利用性能優(yōu)異的NIR-II型試劑進(jìn)行成像引導(dǎo)的光熱溶栓治療

本文要點(diǎn)：近紅外二區(qū)（NIR-II）成像和光熱療法在生物體內(nèi)的精準(zhǔn)診斷和治療中具有巨大的潛力。目前缺乏同時(shí)具有高光熱轉(zhuǎn)換效率（PCE）和熒光量子產(chǎn)率（ΦF）的NIR-II熒光探針。本文中，通過(guò)將一個(gè)大的共軛吸電子核心、多個(gè)轉(zhuǎn)子和多個(gè)烷基鏈整合到一個(gè)分子中，成功構(gòu)建了一種NIR-II試劑4THTPB，其具有優(yōu)異的PCE（87.6%）和高ΦF（3.2%）。4THTPB顯示出在1058 nm的最大發(fā)射峰，其發(fā)射尾部可延伸至1700 nm。這些特性使其納米顆粒（NPs）在NIR-II高分辨率血管造影中表現(xiàn)良好，從而通過(guò)NIR-II成像實(shí)現(xiàn)對(duì)血栓的精確診斷，并實(shí)現(xiàn)高效的光熱溶栓。這項(xiàng)工作不僅提供了一種性能優(yōu)異的NIR-II試劑，還為高性能NIR-II試劑的設(shè)計(jì)提供了寶貴的指導(dǎo)。

 

 

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在此，研究者通過(guò)將一個(gè)大的共軛受體多個(gè)轉(zhuǎn)子和四個(gè)烷基鏈整合到一個(gè)分子中，制備了一種名為4THTPB的NIR-II試劑，其具有高PCE和可觀(guān)的ΦF（圖1）。烷基鏈為多個(gè)轉(zhuǎn)子的分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)提供了充足的空間。這一設(shè)計(jì)策略最終使4THTPB在制備成納米顆粒（NPs）時(shí)的PCE達(dá)到87.6%。此外，引入烷基噻吩單元確保了分子內(nèi)的顯著扭曲，從而有效防止了由π–π堆積引起的聚集誘導(dǎo)淬滅（ACQ）效應(yīng)。同時(shí)，大共軛剛性單元與適當(dāng)?shù)耐榛�長(zhǎng)度減少轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)空間以通過(guò)非輻射失活過(guò)程消耗所有能量。因此，測(cè)得4THTPB NPs的ΦF為3.2%。光物理測(cè)量顯示，4THTPB NPs在1058 nm處顯示出最大發(fā)射，并且發(fā)射尾部延伸至1700 nm，這表明其在NIR-II區(qū)域具有出色的熒光成像能力。4THTPB是綜合性能（PCE和ΦF）以及最長(zhǎng)波長(zhǎng)方面報(bào)告的最佳試劑之一。因此，4THTPB NPs可用于小鼠血管成像并準(zhǔn)確識(shí)別血栓位置。此外，由于其高PCE，4THTPB NPs可用于光熱溶栓和治療后血管重連的可視化。

圖1. 4THTPB的化學(xué)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)策略和性能示意圖

 

接下來(lái)，用DSPE-PEG2000包封4THTPB，研究了其聚集狀態(tài)下的性能。通過(guò)動(dòng)態(tài)光散射（DLS）和透射電子顯微鏡（TEM）表征，獲得的4THTPB NPs的流體動(dòng)力學(xué)直徑為102.8 nm（圖2.A）。此外，磷酸緩沖溶液（PBS）中的4THTPB NPs非常穩(wěn)定，在環(huán)境條件下30天內(nèi)沒(méi)有觀(guān)察到粒徑變化。與在THF溶液中的吸收不同，4THTPB NPs在732 nm處顯示紅移峰，并顯示延伸到NIR區(qū)域（>900 nm）的寬吸收帶（圖2.B）。此外，4THTPB NPs在793 nm處的分子消光系數(shù)也高于TT1-oCB NPs。在水中，4THTPB NPs的PL在1058 nm處達(dá)到峰值，尾部為1700 nm。1400nm以上拖尾發(fā)射強(qiáng)度的急劇下降可歸因于1450nm附近的水對(duì)光的強(qiáng)烈吸收。在沒(méi)有水干擾的情況下，處于聚集狀態(tài)的4THTPB的PL信號(hào)在1400至1550 nm的范圍內(nèi)逐漸下降，與水溶液中觀(guān)察到的PL信號(hào)形成鮮明對(duì)比。以1,2-二氯乙烷中的IR-26（ΦF=0.5%）為參考，計(jì)算出4THTPB NPs在水中的ΦF為3.2%，遠(yuǎn)高于THF中的ΦF。這些結(jié)果進(jìn)一步表明，4THTPB具有AIE特性，其N(xiāo)Ps非常適合NIR-II熒光成像。

