本文要點：光聲成像（PAI）與近紅外二區(qū)（NIR-II）熒光成像的融合在癌癥診斷領(lǐng)域具有變革性潛力，但高性能雙模態(tài)造影劑的開發(fā)仍面臨挑戰(zhàn)。作者報道了一種通過熒光團三聚化設(shè)計的有機納米探針tH7@CT8，以解決小分子制劑光熱轉(zhuǎn)換效率的局限。[1,2,5]噻二唑并[3,4-g]喹喔啉熒光團衍生物H7三聚化誘導聚集，在抑制熒光量子產(chǎn)率（0.11% vs 單體0.42%）的同時將光熱轉(zhuǎn)換效率提升至43.1%。經(jīng)骨肉瘤靶向兩親性基質(zhì)包覆形成的納米顆粒（72±19 nm），其腫瘤攝取量較非靶向?qū)φ战M增強4倍。在原位骨肉瘤模型中，tH7@CT8實現(xiàn)了光聲成像檢測及實時NIR-II手術(shù)導航，腫瘤信噪比>12:1。該研究確立了平衡腫瘤學中穿透深度與分辨率矛盾的分子設(shè)計策略，同時推動有機造影劑向臨床轉(zhuǎn)化。

活體成像

研究者們通過將三聚NIR-II熒光團（tH7）封裝于配體功能化的兩親性基質(zhì)中，獲得了腫瘤靶向納米探針tH7@CT8。[1,2,5]噻二唑并[3,4-g]喹喔啉（TQ）衍生物H7的三聚化誘導受控聚集，在淬滅熒光發(fā)射（量子產(chǎn)率0.11% vs 單體0.42%）的同時，將光熱轉(zhuǎn)換效率（PTCE）提升至43.1%，顯著超越臨床用吲哚菁綠（ICG, 22%）。分子動力學模擬揭示三聚體平面化促進π-π堆疊，從而將激發(fā)態(tài)能量導向非輻射衰變路徑。骨肉瘤靶向配體CT8的引入進一步增強了腫瘤選擇性富集。在體內(nèi)實驗中，tH7@CT8能通過光聲成像精準勾勒深達1厘米組織的毫米級骨肉瘤病灶。本研究建立的分子工程策略能夠協(xié)調(diào)癌癥診斷中穿透深度與分辨率矛盾，為有機納米材料在精準腫瘤學中的臨床轉(zhuǎn)化開辟道路。

圖1. tH7的合理分子設(shè)計、合成路線及光物理表征

通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計構(gòu)建的共價三聚體tH7，可調(diào)控雙模態(tài)成像所需的關(guān)鍵光物理性質(zhì)。基于TQ的熒光團H7三聚化（圖1a）誘導吸收/發(fā)射光譜紅移，同時增強非輻射衰變路徑——這是提升光熱轉(zhuǎn)換效率（PTCE）的核心機制。采用B3LYP雜化泛函與6-31G(d)基組的密度泛函理論（DFT）模擬闡明三聚化引發(fā)的電子結(jié)構(gòu)改變：前沿分子軌道分析顯示占據(jù)軌道（HOMO）中π電子離域分布于共軛骨架，而缺電子TQ受體主導未占軌道（LUMO，圖1b）。值得注意的是，三聚化使HOMO-LUMO能隙（ΔEgap）從1.68 eV（H7）降至1.18 eV（tH7），超越苯并雙噻二唑基NIR-II熒光團1.50 eV閾值，表明近紅外吸收特性顯著增強。

光學表征證實三聚化誘導的光譜調(diào)控：在二氯甲烷中，tH7吸收峰位于864 nm（ε=1.4×10? M?1 cm?1），NIR-II熒光發(fā)射峰為1192 nm，斯托克斯位移達328 nm（圖1d），有效降低活體激發(fā)散射干擾。在水相介質(zhì)中呈現(xiàn)聚集誘導發(fā)光（AIE）效應：80%含水率（fw）時的熒光強度較純THF提升2.9倍（圖1e），歸因于三苯胺供體分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)受限。該AIE效應與聚集增強的PTCE（43.1%）協(xié)同作用，使tH7成為光聲/熒光生物成像的范式轉(zhuǎn)換型探針。

