本文要點(diǎn)：將高性能近紅外二區(qū)（NIR-II，900-1880 nm）熒光成像與高效光熱治療（PTT）集成于單一納米平臺(tái)，仍是癌癥診療學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。本研究提出了一種基于硼-氧（B-O）螯合的超分子工程策略，成功構(gòu)建了構(gòu)象鎖定的aza-BODIPY衍生物（BTA-BDP），其可自組裝形成超穩(wěn)定J聚集體。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雙重突破：1）在NIR-II窗口（λem = 1014 nm）獲得4.37%的熒光量子產(chǎn)率（Φ），突破了NIR-II發(fā)射體通常Φ < 1%的限制；2）創(chuàng)紀(jì)錄地達(dá)到69.6%的光熱轉(zhuǎn)換效率（PCE），超越多數(shù)有機(jī)光熱劑（PCE < 50%）。分子動(dòng)力學(xué)模擬和藥代動(dòng)力學(xué)研究表明，強(qiáng)π-π堆積相互作用與長(zhǎng)烷基鏈的結(jié)合可延長(zhǎng)腫瘤滯留時(shí)間（>344小時(shí)），實(shí)現(xiàn)單次給藥治療。在低功率808 nm輻照（0.4 W cm-2）下，BTA-BDP納米顆粒（NPs）能迅速引發(fā)高熱效應(yīng)（ΔT = 25.9 °C），并在小鼠模型中實(shí)現(xiàn)腫瘤消融，這一效果通過(guò)組織病理學(xué)和多模態(tài)成像（NIR-II/光聲）得到驗(yàn)證。該研究解決了熒光-光熱性能難以兼顧的難題，為精準(zhǔn)癌癥納米醫(yī)學(xué)建立了超分子設(shè)計(jì)藍(lán)圖，從而在分子工程與臨床轉(zhuǎn)化之間架起了橋梁。

活體成像系統(tǒng)

圖1. 多模式成像指導(dǎo)下用于腫瘤光熱治療的BTA-BDP NPs示意圖

本文提出了一種基于硼-氧（B-O）螯合的超分子工程策略，成功構(gòu)建了構(gòu)象鎖定的氮雜-BODIPY衍生物（BTA-BDP），其可自組裝形成具有突破性診療性能的超穩(wěn)定J聚集體。通過(guò)小鼠模型的多模態(tài)成像（NIR-II/光聲）和組織病理學(xué)驗(yàn)證，該平臺(tái)展現(xiàn)出抑制腫瘤且無(wú)復(fù)發(fā)的療效（圖1）。本研究通過(guò)解決熒光-光熱性能權(quán)衡問(wèn)題并建立結(jié)構(gòu)-滯留-活性關(guān)系，為設(shè)計(jì)具有臨床轉(zhuǎn)化潛力的新一代光熱診療劑提供了藍(lán)圖。

圖2.  TA-BDP 和 BTA-BDP的表征

TA-BDP和BTA-BDP在THF中的紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收光譜顯示出延伸至800 nm以上的寬吸收譜帶。相較于TA-BDP，BTA-BDP表現(xiàn)出紅移現(xiàn)象，其吸收/發(fā)射峰位于829/861 nm（斯托克斯位移：32 nm），而TA-BDP的吸收/發(fā)射峰為789/815 nm（圖2a）。基于基態(tài)優(yōu)化幾何構(gòu)型的密度泛函理論（DFT）計(jì)算揭示了這一紅移的電子起源（圖2b）。BTA-BDP中聯(lián)噻吩延伸的共軛體系將HOMO-LUMO能隙縮小至1.679 eV（TA-BDP為1.830 eV），與其增強(qiáng)的近紅外吸收特性一致。這些結(jié)果驗(yàn)證了近期關(guān)于π擴(kuò)展氮雜-BODIPY體系中前線軌道能量與光學(xué)帶隙相關(guān)性的研究。