圖2. 4THTPB NPs的表征

 

在NIR激光（808 nm）照射下對(duì)4THTPB NPs在水中的光熱效應(yīng)進(jìn)行了體外研究。結(jié)果表明，NPs的光熱效應(yīng)取決于激光的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，以及它們的濃度，從而可以精確控制熱量的產(chǎn)生（圖2C）。值得注意的是，在808 nm激光照射（1 W cm–2）5分鐘后，4THTPB NPs（100μM）水溶液的溫度迅速達(dá)到約70°C，而在相同條件下，純水的溫度變化很小。即使在0.3 W cm–2808 nm激光照射下，4THTPB NPs也表現(xiàn)出明顯的熱效應(yīng)，并在5分鐘內(nèi)溫度升高到45°C。4THTPB中轉(zhuǎn)子和烷基鏈的數(shù)量比之前報(bào)道的試劑多，例如轉(zhuǎn)子和烷基鏈路較少的2TT-oC6B，這使得NPs在聚集狀態(tài)下具有更多的非輻射失活過(guò)程，ΦF低于2TT-oC6A NPs就證明了這一點(diǎn)。經(jīng)計(jì)算，PCE高達(dá)87.6%，幾乎超過(guò)了之前報(bào)道的所有NIR-II發(fā)射光熱材料。此外，4THTPB NPs具有很高的光熱穩(wěn)定性，即使在五次加熱-冷卻循環(huán)后也沒(méi)有衰減。4THTPB NPs憑借其優(yōu)異的熒光和光熱特性，在NIR-II成像引導(dǎo)的微小病變PTT（如溶栓）方面具有潛力。

圖3. 全身成像和腦血管顯微成像

 

使用4THTPB NPs作為探針進(jìn)行體內(nèi)和腦血管成像。注射4THTPB NPs后，整個(gè)血管系統(tǒng)變得清晰可見(jiàn)。為了評(píng)估空間分辨率，通過(guò)高斯擬合半峰全寬（fwhm）分析血管的橫截面強(qiáng)度分布，測(cè)量了血管的表觀(guān)寬度。結(jié)果表明，隨著LP濾光片波長(zhǎng)分別從1200 nm增加到1300 nm，然后進(jìn)一步增加到1500 nm，fwhm從0.43 nm下降到0.36 mm，再進(jìn)一步下降到0.33 nm，從而表明NIR IIb熒光成像可用于精確區(qū)分體內(nèi)的深層細(xì)節(jié)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證4THTPB NPs在不同穿透深度下對(duì)較小結(jié)構(gòu)的成像能力，對(duì)小鼠大腦進(jìn)行了顯微血管造影（圖3G-I）。靜脈注射4THTPB NPs后，在不同深度可觀(guān)察到小鼠腦內(nèi)的血管系統(tǒng)。值得注意的是，穿透深度可達(dá)840μm，這使得即使是寬度為3.4 μm的毛細(xì)血管，在540μm的深度也能清晰地看到。這些發(fā)現(xiàn)表明，4THTPB NPs的NIR-II熒光信號(hào)提供了高清晰的深部組織成像。通過(guò)NIR-II成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高空間分辨率為提供更準(zhǔn)確的微小病變?cè)\斷信息帶來(lái)了巨大的希望。

