《Materials Today Bio》：Rare-Earth Cerium-Coordinated ICG Nanoprobe for Tumor Hypoxia Relief and Intensified Photodynamic Therapy
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光动力疗法（PDT）在临床上面临着有机光敏剂易聚集、不稳定、单线态氧（1O2）产率低，以及肿瘤微环境（TME）中缺氧和谷胱甘肽（GSH）抗氧化防御的双重挑战。本研究通过一种创新的CTAB模板化金属配位策略，开发了一种无载体的稀土铈（Ce4+）配位ICG纳米粒子（CINPs）。该纳米平台不仅能通过增强系间窜越（ISC）显著提升ROS生成能力，还具备催化分解内源性H2O2供氧和氧化消耗GSH的双重催化活性，有效缓解肿瘤缺氧并削弱其抗氧化防御。在肝细胞癌模型中，CINPs展现出优异的肿瘤靶向性、强大的肿瘤抑制效果和良好的生物安全性，为改善PDT疗效提供了一种简单高效的新策略。
癌症一直是威胁人类健康的主要杀手，传统的治疗手段如手术、放疗和化疗虽有一定效果，但往往伴随着较大的副作用或耐药性问题。光动力疗法（PDT）作为一种微创、高选择性的治疗方式，通过特定波长的光激活光敏剂，在肿瘤部位产生活性氧（ROS）来杀伤癌细胞，展现出了巨大的潜力。其中，吲哚菁绿（ICG）作为首个获得FDA批准用于临床的近红外荧光染料，因其良好的生物相容性和临床可行性，被视为理想的光敏剂候选者。
然而，美好的前景下也隐藏着现实的“绊脚石”。ICG等有机光敏剂本身存在“先天不足”：在水溶液中容易聚集、稳定性差，而且在近红外光照射下容易发生光降解，难以稳定地产生足够的ROS。更棘手的是，光动力治疗的战场——肿瘤微环境（TME）本身就是一个“恶劣的生存环境”。肿瘤内部普遍缺氧，而PDT过程本身又极度依赖氧气来产生ROS，这形成了一个“死循环”。此外，肿瘤细胞还拥有一个强大的“保安系统”——高浓度的还原型谷胱甘肽（GSH），它能像“清道夫”一样迅速清除ROS，大大削弱PDT的治疗效果。如何突破这些瓶颈，让光动力疗法“火力全开”，成为了研究者们亟待解决的难题。
为了攻克这些难题，来自福建农林大学生命科学学院的研究团队在《Materials Today Bio》上发表了一项创新研究。他们不再走传统纳米载体装载ICG的复杂路线，而是巧妙地利用了一种简单快速的模板法，将稀土铈离子（Ce4+）与ICG通过配位自组装，构建了一种无载体的Ce4+-ICG配位纳米粒子（CINPs）。这个设计可谓“一石三鸟”：首先，Ce4+与ICG的配位作用显著增强了ICG的稳定性；其次，Ce4+的重原子效应优化了ICG的能级匹配，促进了其从单重激发态（S1）向三重态（T1）的系间窜越（ISC）过程，从而大幅提升了ROS的生成能力；最后，也是最具巧思的一点，Ce4+本身就具备双重催化活性：它既能像过氧化氢酶（CAT）一样，催化分解肿瘤内部过度表达的过氧化氢（H2O2）产生氧气，缓解缺氧；又能像谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）一样，氧化消耗GSH，削弱肿瘤的抗氧化防御。这样一来，CINPs不仅能“开源”（供氧），还能“节流”（减少ROS消耗），为PDT创造了一个极为有利的“作战环境”。
为了验证CINPs的效果，研究人员开展了一系列体外和体内实验。在体外，他们证实了CINPs能有效催化H2O2产生氧气，并能快速消耗GSH。更重要的是，在808纳米激光照射下，CINPs产生的单线态氧（1O2）量子产率高达约65%，远高于游离的ICG（约18%）。在细胞实验中，CINPs被肝癌细胞（Hepa1-6）高效摄取，并在激光照射下引发了强烈的ROS爆发。这些ROS如同“多管齐下”的攻击，导致了细胞线粒体功能障碍、脂质过氧化（LPO）以及DNA双链断裂，最终通过多种细胞死亡途径（包括凋亡和铁死亡）高效杀死了肿瘤细胞。
在肝细胞癌小鼠模型中，CINPs同样表现卓越。得益于增强的渗透和滞留（EPR）效应，CINPs在肿瘤部位实现了高效富集。经过治疗，接受“CINPs + 激光”处理的小鼠肿瘤生长得到了最显著的抑制，其肿瘤组织中出现了广泛的细胞损伤、高水平的细胞凋亡，同时缺氧诱导因子-1α（HIF-1α）的表达显著降低，证实了其缓解缺氧的能力。在整个治疗期间，小鼠体重稳定，主要器官未发现明显病理损伤，血液学和血清生化指标也均正常，证明了CINPs具有良好的生物安全性。