通過(guò)THF/H2O混合溶劑在0-10°C下的介導(dǎo)聚集研究了J聚集體的形成。隨著水相比例增加，BTA-BDP表現(xiàn)出顯著的光譜演變：831 nm處的單體峰衰減與978 nm處J聚集體吸收帶的出現(xiàn)同步發(fā)生（圖2c）。相比之下，TA-BDP在相同條件下僅顯示輕微紅移（789→820 nm，圖2e），凸顯了聯(lián)噻吩取代對(duì)穩(wěn)定擴(kuò)展聚集體的關(guān)鍵作用。加熱至70°C可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)镠聚集體，表現(xiàn)為40%水含量時(shí)吸收峰藍(lán)移（BTA-BDP：707 nm；TA-BDP：679 nm，圖2d-f）。通過(guò)吉布斯自由能（ΔG = ΔH - TΔS）的熱力學(xué)分析表明，J聚集在低溫下為焓驅(qū)動(dòng)過(guò)程（ΔH < 0），而高溫時(shí)熵增優(yōu)勢(shì)（TΔS主導(dǎo)）促使H聚集體形成。

為評(píng)估NIR-II生物成像潛力，制備了TA-BDP和BTA-BDP的水相納米顆粒。BTA-BDP NPs在978 nm處顯示出顯著的J聚集體吸收（較THF中紅移118 nm）及1014 nm處熒光發(fā)射（Φ=4.37%），性能顯著優(yōu)于TA-BDP NPs（圖2i-j）。動(dòng)態(tài)光散射（DLS）和透射電鏡（TEM）證實(shí)了單分散NP形貌，其中BTA-BDP NPs（103.6 nm）的尺寸均一性優(yōu)于TA-BDP NPs（128.3 nm）（圖2i-j）。這種150 nm以下的尺寸通過(guò)增強(qiáng)滲透滯留效應(yīng)（EPR）對(duì)被動(dòng)腫瘤靶向至關(guān)重要，使BTA-BDP NPs成為診療一體化應(yīng)用的理想平臺(tái)。

圖4. 細(xì)胞內(nèi)化動(dòng)力學(xué)與體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)

為闡明BTA-BDP NPs的細(xì)胞攝取機(jī)制，研究者共包裹尼羅紅（NR）作為亞細(xì)胞追蹤探針。共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）顯示，HeLa細(xì)胞孵育4小時(shí)后，NPs呈現(xiàn)核周定位，DAPI染色的細(xì)胞核（藍(lán)色）與NR熒光（紅色）存在明顯空間分離，證實(shí)了細(xì)胞質(zhì)內(nèi)化且避免進(jìn)入細(xì)胞核——這一關(guān)鍵特性可最大限度降低基因毒性（圖4a）。流式細(xì)胞術(shù)33分析表明，TA-BDP/NR NPs和BTA-BDP/NR NPs的細(xì)胞攝取均呈時(shí)間依賴性，隨孵育時(shí)間延長(zhǎng)而增加（圖4b）。CCK-8細(xì)胞毒性試驗(yàn)顯示其在黑暗條件下具有優(yōu)異的生物相容性，即使超治療濃度（16 µM，孵育4小時(shí)）下細(xì)胞存活率仍>96%（圖4c）。值得注意的是，短暫近紅外照射（808 nm，1.0 W cm?2，3分鐘）即可誘導(dǎo)HeLa細(xì)胞近乎消融（存活率<1%，圖4d）。Calcein AM/PI雙染進(jìn)一步驗(yàn)證了這種"開(kāi)/關(guān)"式二元細(xì)胞毒性：未處理對(duì)照組顯示均勻綠色熒光（活細(xì)胞），而經(jīng)照射的BTA-BDP NPs引發(fā)廣泛紅色熒光（壞死細(xì)胞，圖4e）。PBS+激光對(duì)照組細(xì)胞毒性可忽略（存活率98.2±1.4%），證實(shí)了光熱效應(yīng)的特異性。這些結(jié)果確立了BTA-BDP NPs作為兼具安全性和療效的精準(zhǔn)治療劑地位。

圖5. 體內(nèi)多模態(tài)成像與光熱性能評(píng)價(jià)

