基于壳聚糖的多模态近红外纳米探针的构建，用于肿瘤光热诊疗一体化

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Construction of Chitosan-Based Multimodal Near-Infrared Nanoprobes for Integrated Tumor Phototheranostics

　　

赵波|刘军|张成华|程新建

武汉理工大学化学与环境工程学院，中国武汉，430073

摘要

集成诊断荧光探针在精准医学科学中受到了广泛关注，实现高光转换效率的光动力（PDT）和光热疗法（PTT）的协同作用仍然是一个关键挑战。在此，我们通过Wittig反应将硼二吡咯甲烯（BODIPY）衍生物与壳聚糖结合，合成了三种基于壳聚糖的近红外（NIR）纳米探针。所有制备的探针在660纳米激光激发下均显示出NIR吸收和荧光特性，非常适合深部组织应用。它们在体内NIR肿瘤成像方面具有潜力。在660纳米照射下（0.4瓦/平方厘米），三苯胺功能化的CS-ITPABOD和CS-TPABOD表现出比CS-OHBOD更优秀的光动力效果和光热效率。值得注意的是，CS-ITPABOD的重原子效应显著增强了系间跃迁，使其同时具有I型和II型光动力活性。此外，它在活性氧（ROS）生成能力和光热性能方面也优于CS-TPABOD。体内实验证实，CS-ITPABOD实现了NIR荧光/光热双成像引导的深部组织治疗，实现了精确的肿瘤消融和协同的光动力/光热治疗效果。本研究提出了一种基于壳聚糖的NIR诊断纳米平台，为多功能有机分子的转化研究提供了新策略。

引言

癌症仍然是全球最严峻的健康挑战之一。尽管传统的治疗模式——手术、化疗和放疗长期以来一直是肿瘤管理的主要手段，但它们的固有局限性显著影响了患者的生活质量。[1]，[2]，[3]，[4] 在这种背景下，将实时监测和精准治疗整合到一个平台上的诊断荧光探针已成为癌症研究的一个变革性前沿。[5]，[6]，[7]，[8]，[9] 这些探针具有高灵敏度、特异性、实时检测、便捷性和无创性等优点，从而克服了传统疗法的局限性。鉴于单一治疗模式的固有局限性和肿瘤的复杂性和异质性，单一模式方法很少能完全消除肿瘤，常常导致复发。[10]，[11]，[12]，[13] 相比之下，整合互补模式的多模式治疗策略在提高抗肿瘤效果方面显示出显著优势。[14]，[15]，[16]，[17] 同时，提高探针分子的光利用效率仍然是一个挑战。此外，载体材料存在一些问题，包括生物相容性差、功能整合不足和体内快速清除，这进一步限制了它们的实际应用。[18]，[19]，[20]，[21] 因此，开发一种具有合适载体的多模式诊断探针在肿瘤治疗中具有广泛的应用前景。

为了解决这些关键问题，人们开发了合理的分子设计和合成策略来提高治疗效果。例如，引入三苯胺（TPA）基团可以加强分子内的电荷转移（ICT）效应，扩大光吸收范围并增加ROS的产生，从而提高PTT和PDT的效果。[22]，[23]，[24] 在分子结构设计中引入重原子是一种常用策略。它通过单重态和三重态之间的自旋轨道耦合（SOC）过程促进激子复合，从而通过II型相互作用产生单线态氧。这可以进一步提高光敏剂的效率。[25]，[26] 对探针分子进行功能化可以实现多模式诊断，不仅增强肿瘤抑制效果，还可以实现实时图像引导的精准治疗。

壳聚糖因其独特的生物活性和物理化学性质而常被作为生物材料的理想选择。[27]，[28]，[29] 特别是壳聚糖本身的正电荷和亲水性，通过增强渗透性和保留（EPR）效应实现肿瘤富集，使其成为靶向递送的理想材料。[30]，[31]，[32] 其线性构象有助于自组装形成纳米结构。[33]，[34]，[35]，[36] 同时，壳聚糖中丰富的氨基（-NH?）和羟基（-OH）使其易于与小分子探针结合。这些特性使其成为生物纳米探针分子的理想载体。

