1064nm激發(fā)的NIR-II光療全能型分子治療原位乳腺癌

本文要點(diǎn)：近紅外二區(qū)（NIR-II，1000–1700 nm）激活有機(jī)光熱劑能夠同步實(shí)現(xiàn)滿足NIR-II 熒光成像的要求，但由于壓倒性的非輻射衰變，它即有很好的效果，但也相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。在此，通過采用苯并[c]噻吩部分作為大電子給體/π橋并定制外圍分子轉(zhuǎn)子，巧妙地設(shè)計(jì)和構(gòu)建了這樣一種試劑，即TPABT-TD。得益于其高電子供體-受體強(qiáng)度和精細(xì)調(diào)節(jié)的分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)，TPABT-TD 同時(shí)表現(xiàn)出 NIR-II 區(qū)域的超長(zhǎng)吸收、NIR-IIa (1300–1500 nm) 區(qū)域的強(qiáng)烈熒光發(fā)射（作為納米聚集體）和高光熱轉(zhuǎn)換在 1064 nm 激光照射下。這些內(nèi)在優(yōu)勢(shì)賦予 TPABT-TD 納米顆粒顯著的熒光/光聲/光熱三模態(tài)成像引導(dǎo)的NIR-II 光熱療法針對(duì)原位 4T1 乳腺腫瘤的作用，且副作用可忽略不計(jì)。

 

 

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聚集誘導(dǎo)發(fā)射 (AIE) 的出現(xiàn)提供了⼀種相當(dāng)實(shí)⽤的補(bǔ)救措施，可以獲得聚 集狀態(tài)下熒光強(qiáng)度增強(qiáng)的熒光團(tuán)。AIE 發(fā)光團(tuán) (AIE 基因) 固有的扭曲⻣架有利于抑制 聚集態(tài)下的 π-π 相互作⽤，從⽽促進(jìn)熒光發(fā)射。此外，AIE 基因的知名優(yōu)點(diǎn)還包括⼤的斯托 克斯位移和光穩(wěn)定性，這對(duì)于開展光診療具有重要意義。在此，我們⾸次報(bào)道了⼀種 NIR-II 吸收 AIE 發(fā)光團(tuán)TPABT-TD，它利⽤苯并[c]噻吩部分作為 D/π 橋，操縱外圍分⼦轉(zhuǎn) ⼦，實(shí)現(xiàn)三模態(tài) NIR-II FLI/NIR-II PAI/PTI 成像引導(dǎo)的 NIR-II PTT 消融乳腺癌。TPABT-TD 具有較強(qiáng)的 D‒A 相互作⽤和 AIE 特性，在 1025 nm 處顯⽰最⼤吸收，在 1328 nm 處顯⽰最⼤發(fā)射，適⽤于在 NIR-II 窗⼝發(fā)揮光療作⽤。封裝到⽔分散性納⽶顆粒 (NPs) 中后，TPABT-TD NPs 在 1064 nm 激光照射下表現(xiàn)出較⾼的 PCE（68.98%）。最終，通過單次注射 TPABT-TD NPs 和單次照射 1064 nm 激光，實(shí)現(xiàn)了三模態(tài) NIR-II FLI/NIR-II PAI/PTI 成像導(dǎo)航體內(nèi)腫瘤成像和NIR-II PTT。該貢獻(xiàn)為開發(fā) 1064 nm 可激活納⽶平臺(tái)提出了全⾯的指導(dǎo)⽅針，從⽽能夠?qū)ι顚蛹膊∵M(jìn)⾏有效的 NIR-II 光療。

圖1. BPBT-TD、CPBT-TD和 TPABT-TD 的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和光譜研究

 

在稀 THF 溶液中分別測(cè)定了BPBT-TD、CPBT-TD 和 TPABT-TD 的最⼤吸收峰在 894、 890 和 1010 nm，與能帶隙具有很好的⼀致性（圖 1C）。PL 光譜顯⽰ BPBT-TD、CPBT-TD 和 TPABT-TD 表現(xiàn)出寬的發(fā)射光譜，在 1000‒1500 nm 處（圖 1D）。值得注意的是，TPABT-TD 的發(fā)射最⼤值位于 1318 nm， 使其可以在 NIR-IIa 區(qū)域成像。為了探索聚集狀態(tài)下的熒光特性，使⽤具有不同⽔分?jǐn)?shù)（ fW）的 THF/ ⽔混合物測(cè)量了所得發(fā)光體的 PL 光譜。如圖 1E所⽰，由于分⼦間 π-π 堆積的分布，BPBT-TD和 CPBT-TD 顯⽰出典型的 ACQ 屬性，隨著fW 的增加，聚集體的形成。對(duì)于 TPABT-TD，外圍安 裝的⼆苯胺單元起到活性分⼦⻢達(dá)的作⽤，這導(dǎo)致其在單分散THF 溶液中熒光微弱，但在聚集體中，由于分⼦內(nèi)運(yùn)動(dòng)的限制導(dǎo)致發(fā)射增強(qiáng)。