圖4. 體外和體內(nèi)的血栓診斷和治療

 

據(jù)報(bào)道，加熱不僅可以提高組織型纖溶酶原激活物的溶栓能力，而且本身也具有溶栓特性�？紤]到4THTPB NPs的優(yōu)異光熱效應(yīng)及其發(fā)射特性，進(jìn)行了NIR-II熒光成像引導(dǎo)的光熱溶栓。首先，在沒(méi)有血流的情況下用4THTPB NPs檢查了血栓溶解情況（圖4A，B）。不含4THTPB NPs的對(duì)照組在0.3 W cm–2的808 nm激光照射60分鐘后，PBS（pH=7.4）的顏色變化很小，從而表明凝塊溶解不足。相反，當(dāng)在相同的實(shí)驗(yàn)條件下使用4THTPB NPs（15-30μM）時(shí)，由于成功溶解凝塊，PBS的顏色逐漸變暗（圖4A）。通過(guò)繪制540和415nm下溶解血液的吸光度與照射時(shí)間的關(guān)系圖，證實(shí)了凝塊溶解速率隨著4THTPB NPs濃度的增加而增加（圖4B）。值得注意的是，用蘇木精和伊紅（H&E）對(duì)處理過(guò)的血栓進(jìn)行染色后發(fā)現(xiàn)，隨著4THTPB NsP濃度的增加，處理過(guò)的血塊更容易降解成許多小碎片，導(dǎo)致表面更粗糙（圖4D）。血栓的溶解可能不僅與熱量有關(guān)，還可能與NPs在光照下的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。

受上述陽(yáng)性結(jié)果的鼓舞，在BALB/c雌性小鼠中建立了股動(dòng)脈血栓模型，以評(píng)估NIR-II成像在檢測(cè)血栓方面的性能以及4THTPB NPs通過(guò)光熱效應(yīng)在體內(nèi)溶解和清除血栓的能力（圖4C、E、F）。為了確保小鼠左右腿之間的一致性，還切除了左腿（對(duì)照組）的表皮，以暴露主要股動(dòng)脈，這與在右腿上進(jìn)行的手術(shù)相對(duì)照。注射4THTPB NPs后（圖4E，F(xiàn)），在右后肢動(dòng)脈的血栓區(qū)域觀(guān)察到輕微的NIR-II信號(hào)，但在808 nm激光照射后，可以清楚地觀(guān)察到血管通暢引起的顯著信號(hào)。然后使用紅外熱成像技術(shù)監(jiān)測(cè)不同干預(yù)措施后右腿（股動(dòng)脈血栓模型）和左腿的溫度變化。為了保持體溫，將麻醉的小鼠放在加熱墊上。由于皮膚和毛發(fā)缺乏隔熱作用，切除皮膚區(qū)域的溫度與未切除區(qū)域相比有所降低。照射前，右腿（股動(dòng)脈血栓模型）的溫度比左腿低1~2°C，這可能是由于血流受阻。血液循環(huán)能夠?qū)�熱量輸送到全身，但如果循環(huán)受阻，熱量就無(wú)法到達(dá)受影響的部位，從而導(dǎo)致體溫下降。注射4THTPB NPs隨后用808nm激光照射后，左右腿之間幾乎沒(méi)有溫差。然而，在對(duì)照組中，靜脈注射PBS后進(jìn)行等效照射僅導(dǎo)致右腿溫度略有升高，仍比左腿低約1°C。此外，對(duì)治療后的小鼠進(jìn)行了額外的NIR-II熒光成像，以觀(guān)察光熱治療的效果（圖4G）。對(duì)于對(duì)照組，將4THTPB NPs注射到尾靜脈進(jìn)行成像。經(jīng)治療的小鼠腿部的NIR-II熒光成像顯示，雖然對(duì)照組右腿的股動(dòng)脈仍然大部分閉塞，但4THTPB NPs組右腿的動(dòng)脈表現(xiàn)出明顯的重新連接。這些結(jié)果表明，4THTPB NPs已成功應(yīng)用于NIR-II成像引導(dǎo)的體內(nèi)光熱溶栓。與傳統(tǒng)的藥物溶栓相比，這種方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，包括能夠可視化治療區(qū)域，確保更高的準(zhǔn)確性和控制。