圖3. 靶向功能化與生物安全性評價tH7@CT8納米顆粒

為實現(xiàn)骨肉瘤靶向成像，通過馬來酰亞胺-巰基點擊化學將CT-8（一種源自噬菌體展示優(yōu)化肽PT-7的半胱氨酸修飾寡肽CPPSHTPT）修飾于tH7納米粒子表面。MALDI-TOF質(zhì)譜證實DSPE-PEG3.4k-CT8成功合成（圖3a），837.8 Da的質(zhì)量位移對應CT-8連接。在納米顆粒基質(zhì)中摻入30 mol% DSPE-PEG3.4k-CT8制得tH7@CT8納米粒子，其ζ電位從-23.3 mV升至-19.1 mV（圖3b），與CT-8理論等電點（pI=8.2）一致。TEM（72±19 nm）與DLS（223±60 nm, PDI=0.07）顯示tH7@CT8粒徑較tH7納米粒子增大約30%，歸因于表面肽鏈包覆。

為驗證修飾后CT-8靶向特異性，通過6-氨基己酸（Ahx）間隔臂將FITC共價偶聯(lián)至CT-8制得FITC-CT-8。質(zhì)譜確證合成成功，流式細胞術(shù)分析顯示：143B細胞與FITC-CT-8孵育后FITC通道信號顯著增強（平均熒光強度MFI≈20），顯著高于陰性對照組（成骨細胞hFOB 1.19與乳腺癌MCF-7細胞，MFI<8）；CT-8預封閉組MFI降至陰性對照水平。熒光共聚焦成像進一步佐證該特異性。

體外NIR-II熒光成像驗證tH7@CT8靶向能力：骨肉瘤143B細胞相對MFI（6.4±1.4）為hFOB 1.19細胞（1.5±0.2）的4.3倍、MCF-7細胞（2.2±0.3）的2.9倍（*p<0.05，方差分析聯(lián)合Tukey檢驗，圖3d）。CCK-8毒性實驗顯示：tH7@CT8（0-50 μg mL?1）處理24小時后，143B與NIH/3T3細胞存活率>90%（圖3e）。藥代動力學研究測得血液循環(huán)半衰期為53分鐘（圖3f）。

圖4. 皮下骨肉瘤的NIR-II熒光和光聲雙模成像

在143B骨肉瘤皮下移植瘤Balb/c裸鼠模型（n=3）中評估了tH7@CT8納米顆粒的腫瘤靶向效能與藥代動力學特性。靜脈注射tH7@CT8納米粒子（2.5 μmol kg?1, 200 μL PBS）可實現(xiàn)實時NIR-II熒光成像（808 nm激發(fā)，0.3 W cm?2；1000 nm長通濾光片，100 ms曝光，圖4a）：注射后1小時即可檢測到右后肢腫瘤特異性信號，12小時達到峰值信背比（SBR=9.8±1.4，圖4a/b）。24小時信號衰減（SBR=5.6±0.5）與肝臟清除動力學相關(guān)，離體器官成像顯示納米顆粒主要富集于肝臟（29±11% ID/g）和脾臟（160±70% ID/g）（圖4c）。

預注射游離CT-8肽（2 mg）的競爭抑制實驗使12小時腫瘤熒光強度降低76%（SBR=2.4±0.3 vs 9.8±1.4,**p<0.01，圖4a/b），證實受體介導靶向；而注射1小時殘余信號（SBR=3.5±0.2）源于增強滲透滯留（EPR）效應的被動蓄積。