為全面評(píng)估BTA-BDP NPs的體內(nèi)診療性能，研究者采用HeLa荷瘤小鼠模型對(duì)其光熱轉(zhuǎn)換效率及光聲成像（PAI）能力進(jìn)行系統(tǒng)研究。瘤內(nèi)注射BTA-BDP NPs（20 µM，100 µL）后，在808 nm激光照射（0.8 W cm?2）下監(jiān)測(cè)局部溫度動(dòng)態(tài)變化。值得注意的是，腫瘤區(qū)域溫度在10分鐘內(nèi)從32.7°C迅速升至58.6°C（ΔT=25.9°C）（圖5a,b），不僅超過(guò)不可逆熱消融閾值（>50°C），同時(shí)避免了對(duì)周圍組織的附帶損傷。這種顯著差異（PBS對(duì)照組：ΔT=3.1°C；TA-BDP NPs組：ΔT=18.4°C）凸顯了BTA-BDP NPs光熱效應(yīng)，歸因于其優(yōu)化的J聚集體結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)的π共軛體系。升溫幅度與納米顆粒濃度/激光功率的線性相關(guān)性進(jìn)一步驗(yàn)證了熱誘導(dǎo)過(guò)程的精準(zhǔn)時(shí)空控制——這是臨床轉(zhuǎn)化的重要特性。

BTA-BDP NPs體外PA信號(hào)分析顯示濃度依賴性增強(qiáng)，20 µM濃度下BTA-BDP NPs的信號(hào)強(qiáng)度較TA-BDP NPs提高1.13倍（圖5c），這源于BTA-BDP擴(kuò)展π共軛體系對(duì)光吸收及熱彈性聲波產(chǎn)生的增強(qiáng)作用。體內(nèi)PA成像進(jìn)一步展現(xiàn)優(yōu)異的腫瘤勾勒能力，清晰記錄了注射后48小時(shí)內(nèi)的動(dòng)態(tài)生物分布（圖5d-e）。PA信號(hào)強(qiáng)度在6小時(shí)達(dá)到峰值（熒光成像數(shù)據(jù)吻合），并可持續(xù)檢測(cè)至48小時(shí)，表明其在腫瘤中的長(zhǎng)效滯留。特別值得注意的是，BTA-BDP NPs較小的流體力學(xué)直徑（103.6 nm vs TA-BDP NPs的128.3 nm，圖2i-j）通過(guò)EPR效應(yīng)增強(qiáng)被動(dòng)靶向性，其腫瘤-背景對(duì)比度較TA-BDP對(duì)照組提高1.19倍。

光熱治療與PA成像的協(xié)同整合不僅驗(yàn)證了BTA-BDP NPs的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，更為實(shí)時(shí)治療監(jiān)測(cè)建立了可靠框架。溫度-PA信號(hào)相關(guān)性（圖5b,d）提供雙參數(shù)反饋機(jī)制，可精準(zhǔn)校準(zhǔn)照射參數(shù)以最小化脫靶效應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)共同確立了BTA-BDP NPs作為多功能診療平臺(tái)的潛力，在單一納米醫(yī)學(xué)范式下實(shí)現(xiàn)了高保真診斷成像與可控光熱消融的有機(jī)統(tǒng)一。

圖6. 小鼠腹部和腿部血管成像

為評(píng)估BTA-BDP NPs的體內(nèi)熒光成像性能，采用不同長(zhǎng)通濾光片（1000 nm LP–1300 nm LP）和激光功率密度（12–181 mW cm?2）對(duì)小鼠血管系統(tǒng)進(jìn)行熒光成像。使用1000 nm LP濾光片時(shí)，可清晰觀測(cè)小鼠腹部區(qū)域不同粗細(xì)血管及下肢血管網(wǎng)絡(luò)。隨著濾光片截止波長(zhǎng)增加，雖然血管內(nèi)探針亮度逐漸降低，但在1100 nm LP、1200 nm LP和1300 nm LP條件下仍能檢測(cè)到血管信號(hào)（圖6a,b）。這些結(jié)果凸顯了BTA-BDP NPsNIR-II發(fā)光特性，提示其可通過(guò)血管成像評(píng)估抗腫瘤藥物對(duì)腫瘤血管生成的影響，為腫瘤治療提供新思路。通過(guò)血管橫截面強(qiáng)度定量分析及高斯擬合顯示：在1000 nm LP濾光片下，腹部血管半峰寬僅0.29 mm，下肢血管為0.42 mm；當(dāng)濾光片波長(zhǎng)提升至1300 nm LP時(shí)，腹部與下肢血管半峰寬分別僅增加0.03 mm（至0.32 mm）和0.04 mm（至0.46 mm）（圖6c,d）。值得注意的是，即使在極低激發(fā)功率（12 mW cm?2，圖6e）下仍能檢測(cè)血管信號(hào)，證實(shí)了BTA-BDP NPs優(yōu)異的熒光量子產(chǎn)率和深組織成像潛力。

