型強(qiáng)供體單元——二苯胺茚并[1,2-b]噻吩，通過引入甲氧基與2,4,4-三甲基戊烷-2-基團(tuán)調(diào)控其性能。將三種不同供體單元與噻吩苯并噻二唑偶聯(lián)，成功開發(fā)出三種新型D-A-D型NIR-II聚集誘導(dǎo)發(fā)光分子（方案1A）。通過系統(tǒng)實驗研究，在分子及納米聚集體層面全面評估了它們的光物理性質(zhì)，包括吸收/發(fā)射波長、AIE特性、熒光量子產(chǎn)率、活性氧生成能力及光熱轉(zhuǎn)換效率。其中代表性O(shè)PITBT納米顆粒展現(xiàn)出卓越的光穩(wěn)定性、高NIR-II熒光亮度、優(yōu)異光熱性能和可接受的活性氧生成能力，彰顯了多模態(tài)光診療應(yīng)用的巨大潛力。這些實驗結(jié)果證實了多維供體工程策略在平衡激發(fā)態(tài)能量耗散路徑方面的有效性。通過理論計算進(jìn)一步闡明了該策略的可行性機(jī)制。基于DSPE-PEG2000-cRGDfk修飾構(gòu)建的腫瘤靶向納米粒OPITBT-R，在808nm近紅外激光激發(fā)下，通過NIR-II熒光/光聲/光熱三模態(tài)成像引導(dǎo)的光動力-光熱協(xié)同治療，實現(xiàn)了原位乳腺癌的有效根除（方案1B）。本研究既彰顯了多維供體工程的成功實踐，又為開發(fā)多功能"一體化"診療劑提供了系統(tǒng)設(shè)計指南。
圖1. MPITBT、DPITBT和OPITBT的結(jié)構(gòu)和光譜
通過密度泛函理論(DFT)在B3LYP/6-31G(d,p)基組水平對MPITBT、DPITBT和OPITBT基態(tài)(S?)的優(yōu)化幾何構(gòu)型及前線分子軌道進(jìn)行了計算。如圖1A所示，三種分子具有相似骨架：苯并雙噻二唑核心與噻吩單元間存在大二面角（>45°），有效抑制了聚集態(tài)分子間π-π堆疊。烷基化噻吩單元與茚并噻吩單元的二面角顯著減小至約20°，表明茚并噻吩的引入緩解了分子骨架扭曲，從而增強(qiáng)共軛程度與光吸收能力。三者的LUMO能級相近，HOMO能級則隨供體強(qiáng)度變化，最終形成1.13、1.27和1.21 eV的窄帶隙，預(yù)示其在近紅外一區(qū)（NIR-I）具有強(qiáng)吸收潛力。對應(yīng)在四氫呋喃溶液中的吸收峰分別位于763、736和754 nm，摩爾消光系數(shù)達(dá)1.80×10?、1.83×10?和1.93×10? M?1cm?1（圖1B）。鑒于808 nm是NIR-I區(qū)最優(yōu)激發(fā)波長，計算顯示三者在該波長仍保持10? M?1cm?1量級的消光系數(shù)，表明其適用于808 nm激光激發(fā)的多模態(tài)光診療（圖S18）。此外，這些分子在THF中展現(xiàn)900-1700 nm的寬譜發(fā)射，最大發(fā)射峰位于1100 nm附近，具備優(yōu)異NIR-II熒光成像潛力（圖1B）。超過350 nm的顯著斯托克斯位移可有效規(guī)避自吸收效應(yīng)。隨著溶劑極性增強(qiáng)，三者的發(fā)射峰明顯紅移且熒光猝滅，呈現(xiàn)典型的扭曲分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（TICT）特性。以IR-26（在1,2-二氯乙烷中量子產(chǎn)率QY=0.5%）為參照，測得三種分子在四氫呋喃中的NIR-II熒光QY極低，分別為0.084%、0.068%和0.039%（圖1C）。理論計算的振子強(qiáng)度與熒光量子產(chǎn)率變化趨勢一致（圖1D）。重組能（λ）計算表明，低頻區(qū)（波數(shù)<500 cm?1）的二面角振動對總λ貢獻(xiàn)最大，主要反映分子扭轉(zhuǎn)變動與非輻射衰減。值得注意的是，OPITBT的λ值高達(dá)5896.41 cm?1，其中二面角變化貢獻(xiàn)率達(dá)80%，顯著高于MPITBT和DPITBT（圖1D），這歸因于其外圍四個大位阻烷基鏈構(gòu)成的高柔性分子結(jié)構(gòu)。為驗證AIE特性，繼續(xù)研究了它們在四氫呋喃/水混合體系中隨含水量（fw）增加的熒光行為。當(dāng)fw升至90%時，三者均呈現(xiàn)不同程度熒光增強(qiáng)，其中OPITBT熒光強(qiáng)度較0%含水量狀態(tài)增強(qiáng)21倍，展現(xiàn)出典型AIE特性（圖1E）。隨fw增加，溶液顏色顯著變化，其在50%和90%含水量下的吸收光譜顯示：吸收峰分別紅移49 nm（MPITBT）、43 nm（DPITBT）和51 nm（OPITBT），顯著提升了長波長區(qū)的摩爾消光系數(shù)。固態(tài)吸收測試表明三者吸收邊延伸至1000 nm附近。動態(tài)粒徑分析顯示，聚集體尺寸隨fw增加呈先增大后減小趨勢。