光聲層析成像在注射后10小時以150 μm分辨率呈現(xiàn)腫瘤血管網(wǎng)絡(luò)（圖4d）。860 nm激發(fā)光聲縱向監(jiān)測顯示：腫瘤信號藥代動力學特征與NIR-II熒光數(shù)據(jù)一致，10小時達峰值（SBR=20.2±6.2，圖4d/e）。游離CT-8肽競爭抑制使10小時光聲強度降低72%（SBR=5.7±1.0,*p<0.05），定量驗證受體靶向機制。時序相關(guān)性分析證實光聲與NIR-II信號動力學高度同步。該雙模態(tài)平臺整合NIR-II實時導航（100 ms幀率）與光聲深度分辨成像（150 μm分辨率），為術(shù)中腫瘤精準定位提供診斷方案。

圖5. NIR-II/光聲雙模態(tài)原位骨肉瘤成像

原位骨肉瘤模型較皮下移植瘤更精準地復現(xiàn)人類疾病進程，其保留的腫瘤-基質(zhì)相互作用及轉(zhuǎn)移潛能對診斷探針評估至關(guān)重要。本研究于小鼠右脛骨建立143B原位骨肉瘤模型（n=3，圖5a），X線成像驗證顯示骨皮質(zhì)破壞（骨礦物密度較對照組降低~60%，圖5b）。靜脈注射tH7@CT8納米粒子（2.5 μmol kg?1）實現(xiàn)縱向NIR-II熒光成像（808 nm激發(fā)，1000 nm長通濾光片，圖5c）：注射后3小時出現(xiàn)腫瘤特異性信號（SBR=2.8±0.6），12小時達峰值（SBR=11.9±3.7），24小時仍維持顯著對比度（SBR=7.5±0.8，圖5d）。假手術(shù)處理左脛骨始終呈背景水平信號（SBR=1.3±0.3），排除手術(shù)偽影干擾。CT-8肽競爭抑制使12小時腫瘤信背比降低56%（5.2±1.0,*p<0.05），證實靶向能力。

同步光聲層析成像（860 nm, 1.5 MHz，圖5e）顯示隨時間遞進的腫瘤增強效應，10小時達峰值（光聲信號：3.5±0.8 au vs 注射前0.5±0.1 au,*p<0.05）。封閉組光聲信號降低57%（1.5±0.3 au），假手術(shù)對照組保持基線水平（0.8±0.2 au）。實驗結(jié)束后截取后肢（圖5f）行組織病理學分析（H&E染色），結(jié)果顯示tH7@CT8組與封閉組的骨肉瘤區(qū)域及形態(tài)學特征均與成像結(jié)果吻合（圖5g）。

本研究構(gòu)建了tH7@CT8有機納米探針，其通過精準分子工程協(xié)調(diào)光聲成像深度分辨率與NIR-II熒光靈敏度。利用TQ衍生物三聚化，通過受控π-π堆疊實現(xiàn)43.1%光熱轉(zhuǎn)換效率，在將激發(fā)態(tài)能量導向非輻射衰變路徑的同時，保留實時導航所需的熒光量子產(chǎn)率（0.11%）。分子動力學模擬揭示平面三聚體構(gòu)象增強分子間電荷轉(zhuǎn)移，CT8靶向納米粒的腫瘤蓄積量較非靶向?qū)φ战M提升4倍。tH7@CT8能在0.9厘米深度實現(xiàn)亞毫米級腫瘤邊緣勾勒，并達成>12:1的NIR-II腫瘤信噪比，性能超越現(xiàn)有雙模態(tài)制劑。競爭性結(jié)合實驗經(jīng)76%攝取抑制率證實受體特異性靶向。未來轉(zhuǎn)化需將光譜拓展至NIR-IIb波段（1500-1700 nm）以增強穿透深度，并整合微環(huán)境響應基團實現(xiàn)腫瘤異質(zhì)譜繪制。本研究論證的寡聚化驅(qū)動能量平衡范式——通過分子調(diào)控優(yōu)化輻射/非輻射衰變比例——為診斷探針開發(fā)提供普適性設(shè)計藍圖。

參考文獻

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