圖7. BTA-BDP NPs荷瘤小鼠研究和分子模擬

對(duì)比分析顯示，BTA-BDP NPs在腫瘤部位產(chǎn)生的熒光信號(hào)強(qiáng)度是TA-BDP對(duì)照組的1.97倍，可實(shí)現(xiàn)治療進(jìn)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。藥代動(dòng)力學(xué)分析表明腫瘤積累峰值出現(xiàn)在注射后6小時(shí)（圖7a-d），與光熱治療最佳時(shí)間窗高度吻合。長(zhǎng)達(dá)344小時(shí)的縱向追蹤檢測(cè)到持續(xù)腫瘤信號(hào)——這是有機(jī)納米顆粒報(bào)道中最長(zhǎng)的滯留時(shí)間，為單劑量治療方案提供支持的同時(shí)降低了多藥耐藥風(fēng)險(xiǎn)。

圖8. 小鼠NIR-II熒光成像

分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了滯留動(dòng)力學(xué)機(jī)制（圖7e-g）：首先，徑向分布函數(shù)[g(r)]分析顯示BTA-BDP具有更強(qiáng)的π-π堆積作用（4 ?處第一配位峰：BTA-BDP 1.588 vs TA-BDP 1.338），與實(shí)驗(yàn)滯留數(shù)據(jù)相互印證。這種增強(qiáng)作用可能源于BTA-BDP分子中引入的雙噻吩基團(tuán)，其不僅能強(qiáng)化分子間堆疊作用，還可能影響分子整體電子結(jié)構(gòu)進(jìn)而優(yōu)化光物理性質(zhì)。其次，與缺乏烷基鏈的A-BDP類似物相比（圖8a,b），TA-BDP NPs的烷基鏈延緩了肝臟清除速率。兩組系統(tǒng)均呈現(xiàn)時(shí)間依賴性生物分布（熒光峰值出現(xiàn)在12小時(shí)），但峰值后清除模式顯著不同：TA-BDP NPs代謝速率明顯慢于A-BDP。器官特異性成像（圖8c）證實(shí)烷基化NPs在肝臟具有優(yōu)先滯留性（TA-BDP肝臟信號(hào)在48小時(shí)為A-BDP的1.18倍），這與疏水作用延緩代謝過(guò)程的機(jī)制一致。這種結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系在無(wú)腫瘤模型中進(jìn)一步驗(yàn)證——非烷基化A-BDP NPs在達(dá)到積累峰值前即出現(xiàn)信號(hào)過(guò)早衰減。這些發(fā)現(xiàn)確立了π-π相互作用與疏水性協(xié)同的滯留策略，為納米顆粒生物分布的時(shí)空控制及解決持續(xù)給藥臨床難題提供了新方案。

圖9. 體內(nèi)抗腫瘤療效及生物相容性實(shí)驗(yàn)

為評(píng)估腫瘤微環(huán)境（TME）中的治療效果，采用808 nm激光（0.8 W cm?2）照射下BTA-BDP NPs處理的HeLa異種移植模型。荷瘤小鼠隨機(jī)分為六組（每組6-8只）：I) PBS對(duì)照組；II) PBS+激光對(duì)照組；III) TA-BDP NPs組；IV) TA-BDP NPs+激光組；V) BTA-BDP NPs組；VI) BTA-BDP NPs+激光組。每72小時(shí)靜脈給藥一次，注射后6小時(shí)進(jìn)行808 nm激光（0.8 W cm?2）照射，并通過(guò)腫瘤體積縱向測(cè)量和影像記錄量化治療效果（圖9a）。引人注目的是，接受光熱治療的IV組和VI組表現(xiàn)出快速腫瘤消退，而未照射組（I、III、V組）則呈現(xiàn)進(jìn)行性生長(zhǎng)。其中BTA-BDP NPs+激光組（VI組）療效最為顯著，部分小鼠在第24天甚至出現(xiàn)腫瘤消失，療效顯著優(yōu)于TA-BDP NPs+激光組（IV組）。這種增強(qiáng)效果可能源于BTA-BDP NPs優(yōu)化的生物分布和腫瘤靶向能力，此前的藥代動(dòng)力學(xué)研究已證實(shí)這一點(diǎn)。