圖2. TPABT-TD NPs 的表征

 

鑒于超⻓的吸收/發(fā)射波⻓，將疏⽔性的TPABT-TD負(fù)載到⽣物相容性的DSPE- mPEG2000 中，形成⽔分散性的TPABT-TD NPs。動(dòng)態(tài)光散射（DLS）顯⽰TPABT-TD NPs呈均勻的球形，平均 直徑約為72納⽶（圖2A）。TPABT-TD NPs的超⻓吸收和發(fā)射波⻓使其能夠維持PTT的連續(xù)熱輸出（圖2B）。然后，為系統(tǒng)地評(píng)估TPABT-TD NPs 的光熱能力。在1064 nm激光下照射7分鐘，TPABT-TD NPs的溫度與納米粒子濃度和激光功率密度密切相關(guān)，展示了可控的光熱行為（圖 2C）。具體來說，在 1064 nm 激光 (1.0 W cm²²) 照射下, TPABT-TD NP (100 µM) 從 21 °C 快速升至 58 °C (ΔΤ= 37 °C) 具有高達(dá)68.98%的 PCE 值（圖 2D）。在五圈激光加熱/冷卻過程，TPABT-TD NPs 保持優(yōu)異的光熱穩(wěn)定性（圖 2E）。如圖所示在圖2H中，TPABT-TD NP在 NIR-II 窗口，穿透深度約為 1 cm，性能優(yōu)于其他先前報(bào)道的 NIR-I 吸收苯并[c]噻吩基發(fā)光體，在深部成像方面具有廣闊的前景。如圖 2I 所示，暴露在 808 nm 激光下的 ICG 顯示，隨著雞胸肉厚度的增加，溫度升高的下降更為明顯。相比之下，經(jīng)1064 nm激光照射的TPABT-TD NP的溫度表現(xiàn)出明顯較慢的衰減速度，進(jìn)一步揭示了NIR-II光驅(qū)動(dòng)PTT對(duì)深層病變進(jìn)行治療的卓越功效。

圖3. 體外光熱殺細(xì)胞性能研究

 

受良好的光收集能力和深部組織穿透深度的鼓舞，繼續(xù)評(píng)估TPABT-TD NPs對(duì)4T1細(xì)胞的體外光熱治療能力。如圖3A所示，TPABT-TD NPs即使在100μM的高濃度下也顯示出可忽略的暗細(xì)胞毒性。TPABT-TD NPs在處理正常3T3、HUVEC和LO2細(xì)胞時(shí)具有良好的生物相容性（圖3B）。與此形成鮮明對(duì)比的是，1064 nm激光（1.0 W cm−2，5 min）照射下，隨著濃度的增加，細(xì)胞存活率明顯降低，100μM激光照射下95%以上的癌細(xì)胞被燒蝕。為了直觀驗(yàn)證TPABT-TD NPs的細(xì)胞消融效果，采用熒光素二乙酸酯（FDA，綠色熒光染色活細(xì)胞）和碘化丙啶（PI，紅色熒光染色死細(xì)胞）進(jìn)行活/死染色實(shí)驗(yàn)。如圖3C所示，在生理鹽水、生理鹽水+激光（L）和TPABT-TD NPs中測(cè)量到全場(chǎng)綠色熒光，而在TPABT-TD NPs+L處理組中觀察到強(qiáng)紅色熒光，表明TPABT-TD NPs在1064 nm激光照射下具有高細(xì)胞熱殺傷效率。流式細(xì)胞術(shù)結(jié)合Annexin V-FITC/PI分析進(jìn)一步闡明細(xì)胞死亡機(jī)制。如圖3D和圖S27所示，觀察到明顯的濃度依賴性殺瘤作用。TPABT-TD NPs+L處理組4T1細(xì)胞有56.3%壞死，而在100μM濃度下有26%的癌細(xì)胞處于凋亡狀態(tài)。而在其他三個(gè)對(duì)照組中，只有很小比例的細(xì)胞出現(xiàn)壞死或凋亡。結(jié)果表明，TPABT-TD-NPs對(duì)1064 nm激光照射具有明顯的抗腫瘤作用。

