氟化缺氧响应性氮杂-BODIPY纳米乳剂用于肺癌NIR-II荧光/19F磁共振/光声三模态成像引导的光热-光动力切换治疗

《Advanced Science》：Fluorinated Hypoxia-Responsive Aza-BODIPY for NIR-II FL/19F MR/PA Imaging and Phototherapy of Lung Cancer

本文报道了一种创新的氟化N-氧化物氮杂-BODIPY（OFBD）纳米乳剂（OFBD-NP），它集成了NIR-II荧光成像（NIR-II FLI）、19F磁共振成像（19F MRI）和光声成像（PAI）功能，能够实现肺癌的多模态成像引导及缺氧响应性光治疗。该平台能根据肿瘤缺氧微环境，通过细胞色素P450（CYP450）酶触发从光动力治疗（PDT）到光热治疗（PTT）的智能切换，并在皮下A549肺癌模型中显示出卓越的肿瘤靶向性、高对比度成像效果和完全肿瘤消退能力，且无系统性毒性，为克服肿瘤缺氧这一临床挑战提供了新策略。

　　

1 引言

光治疗，包括光动力治疗（PDT）和光热治疗（PTT），已成为一种有效且微创的癌症治疗策略。然而，其成功依赖于精确的成像引导、高效的肿瘤蓄积以及光敏剂的局部激活。当前方法受到成像深度浅和肿瘤缺氧的限制。传统荧光成像（FLI）组织穿透浅，无法有效可视化深部肿瘤或指导治疗。同时，缺氧的肿瘤微环境（TME）会损害氧依赖的II型PDT，导致活性氧（ROS）生成不足和疗效降低。此外，许多PTT剂表现出低光热转换效率（PCE）和差的光稳定性。因此，迫切需要具有缺氧适应性治疗功能和多模态成像能力的稳健光敏剂。

2.1 光敏剂的合成与表征

研究合成了氟化氮杂-BODIPY（FBD）及其N-氧化物衍生物（OFBD）。光学性质评估显示，两者在氯仿中均表现出显著的红移吸收，最大吸收峰分别在836 nm（FBD）和757 nm（OFBD），摩尔消光系数高。荧光发射进一步红移，FBD的发射最大值达到971 nm，进入近红外二区（NIR-II）窗口，显示出深部组织成像潜力。光动力和光热性能测试表明，OFBD在常氧下能有效产生单线态氧（¹O₂），适用于PDT；而FBD则表现出优异的光热性能，光热转换效率（PCE）更高，更适合PTT。密度泛函理论（DFT）计算为OFBD蓝移的吸收和发射以及增强的PDT功效提供了电子层面的解释。¹⁹F NMR和¹⁹F MRI显示两者均能产生强烈的单一¹⁹F信号，适用于定量MRI。生物转化实验证实，OFBD在缺氧条件下可被肝微粒体（LM）中的CYP450酶特异性还原为FBD，而金属离子或其他生物还原剂则不能引发此转化，证明了其缺氧响应特性。

2.2 纳米乳剂的制备与表征

由于水溶性差，OFBD和FBD与氟化油（Foil）等成分共同制备成纳米乳剂（OFBD-NP和FBD-NP）。动态光散射（DLS）和冷冻透射电镜（Cryo-TEM）显示纳米乳剂粒径均匀（约117-128 nm），呈球形，且具有良好胶体稳定性。纳米乳剂形成后，吸收和发射光谱均发生显著红移，表明形成了J-聚集，其中FBD-NP的发射延伸至1007 nm，进一步深入NIR-II窗口。高分辨透射电镜（HRTEM）显示的分子间π-π堆积也支持了聚集体的形成。光动力性能上，OFBD-NP能快速产生单线态氧，而FBD-NP的ROS生成有限。相反，FBD-NP表现出优异的光热活性，PCE高达72%。两者在多次激光照射循环中均表现出优异的光稳定性。光声（PA）分析显示FBD-NP的信号强度是OFBD-NP的两倍。¹⁹F MRI证实纳米乳剂由于Foil的加入，灵敏度显著提升。在缺氧和CYP450存在下，OFBD-NP的升温效果和PA信号显著增强，证实了其在缺氧条件下向FBD-NP的转化及其治疗模式的切换。