通過(guò)H&E染色和Ki67染色評(píng)估腫瘤組織學(xué)變化發(fā)現(xiàn)：BTA-BDP NPs+激光組的腫瘤組織呈現(xiàn)明顯收縮、間質(zhì)增寬及顯著的核固縮碎裂，這些組織學(xué)改變表明腫瘤組織受到嚴(yán)重?fù)p傷（圖9c）。Ki-67染色顯示治療后增殖細(xì)胞數(shù)量顯著減少，進(jìn)一步證實(shí)BTA-BDP NPs介導(dǎo)的光熱治療對(duì)腫瘤細(xì)胞增殖的強(qiáng)效抑制作用。值得注意的是，所有組別均未觀察到顯著體重波動(dòng)或行為異常（圖9b），驗(yàn)證了制劑良好的生物相容性。血液學(xué)分析（ALT、AST、BUN、肌酐均在生理范圍內(nèi)）及器官組織病理學(xué)檢查（組織結(jié)構(gòu)完整，無(wú)壞死或炎）證實(shí)了系統(tǒng)性安全性。這些發(fā)現(xiàn)共同驗(yàn)證了BTA-BDP NPs作為精準(zhǔn)治療平臺(tái)兼具腫瘤消融能力和極低脫靶毒性的優(yōu)勢(shì)。

本研究提出BTA-BDP NPs作為一種變革性光診療平臺(tái)，通過(guò)超穩(wěn)定J聚集體工程學(xué)與雙模態(tài)NIR-II成像及高效光熱治療（PTT）的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)突破。基于硼-氧（B-O）螯合作用剛性化氮雜-BODIPY核并穩(wěn)定J聚集體，研究者實(shí)現(xiàn)了雙重功能：在NIR-II窗口（λem=1014 nm）獲得4.37%的量子產(chǎn)率（Φ），以及創(chuàng)紀(jì)錄的69.6%光熱轉(zhuǎn)換效率（PCE），這一突破性進(jìn)展成功解決了癌癥診療領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的熒光-光熱性能權(quán)衡難題。分子動(dòng)力學(xué)模擬與藥代動(dòng)力學(xué)分析進(jìn)一步揭示，烷基鏈調(diào)控的π-π堆疊作用可延長(zhǎng)系統(tǒng)循環(huán)時(shí)間與腫瘤滯留性，從而在低功率808 nm激光照射（0.4 W cm?2）下實(shí)現(xiàn)單劑量腫瘤消融。通過(guò)小鼠模型的多模態(tài)成像（NIR-II/光聲）與組織病理學(xué)驗(yàn)證，BTA-BDP NPs展現(xiàn)出消除腫瘤且無(wú)復(fù)發(fā)的治療效果。其臨床轉(zhuǎn)化價(jià)值尤為突出：在保持療效的前提下，激光功率降低50%、給藥頻率減半，有效解決了累積毒性和醫(yī)療設(shè)施限制等臨床痛點(diǎn)。機(jī)制研究表明，該療法通過(guò)高熱驅(qū)動(dòng)壞死（ΔT=25.9°C）和抗增殖效應(yīng)誘導(dǎo)腫瘤不可逆損傷。因此，BTA-BDP NPs為精準(zhǔn)腫瘤學(xué)提供了多功能技術(shù)藍(lán)圖。未來(lái)研究將探索與免疫治療的聯(lián)合方案以增強(qiáng)免疫原性細(xì)胞死亡，并整合AI驅(qū)動(dòng)成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)治療反饋。該研究不僅推進(jìn)了超分子設(shè)計(jì)原理，更為構(gòu)建節(jié)能高效、以患者為中心的臨床治療體系建立了可轉(zhuǎn)化框架。

參考文獻(xiàn)

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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動(dòng)物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS 

In Vivo Imaging System

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 恒光智影

上海恒光智影醫(yī)療科技有限公司，被評(píng)為“國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)"、“上海市專精特新中小企業(yè)"，獲批主持“科技部重大儀器專項(xiàng)"子課題，榮獲上海市“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃"科學(xué)儀器項(xiàng)目、上海市2025年度關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)計(jì)劃“計(jì)算生物學(xué)"項(xiàng)目。

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