圖5. 通過(guò)治療和評(píng)估溶栓效率來(lái)進(jìn)行血管再通的NIR-II成像。左腿和右腿的NIR-II成像（右腿股動(dòng)脈血栓模型）

 

利用NIR-II成像監(jiān)測(cè)血栓溶解過(guò)程中的血管再通過(guò)程。如圖5A所示，在用808nm激光直接照射右腿5分鐘，然后靜脈注射4THTPB NPs進(jìn)行NIR-II成像后，有證據(jù)表明股動(dòng)脈仍然被阻斷，從而表明在沒(méi)有4THTPB NPs的情況下很難溶解血栓。然而，在隨后的4THTPB NPs照射下，隨著累積照射時(shí)間的增加，觀(guān)察到由于血栓形成導(dǎo)致的先前缺失的NIR-II信號(hào)顯著增強(qiáng)，這表明股動(dòng)脈逐漸重新連接（圖5B-E）。這一結(jié)果表明，溶栓效率隨著照射時(shí)間的延長(zhǎng)而提高。為了評(píng)估4THTPB NPs的光熱溶栓效果并觀(guān)察血管中的血栓，取下接受不同治療的小鼠的股動(dòng)脈切片，用H&E染色（圖5F）。觀(guān)察到在用4THTPB NPs治療和照射后，血栓大小急劇減小。定量數(shù)據(jù)還顯示，在用4THTPB NPs治療和照射后，血栓的相對(duì)體積減少了約91%。因此，光熱溶栓過(guò)程的NIR-II成像可以生動(dòng)地說(shuō)明4THTPB NPs在診斷和治療血栓方面的吸引力。為了研究4THTPB NPs的分布和代謝，在體外檢測(cè)了主要器官的熒光信號(hào)，結(jié)果表明，4THTPB NPs主要積聚在肝臟和脾臟中，4THTPB NPs的NIR-II信號(hào)隨著時(shí)間的推移逐漸減弱。

在這項(xiàng)工作中，通過(guò)在一種化合物中集成大型共軛吸電子核、多個(gè)轉(zhuǎn)子和四個(gè)烷基鏈，成功設(shè)計(jì)了一種高性能的NIR-II試劑4THTPB。多個(gè)烷基鏈和大共軛結(jié)構(gòu)的存在為多個(gè)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)提供了適當(dāng)?shù)目臻g。因此，4THTPB NPs同時(shí)表現(xiàn)出高PCE（87.6%）和ΦF值（3.2%）。同時(shí)，4THTPB的強(qiáng)ICT效應(yīng)使其能夠發(fā)射N(xiāo)IR-II熒光，其波長(zhǎng)可達(dá)1700 nm。體內(nèi)NIR-II成像實(shí)驗(yàn)證實(shí)，4THTPB NPs能夠以高空間分辨率清晰地描繪活體小鼠的血管系統(tǒng)，從而準(zhǔn)確診斷血栓的位置。4THTPB NPs在精確光熱溶栓中的應(yīng)用也已成功實(shí)現(xiàn)，從而在精確診斷和治療微小病變方面顯示出巨大的潛力。因此，這項(xiàng)工作為同時(shí)設(shè)計(jì)具有高PCE和ΦF以及長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)射的有機(jī)NIR-II試劑提供了一種可行的策略。

 

參考文獻(xiàn)

Zhou D, Zhang G, Li J, et al. Near-Infrared II Agent with Excellent Overall Performance for Imaging-Guided Photothermal Thrombolysis[J]. ACS nano, 2024, 18, 36, 25144–25154.

 

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