在各种荧光基团中，硼二吡咯甲烯（BODIPY）衍生物被广泛用作NIR诊断探针的理想骨架。[37]，[38]，[39]，[40] 它们出色的光稳定性、较高的量子产率和可调节的光学特性使得成像时间更长，能够有效穿透深部组织。然而，BODIPY通常具有疏水性，容易聚集导致荧光减弱。[41] BODIPY已被广泛研究用于抗癌肿瘤的光动力疗法。[42]，[43]，[44] 但是，核心没有重原子的BODIPY生成单线态氧的效率较低，导致抗肿瘤效果不佳。[45]，[46]，[47] 引入重原子可以将BODIPY转化为高效的光敏剂。[48]，[49]，[50] 通过调整其分子结构和聚集状态，可以调节BODIPY的PTT效果。BODIPY衍生物还可以通过扭曲的π共轭结构诱导系间跃迁（ISC），从而高效产生三线态热。例如，修饰有三苯胺的BODIPY衍生物表现出良好的PTT效果。[51]，[52]，[53]

基于这些优势，我们本文报告了通过Wittig反应设计和合成了三种基于壳聚糖的NIR纳米探针（CS-OHBOD、CS-TPABOD和CS-ITPABOD）（方案1）。BODIPY衍生物被不同基团功能化：CS-OHBOD含有羟基（-OH）（对照），CS-TPABOD含有TPA基团（以增强ICT），CS-ITPABOD同时含有TPA和碘原子（以促进ISC）。这三种探针在NIR区域都有吸收，并在660纳米激光激发下发出强烈的荧光。在660纳米照射下（0.4瓦/平方厘米），CS-OHBOD没有产生ROS。CS-TPABOD通过I型机制产生O??，而CS-ITPABOD通过I型和II型途径（O??和1O?生成）表现出增强的光动力活性。值得注意的是，在持续10分钟的照射下，CS-ITPABOD的光热转换效率也优于CS-OHBOD和CS-TPABOD，温度升高到了约55摄氏度。结合了两种模式的光动力活性和高效的光热转换功能，使得CS-ITPABOD在肿瘤诊断应用中特别有前景。使用4T1乳腺癌小鼠模型的体内实验证实，CS-ITPABOD在肿瘤中有效积累，并在60小时内保持稳定。NIR荧光/光热双成像实现了肿瘤位置和大小的实时可视化，指导了精准的光动力/光热治疗：660纳米激光（0.4瓦/平方厘米，15分钟）诱导了光热消融（肿瘤温度达到52摄氏度）和PDT介导的细胞凋亡。联合治疗在治疗后14天达到了90%的显著肿瘤抑制率，而组织学分析显示主要器官（肝脏、肾脏、心脏）没有受到明显损伤，证明了壳聚糖载体的生物相容性。通过合理的分子设计（TPA/重原子以增强效果）与天然的生物相容性载体（壳聚糖进行靶向递送）相结合，我们不仅实现了由实时成像引导的协同光动力/光热治疗，还为多功能有机治疗剂的临床转化提供了新的见解。这些结果突显了该平台改善癌症治疗效果的潜力，并为个性化治疗奠定了基础。

部分摘录

基本信息

壳聚糖（CS）的脱乙酰度为95%，购自上海Macklin生化技术有限公司。CS的固有粘度（Mη）是用Ubbelodhe粘度计测量的。所有使用的化学试剂均购自上海Macklin生化技术有限公司，无需进一步处理即可使用。¹H NMR和¹³C NMR光谱是在Bruker Avance III 400兆赫兹光谱仪上使用氘代溶剂获得的。质量谱是使用Agilent Q-TOF获得的。

多模式NIR纳米探针的设计与合成

通过用不同的电子供体基团修饰BODIPY母体分子，设计并合成了三种基于壳聚糖的NIR纳米探针。首先合成了基于BODIPY的小分子探针，然后通过Wittig反应将它们与壳聚糖连接，得到了纳米探针（CS-OHBOD、CS-TPABOD、CS-ITPABOD）。制备路线如图S1所示。小分子探针及其中间体的化学结构通过1H NMR、13C NMR等手段得到了确认。

结论

通过以硼二吡咯甲烯（BODIPY）为核心荧光团，并通过多种功能基团进行系统修饰，合理设计并构建了一系列小分子NIR荧光探针。作为生物相容的纳米载体，制备了三种基于壳聚糖的NIR荧光探针（CS-OHBOD、CS-TPABOD和CS-ITPABOD）。体外实验表明，通过增强分子内电荷转移和重原子效应

CRediT作者贡献声明

赵波：撰写——原始草稿，研究。程新建：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。张成华：方法学，数据管理。刘军：形式分析，概念化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（编号41573106）和湖北省自然科学基金创新研究组项目（2025AFA049）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明没有竞争性财务利益。

机构审查委员会声明

所有动物实验均获得了北川医学院IACUC #[2021] 36的批准。