圖4. 體內(nèi)多模態(tài)成像引導(dǎo)光療治療原位 4T1 乳腺腫瘤

 

受體外光療效應(yīng)的激勵(lì)，通過靜脈注射TPABT-TD NPs到原位4TI荷瘤小鼠體內(nèi)研究NIR-II FLI、NIR-II PAI和PTI。如圖4A所示，在給藥后3 h，在腫瘤部位觀察到明顯的NIR-II FL和NIR-II PA信號(hào)，并在12 h左右達(dá)到最大值，顯示TPABT-TD NPs具有良好的腫瘤蓄積能力，可通過腫瘤和主要器官的離體成像進(jìn)一步驗(yàn)證。隨后，評(píng)估制備的TPABT-TD NPs在NIR-II多模式成像引導(dǎo)PTT中的療效。注射后12 h，連續(xù)1064 nm激光（1.0 W cm−2）照射6 min后，腫瘤區(qū)域溫度迅速升高至62.9℃（圖4B-C）。與此相反，在生理鹽水治療組中，腫瘤溫度從~37°C略微升高到~42°C。借助于三峰NIR-II FLI、NIR-II PAI和PTI，我們?cè)噲D證明其光熱殺瘤能力。如圖4D所示，在15天的監(jiān)測(cè)過程中，其他三個(gè)陰性對(duì)照組的腫瘤大小不斷增大。相反，單次注射NPs和單次激光照射可顯著抑制腫瘤生長(zhǎng)，且無復(fù)發(fā)跡象（圖S30）。腫瘤切片的組織學(xué)和免疫組織化學(xué)分析清楚地表明，NIR-II PTT可引起腫瘤細(xì)胞的顯著異常和對(duì)腫瘤組織的實(shí)質(zhì)性破壞。如圖4E所示，TPABT-TD NPs+L組的H&E和TUNEL免疫熒光染色分析顯示，與其他三個(gè)對(duì)照組相比，腫瘤區(qū)域損傷明顯，腫瘤細(xì)胞凋亡嚴(yán)重。此外，監(jiān)測(cè)到CD31陽(yáng)性新生微血管和Ki67陽(yáng)性增殖細(xì)胞顯著減少，表明TPABT-TD NPs聯(lián)合體內(nèi)激光照射具有顯著的治療效果。

 
結(jié)論
在本研究中，首次報(bào)道了一種具有AIE傾向的NIR-II吸收PTA，即TPABT-TD，用于1064 nm激光觸發(fā)的4T1乳腺原位腫瘤的高效光療。大體積π共軛苯并噻吩作為電子給體/π橋和BBTD單元作為電子受體的建議，共同將其最大吸收/發(fā)射峰延伸到NIR-II區(qū)。由于AIE的特性，TPABT-TD以納米聚集體的形式發(fā)射出明亮的NIR-II熒光，從而實(shí)現(xiàn)了高性能的NIR-II FLI，這對(duì)于其他報(bào)道的NIR-II吸收PTA來說是非常難以實(shí)現(xiàn)的，其來源于非輻射衰變的主要途徑。TPABT-TD納米粒的超高PCE（68.98%）在體外對(duì)4T1細(xì)胞具有良好的光熱殺傷性能。在NIR-II FLI/NIR-II PAI/PTI的指導(dǎo)下，TPABT-TD NPs可通過1064 nm激光精確照射獲得準(zhǔn)確的腫瘤位置和良好的腫瘤消融效果，具有良好的生物相容性。該項(xiàng)研究為在NIR-II窗口中為多模式成像引導(dǎo)的癌癥光療提供了一個(gè)可靠的設(shè)計(jì)指南。

 

參考文獻(xiàn)

Yan D, Zhang Z, Zhang J, et al. An All‐rounder for NIR‐II Phototheranostics: Well‐Tailored 1064 nm Excitable Molecule for Photothermal Combating Orthotopic Breast Cancer[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2024: e202401877.

 

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