圖2. MPITBT NPs、DPITBT NPs、OPITBT NPs的光譜
為提升生物應(yīng)用適用性，將MPITBT、DPITBT和OPITBT用DSPE-mPEG2000封裝成納米顆粒（NPs），并系統(tǒng)研究其光物理性質(zhì)。由于聚集效應(yīng)，三種NPs在808 nm處吸收紅移且消光系數(shù)提升：MPITBT NPs、DPITBT NPs和OPITBT NPs吸收峰分別位于814、779和805 nm（圖2A）；其發(fā)射峰位于1100、1060和1063 nm處，因納米顆粒內(nèi)部極性降低呈現(xiàn)微弱藍(lán)移。經(jīng)808 nm激光（1 W cm?2）持續(xù)照射60分鐘后，NPs吸收強(qiáng)度衰減可忽略不計（圖2B），證實其卓越光穩(wěn)定性。水溶液中三種NPs的NIR-II熒光量子產(chǎn)率（QY）分別為0.5%、1.2%和1.1%。值得注意的是，OPITBT NPs的QY較其四氫呋喃溶液狀態(tài)提升16倍，與該分子在AIE測試中的顯著熒光增強(qiáng)現(xiàn)象一致（圖2C）。鑒于NIR-II AIEgens在分子層面存在顯著非輻射能量耗散，評估了其NPs的光療性能：使用DCFH-DA檢測顯示，三者在808 nm激光照射下均具顯著ROS生成能力，其中MPITBT NPs效率最高（圖2D）。通過ABDA、DHR123和HPF特異性檢測證實，NPs主要通過I型光動力途徑產(chǎn)生超氧陰離子自由基(O???)，該途徑相比傳統(tǒng)II型PDT具有更低的氧依賴性優(yōu)勢。在808 nm激光（0.8 W cm?2）照射3分鐘后，100 μM的MPITBT NPs、DPITBT NPs和OPITBT NPs溶液溫度分別飆升至76.7℃、70.3℃和84.3℃（圖2E），完全滿足腫瘤光熱消融需求。其中OPITBT NPs溫升高達(dá)63.3℃，顯著優(yōu)于另兩種NPs（52.7℃和48.2℃），且光熱效應(yīng)呈現(xiàn)濃度依賴性。OPITBT NPs的光熱轉(zhuǎn)換效率（PCE）達(dá)28.8%，為三者最高（圖2F）。經(jīng)歷五次升降溫循環(huán)后，三種NPs的最高溫度保持穩(wěn)定，而商用染料吲哚菁綠（ICG）則顯著衰減（圖2G），印證了其優(yōu)異的光熱穩(wěn)定性。
圖3. OPITBT-R NPs體外體內(nèi)實驗
以LO2、3T3及HUVEC正常細(xì)胞評估生物相容性：即使 OPITBT-R NPs濃度達(dá)50 μM，細(xì)胞存活率仍超80%（圖3A），證明其良好生物安全性。共聚焦顯微鏡觀察顯示，F(xiàn)ITC標(biāo)記的OPITBT-R NPs在4T1癌細(xì)胞中與溶酶體探針高度共定位（皮爾遜相關(guān)系數(shù)=0.88），表明其通過溶酶體內(nèi)吞途徑進(jìn)入細(xì)胞（圖3B）。CCK-8實驗證實OPITBT-R NPs在黑暗條件下對4T1細(xì)胞毒性可忽略（圖3C）；而在808 nm激光（0.8 W cm?2）照射下，50 μM濃度時細(xì)胞存活率驟降至10%，半數(shù)抑制濃度（IC??）為28.81 μM。Calcein-AM/PI雙染實驗進(jìn)一步驗證：僅"OPITBT-R NPs+激光"組呈現(xiàn)大面積紅色死細(xì)胞，其余對照組均顯示綠色活細(xì)胞（圖3D），證實其光控殺傷效能。基于OPITBT NPs優(yōu)異熒光特性，研究者評估了OPITBT-R NPs的組織穿透能力：在808 nm激光激發(fā)下，其NIR-II熒光強(qiáng)度在特定濃度范圍內(nèi)呈劑量依賴性（圖3E）；即使覆蓋7 mm厚雞胸肉組織，1 mg mL?1濃度時仍可檢測到明顯信號（圖3F）。小鼠血管成像顯示：隨長通濾波片波長增加，血管圖像分辨率顯著提升。在NIR-IIb區(qū)域（>1500 nm）觀察到極低背景噪聲，肝區(qū)周圍血管清晰可辨。1500 nm濾波下后肢血管成像信背比（SBR）達(dá)3.41，半峰全寬（FWHM）僅0.55 mm（圖3G）；1400 nm濾波成像質(zhì)量更優(yōu)（SBR=3.53, FWHM=0.52 mm）。這歸因于OPITBT-R NPs在NIR-II區(qū)的卓越熒光亮度，且該波段水吸收峰反而增強(qiáng)了信背比，彰顯其強(qiáng)大的活體NIR-II成像能力。