2.3 OFBD-NP的体外多模态成像与光治疗

共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）和¹⁹F NMR/MRI显示A549细胞对OFBD-NP的摄取呈时间依赖性，并在24小时达到峰值。高压液相色谱（HPLC）和PAI分析证实，在缺氧条件下，OFBD在细胞內被CYP450有效还原为FBD，且还原程度与缺氧水平正相关。光治疗效果评估显示，在常氧下，OFBD-NP处理细胞后激光照射产生强ROS，表明有效的PDT；而在缺氧下，ROS生成减弱，但光热效应显著增强，表明成功切换至PTT模式。细胞毒性（CCK-8）实验表明，OFBD-NP在黑暗条件下细胞毒性低，而在激光照射下，无论在常氧（IC₅₀= 6.92 μM）还是缺氧（IC₅₀= 8.65 μM）条件下均表现出强光毒性。流式细胞术和活/死细胞染色（Calcein-AM/PI）证实激光照射主要引发细胞凋亡，导致大量细胞死亡。使用豆油替代Foil的对照组光毒性减弱，证实了Foil在氧输送和光敏剂分散中的作用。

2.4 OFBD-NP的体内分布与多模态成像

在携带A549皮下瘤的BALB/c裸鼠体内，经cRGD修饰的OFBD-NP静脉注射后，NIR-II FLI显示其在肿瘤部位有强荧光信号，并在12小时达到峰值，表明良好的肿瘤靶向和蓄积。此时，“热点”¹⁹F MRI在肿瘤区域检测到氟信号。PAI信号在24小时达到最大，这与缺氧肿瘤微环境中OFBD随时间生物还原为FBD的过程一致。光热成像（PTI）显示，OFBD-NP处理的小鼠肿瘤部位在激光照射6分钟后温度迅速升至53°C，而PBS对照组升温不明显。对不同体积肿瘤的相关性分析显示，较大肿瘤（~400 mm³）具有更强的PA信号和缺氧探针（pimonidazole）染色，表明更高的缺氧水平和更有效的OFBD还原。

2.5 OFBD-NP的体内肺癌光治疗

在A549皮下瘤模型中评估OFBD-NP的治疗效果。小鼠随机分组后，在注射纳米乳剂12小时进行激光照射。结果显示，PBS、PBS+激光、FBD-NP或OFBD-NP（无激光）组均未观察到显著的肿瘤抑制。相比之下，FBD-NP+激光和OFBD-NP+激光组均实现了近乎完全的肿瘤消融，肿瘤生长抑制率（TGI）达100%。FBD-NP+激光组通过PTT实现肿瘤消退，而OFBD-NP+激光组可能通过PDT（初始）和PTT（后续）的协同“双杀”效应实现疗效。治疗期间小鼠体重无显著变化，主要器官的H&E染色未发现组织损伤，表明治疗具有良好的生物相容性和安全性。

3 结论

本研究开发的氟化氮杂-BODIPY纳米乳剂（OFBD-NP）能够通过缺氧触发的氧化还原反应，在PDT和PTT之间智能切换，克服肿瘤缺氧限制。该平台集成了NIR-II FLI、¹⁹F MRI、PAI和PTI等多模态成像功能，实现了精准的肿瘤定位和图像引导治疗。氟化油（Foil）核心不仅提升了¹⁹F MRI的灵敏度，还增强了氧输送，改善了PDT效果。体外和体内实验均证明了其强效且安全的肿瘤消退能力。这项工作为将深部组织、无背景的多模态成像与缺氧适应性光治疗集成于单一纳米系统提供了合理设计。

4 实验部分

详细描述了材料、纳米乳剂制备、体外生物转化、细胞实验、体内成像（NIR-II FLI, ¹⁹F MRI, PAI）和治疗方案的具体方法及参数。统计分析采用未配对双尾Student's t检验。