双受体工程化近红外二区离子型AIE光诊疗剂用于线粒体破坏的癌症精准治疗

《Aggregate》：A Dual-Acceptor Engineered Second Near-Infrared Ionic Aggregation-Induced Emission Luminogen for Mitochondria-Disrupted Cancer Phototheranostics

本文报道了一种通过双受体工程策略理性设计的近红外二区（NIR-II）离子型聚集诱导发射（AIE）光诊疗剂DT-BT-BIn。该探针集成了NIR-II发射、高效的I/II型活性氧（ROS）生成能力、优异的光热效应及光稳定性于一体。自组装纳米探针（NPs）可在体外被癌细胞有效内化，并在光照下破坏线粒体膜电位（ΔΨm），诱导细胞凋亡。体内研究证实其能特异性富集于肿瘤部位，实现NIR-II荧光/光热成像引导的精准肿瘤消融，同时保持良好的生物安全性，为临床精准癌症光疗提供了新途径。

　　

分子设计与光物理性质

本研究通过双受体工程策略，成功设计合成了新型近红外二区（NIR-II）离子型聚集诱导发射（AIE）光诊疗剂DT-BT-BIn。该分子以2-(N,N-二苯基氨基)噻吩（DT）为强电子给体，巧妙整合了苯并噻二唑（BT）和苯并[c,d]吲哚鎓（BIn）作为双受体单元，构建了显著的给体-受体（D-A）结构。理论计算显示其具有扭曲的分子构象和1.62 eV的窄能隙，有效抑制了分子间π-π堆积，并实现了吸收和发射波长的显著红移。DT-BT-BIn在二甲基亚砜（DMSO）溶液中的最大吸收和发射波长分别位于785 nm和1035 nm，表现出明确的NIR吸收和NIR-II区发射最大值，以及高达250 nm的大斯托克斯位移。在聚集状态下，其荧光强度增强3.64倍，展现出优异的AIE特性。此外，DT-BT-BIn在808 nm激光照射下展现出高效的I/II型活性氧（ROS）生成能力（包括超氧阴离子O₂^•?、羟基自由基•OH和单线态氧¹O₂）和高达55.71%的光热转换效率，且光稳定性显著优于临床批准的吲哚菁绿（ICG）。

纳米探针的制备与表征

为赋予DT-BT-BIn水分散性以用于生物医学研究，采用两亲性聚合物mPEG-PDLLA通过纳米沉淀法封装DT-BT-BIn，成功制备了DT-BT-BIn纳米探针（NPs）。动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）表征显示，NPs呈均匀球形，平均流体动力学尺寸约为139 nm，Zeta电位为-5.56 mV。NPs在磷酸盐缓冲盐水（PBS）中能保持至少8天的优异稳定性。在水溶液中，DT-BT-BIn NPs的最大吸收峰和发射峰分别位于734 nm和1174 nm，其ROS生成能力和光热性能在纳米封装后得到良好保留。经过十个加热-冷却循环，NPs仍保持稳定的光热性能，而ICG则出现显著衰减，证明了其作为持久性多模态诊疗剂的潜力。

体外光疗活性评估

以MDA-MB-231癌细胞为模型，评估了DT-BT-BIn NPs的体外光疗疗效。细胞摄取实验表明，NPs可被癌细胞有效内化，并在孵育8小时后达到最大细胞内积累。活/死细胞共染色实验显示，经DT-BT-BIn NPs（10 μM）处理并接受近红外（NIR）激光照射的MDA-MB-231细胞存活率低至10.3%，而在黑暗条件下细胞存活率高达96.4%，表明其具有显著的光疗效果。同时，NPs对正常乳腺上皮细胞（MCF-10A）表现出极低的暗毒性，显示出良好的生物相容性和选择性治疗潜力。在三维MDA-MB-231肿瘤球体模型中，DT-BT-BIn NPs能有效渗透至球体核心，并在激光照射下引起球体显著瓦解，抑制其生长。

细胞死亡机制探究

DT-BT-BIn NPs在激光照射下能有效诱导MDA-MB-231细胞内ROS的过量积累。过量的ROS破坏了线粒体膜电位（ΔΨ_m），导致线粒体去极化（JC-1单体比例在照射24小时后增至98.0%）和结构碎片化。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）图像进一步证实了线粒体网络的断裂。 Annexin V FITC/PI双染实验表明，经DT-BT-BIn NPs和激光联合处理的细胞，其凋亡/坏死比例高达99.48%。这些结果共同表明，DT-BT-BIn NPs通过光照触发的ROS爆发，导致线粒体功能严重受损，最终通过细胞凋亡途径诱导癌细胞死亡。

体内肿瘤积累与光疗效果

在携带MDA-MB-231异种移植瘤的裸鼠模型中，利用DT-BT-BIn NPs的NIR-II荧光发射特性进行无创成像，追踪其体内分布。结果表明，NPs在静脉注射后3小时即可在肿瘤部位清晰可见，并于48小时达到荧光强度峰值，显示出持续的肿瘤靶向积累能力。基于此，在注射48小时后对肿瘤部位进行808 nm激光照射，该区域温度可迅速升高至55°C以上，实现有效的热消融。动物实验显示，DT-BT-BIn NPs联合激光照射能完全抑制肿瘤生长，至治疗第21天时，肿瘤体积变得不可检测。组织病理学分析（H&E染色）显示治疗组肿瘤细胞密度显著降低，TUNEL染色显示细胞凋亡信号最强，而Ki67免疫组化染色显示细胞增殖被最大程度抑制，充分证明了其卓越的体内抗肿瘤功效。

生物安全性评估

在整个21天的治疗期间，各组小鼠体重保持稳定，未出现明显的全身毒性。主要器官（心、肝、脾、肺、肾）的H&E染色切片未显示治疗引起的病理学异常。DT-BT-BIn NPs的溶血率低于5%，符合国际“无溶血”生物材料标准。血液生化分析显示，治疗组小鼠的总蛋白（TP）、丙氨酸氨基转移酶（ALT）、天冬氨酸氨基转移酶（AST）和血尿素氮（BUN）水平与对照组相比无显著升高，表明其肝肾功能未受影响，具有良好的生物安全性。

结论

综上所述，通过理性的双受体工程策略成功开发的NIR-II离子型AIE探针DT-BT-BIn，集成了聚集诱导NIR-II荧光发射、高效I/II型光动力活性、卓越的光热转换能力和优异的光稳定性等优势。其自组装纳米探针能够在光照下有效破坏线粒体功能，诱导癌细胞凋亡，并在体内实现NIR-II荧光/光热成像引导的精准肿瘤消融，同时保持良好的生物安全性。这项工作为构建高性能NIR-II离子型光诊疗剂提供了新策略，为临床精准癌症光疗开辟了新途径。