本研究主要采用了以下关键技术方法：首先，通过CTAB模板辅助的金属配位自组装法快速（30分钟内）合成CINPs纳米粒子，并利用透射电子显微镜（TEM）、动态光散射（DLS）、X射线光电子能谱（XPS）等手段对其进行表征。其次，利用溶解氧电极监测和DTNB比色法，分别在体外评估了CINPs的催化产氧能力和GSH消耗能力。再次，采用ABDA探针降解实验、电子顺磁共振（ESR）光谱和飞秒瞬态吸收（TA）光谱，系统评价了CINPs的光动力性能（如1O2生成、ISC效率）。最后，研究使用了Hepa1-6肝癌细胞系构建体外模型，并利用C57BL/6小鼠构建了皮下荷瘤的体内模型，通过共聚焦显微镜（CLSM）、流式细胞术、MTT法、Annexin V/PI染色以及多种荧光探针（如DCFH-DA、JC-1、[Ru(dpp)3]Cl2）进行了细胞摄取、细胞内氧含量、细胞毒性、凋亡及各种细胞损伤机制的评估。体内实验则通过小动物活体荧光成像监测肿瘤靶向，并通过测量肿瘤体积、重量以及组织切片H&E、TUNEL、Ki-67等染色来评价抗肿瘤效果和生物安全性。
研究结果
3.1. CINPs的制备与表征
研究人员通过CTAB模板辅助的金属配位策略成功制备了CINPs。表征结果显示，CINPs呈均匀球形，平均直径约50纳米，分散稳定性好。XPS等分析证实了Ce4+与ICG磺酸基团之间的配位作用。与游离ICG或简单的Ce4+/ICG复合物相比，CINPs在多种生理介质中表现出优异的胶体稳定性。
3.2. 体外产氧能力
实验表明，CINPs能够有效催化分解H2O2产生氧气，其催化效率显著高于对照组，能够在模拟的肿瘤微环境中快速提升溶解氧浓度。
3.3. 体外GSH消耗能力
通过DTNB法检测证实，CINPs具有谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）样活性，能够随时间推移有效催化氧化GSH，降低其浓度，从而削弱细胞的抗氧化防御能力。
3.4. 体外光动力能力
使用ABDA探针和ESR光谱评估发现，在808纳米激光照射下，CINPs的1O2生成能力远超ICG和Ce4+/ICG复合物，量子产率显著提高。瞬态吸收光谱和密度泛函理论（DFT）计算进一步揭示，Ce4+的引入优化了ICG的能隙（ΔEST）并增强了自旋轨道耦合（SOC），从而促进了ISC过程。
3.5. 体外细胞摄取
共聚焦显微镜和流式细胞术结果显示，CINPs能被Hepa1-6细胞高效内化，其摄取效率优于Ce4+/ICG复合物。
3.6. 细胞内氧气生成
使用氧敏感荧光探针[Ru(dpp)3]Cl2进行检测，发现CINPs处理能显著降低缺氧细胞内的荧光信号，证明其能有效缓解细胞内的缺氧状态。
3.7. 体外抗癌活性
MTT实验表明CINPs本身生物相容性好，在黑暗条件下无显著细胞毒性。但在激光照射下，CINPs对Hepa1-6细胞展现出强烈的浓度依赖性杀伤作用，其效果优于单纯的ICG加激光处理。细胞凋亡实验（Annexin V/PI染色）和活死细胞染色（Calcein-AM/PI）进一步证实了其诱导细胞死亡的能力。
3.8. 体外抗癌机制
机制研究表明，CINPs在激光照射下能在细胞内产生大量ROS。这些ROS进而引发了一系列氧化损伤：包括脂质过氧化（LPO）、DNA双链断裂（通过γ-H2AX焦点形成检测）以及线粒体膜电位（ΔΨm）的崩解（通过JC-1探针检测）。这些损伤共同导致了肿瘤细胞的死亡。
3.9. 体内肿瘤蓄积
小动物活体成像显示，静脉注射后，CINPs能更有效地在Hepa1-6肿瘤部位富集并滞留，显示出优于游离ICG的肿瘤靶向性。
3.10. 体内抗癌效果
在肝细胞癌荷瘤小鼠模型中，接受“CINPs + 激光”治疗的小组肿瘤生长抑制效果最为显著。肿瘤组织的H&E染色显示严重的细胞损伤，TUNEL染色显示高凋亡率，Ki-67染色显示增殖被抑制。同时，cleaved caspase-3表达上调、Bcl-2表达下调提示线粒体凋亡通路被激活，HIF-1α表达下调证实了缺氧得到缓解。
3.11. 体内生物安全性
治疗期间，小鼠体重稳定，生存期延长。主要器官的组织病理学检查未发现明显损伤，血液学和血清生化指标均在正常范围内，表明CINPs具有良好的体内安全性。
结论与意义
本研究成功开发了一种基于CTAB模板化自组装的、无载体的铈配位ICG纳米探针（CINPs）。该工作创新性地将稀土Ce4+的双重催化功能（缓解缺氧和消耗GSH）与ICG的光动力性能通过简单的配位自组装相结合，巧妙地解决了限制ICG-PDT临床应用的多个关键瓶颈。CINPs不仅能通过增强ISC大幅提升ROS产率，还能主动改造不利的肿瘤微环境，为PDT创造最佳作用条件。
其重要意义在于：第一，提供了一种高效、简易的纳米平台构建新策略，仅使用少量临床已证实的材料，在30分钟内即可快速制备，具有显著的转化潜力。第二，实现了对肿瘤微环境的主动调控（“开源节流”），突破了传统PDT对氧气的高度依赖及其疗效受限于抗氧化系统的困境。第三，在肝细胞癌模型中展现了卓越的抗肿瘤效果和良好的生物安全性，为癌症的协同治疗提供了新思路。该研究不仅为改善基于ICG的光动力治疗效能提供了切实可行的方案，也为设计多功能、协同抗肿瘤纳米药物开辟了新的路径。未来，进一步探索CINPs的免疫调节效应，将有望实现直接杀伤与免疫调控的协同，为其临床转化提供更全面的理论支持。