圖4. 注射OPITBT-R NPs后原位4T1乳腺癌荷瘤小鼠成像實驗
基于OPITBT-R NPs在體外展現(xiàn)的抗癌細(xì)胞光毒性及體內(nèi)外NIR-II成像能力，研究者在原位4T1乳腺癌小鼠模型中評估了其多模態(tài)診療性能。靜脈注射后，腫瘤區(qū)域熒光信號逐漸增強(qiáng)，24小時達(dá)峰值并持續(xù)至48小時（圖4A），這種長效滯留特性有利于術(shù)中導(dǎo)航。與熒光成像結(jié)果一致，光聲（PA）信號同樣在24小時達(dá)到峰值（圖4B），證實熒光/光聲雙模態(tài)協(xié)同可實現(xiàn)精準(zhǔn)腫瘤可視化診斷。選擇NPs富集峰值時段（注射后24小時）進(jìn)行光熱治療：經(jīng)808 nm激光（0.8 W cm?2）照射2分鐘，腫瘤溫度從33.8℃急劇升至54.6℃，5分鐘后達(dá)56.1℃（圖4C），完全滿足腫瘤消融需求。這種快速升溫特性可顯著縮短照射時間，最大限度降低對正常組織的光損傷。上述結(jié)果充分證明，兼具NIR-II熒光成像、光聲成像與光熱治療功能的OPITBT-R NPs是精準(zhǔn)癌癥診療的理想制劑。
圖5. 腫瘤治療情況分析
基于前期實驗結(jié)果，對OPITBT-R NPs進(jìn)行了體內(nèi)抗腫瘤療效評估：將原位4T1乳腺癌荷瘤小鼠隨機(jī)分為四組。單次靜脈注射OPITBT-R NPs后24小時施加808 nm激光照射（0.8 W cm?2，5分鐘），光療組（OPITBT-R NPs + L）的實體瘤在2天內(nèi)生長被完全抑制，腫瘤近乎消失（圖5A）；治療14天后實現(xiàn)腫瘤完全清除且無復(fù)發(fā)跡象，僅殘留疤痕（圖5B）。相比之下，PBS組、PBS+L組及單獨納米顆粒組腫瘤持續(xù)快速生長（圖5C、D）。組織學(xué)與免疫組化分析進(jìn)一步驗證作用機(jī)制：H&E染色顯示光療組腫瘤組織大面積破壞，而對照組腫瘤細(xì)胞存活且排列緊密；TUNEL染色證實光療組細(xì)胞嚴(yán)重凋亡/壞死；CD31與Ki67染色則表明腫瘤血管形成和細(xì)胞增殖受顯著抑制（圖5E）。治療期間每兩日監(jiān)測小鼠體重，14天后光療組未出現(xiàn)顯著體重下降（圖5F）。治療結(jié)束時血液及主要器官分析顯示：光療組肝功指標(biāo)（ALT/AST/ALB）與腎功指標(biāo)（CREA/BUN）均無統(tǒng)計學(xué)差異（圖5G、H）；心、肝、脾、肺、腎的H&E染色未見病理性異常，證實該納米系統(tǒng)具有優(yōu)異的生物相容性與安全性，符合臨床光診療制劑標(biāo)準(zhǔn)。上述結(jié)果充分證明多維供體工程策略可開發(fā)兼具高效治療性與生物安全性的多功能光診療體系。
通過多維供體工程策略，本研究顯著提升了近紅外二區(qū)（NIR-II）診療試劑的熒光效率并優(yōu)化其多模態(tài)光診療性能。所開發(fā)的NIR-II AIE分子OPITBT在納米聚集態(tài)下兼具高NIR-I摩爾消光系數(shù)、卓越的NIR-II量子產(chǎn)率、優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率及可接受的I型活性氧生成能力。系統(tǒng)性實驗與理論分析表明：該分子通過同步調(diào)控供體-受體強(qiáng)度、增強(qiáng)疏水相互作用、擴(kuò)大分子堆疊距離減弱π-π堆積，并維持適度的分子內(nèi)運動，實現(xiàn)了輻射衰變與非輻射衰變過程的精巧平衡。經(jīng)納米化改性提升水分散性與腫瘤靶向能力后，OPITBT-R NPs表現(xiàn)出卓越的多模態(tài)診療性能：在NIR-II熒光/光聲/光熱成像引導(dǎo)下，通過光動力/光熱協(xié)同療法徹底清除小鼠原位4T1腫瘤。本研究為設(shè)計"一體化"光診療體系提供了通用框架，并為癌癥治療的臨床轉(zhuǎn)化奠定基礎(chǔ)。后續(xù)研究將聚焦OPITBT在深部惡性腫瘤、晚期動脈粥樣硬化病變及多重耐藥菌感染等臨床病理模型中的精準(zhǔn)診療應(yīng)用，以滿足轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的迫切需求。
參考文獻(xiàn)
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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