工程化的萘酰亚胺-克罗康酸酯染料：用于近红外光声成像及多模式化学动力学/光热治疗的溶酶体靶向治疗剂

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Engineering naphthalimide-croconaine dyes: lysosome-targeted theranostics for near-infrared photoacoustic imaging and multimodal chemodynamic/photothermal therapy

光热-化学生物治疗协同增强的溶酶体靶向纳米粒通过染料整合策略合成，Fe2+在酸性肿瘤微环境可控释放，激活Fenton反应产生羟基自由基，同时880nm近红外光诱导光热治疗和光声成像监测，显著抑制4T1肿瘤生长。

　　

熊志晓|吴玉欣|邱珊妮|徐玉芳|朱卫平|钱旭红

生物反应器工程国家重点实验室，上海化学生物学重点实验室，华东理工大学药学院，上海200237，中国

摘要

目前的癌症治疗方法受到肿瘤特异性不足和治疗剂时空控制能力差的限制。这些限制阻碍了多模式治疗方法的协同整合，降低了治疗效果，同时增加了全身毒性。本文通过染料整合策略合成了萘酰亚胺-克罗康酸衍生物Cro860和靶向溶酶体的Lyso860，它们通过吲哚环的N原子和克罗康酸分子的C-O基团形成稳定的Fe²⁺螯合物。为了提高生物相容性，我们使用脂质体组装了LysoFNPs纳米颗粒。在酸性溶酶体微环境（pH 4.5-5.5）下，这些纳米颗粒表现出增强的近红外（NIR）吸收能力，提高了光声成像和光热转换效率，并实现了可控的Fe²⁺释放。在4T1肿瘤模型中，LysoFNPs在880纳米NIR照射下表现出肿瘤积聚，并激活了光热疗法（PTT）和Fe²⁺介导的化学动力学疗法（CDT）。体内研究通过光声成像证实了肿瘤监测，并显示出73.66%的肿瘤生长抑制效果，凸显了它们作为多模式治疗剂的潜力。

引言

化学动力学疗法（CDT）作为一种新兴的肿瘤微环境响应性治疗策略，通过芬顿反应或类似芬顿的反应利用内源性过氧化氢（H₂O₂）产生高细胞毒性的羟基自由基（·OH）[1], [2], [3], [4], [5]。在酸性条件下（pH 3.0-4.0），H₂O₂被亚铁离子（Fe²⁺直接激活，引发一系列氧化还原反应[6]。然而，CDT面临双重挑战[7], [8]：首先，外源性的Fe²⁺在生理条件下（pH 7.4）迅速氧化为Fe³⁺，大大降低了催化活性；其次，微酸性的肿瘤微环境（TME，pH 6.0-7.0）限制了芬顿反应的效率，从而影响了治疗效果[9], [10]。这些限制凸显了需要智能递送系统来保护和运输Fe²⁺到酸性肿瘤区域，同时防止其过早氧化[11], [12], [13], [14], [15], [16]。

近红外（NIR，700-1700纳米）光热疗法（PTT）因其深层组织穿透能力、精确的时空控制和高效的热消融效果而成为癌症治疗的潜在工具[17], [18]。然而，PTT过程中热休克蛋白（HSPs）的上调激活了肿瘤细胞的自我保护机制，显著降低了热损伤效果和下游治疗反应[19], [20]。研究表明，通过芬顿反应产生的·OH可以破坏HSPs，从而使癌细胞对热诱导的凋亡更加敏感[21], [22], [23], [24], [25]。值得注意的是，NIR激光照射不仅能够诱导局部高温以加速芬顿反应动力学，还能实现·OH的精确时空生成，从而实现CDT和PTT的协同放大[26], [27], [28], [29]。尽管已经探索了用于Fe²⁺递送的纳米颗粒[11], [13], [30], [31], [32], [33]，但它们的临床应用面临重大挑战：依赖于808纳米激光，其组织穿透能力有限，且缺乏如靶向溶酶体等特异性修饰基团。这种多功能治疗策略通过功能互补，克服了单一疗法的效率限制，显著提高了肿瘤清除率[34], [35], [36], [37]。

萘酰亚胺染料具有良好的光稳定性和易于化学修饰的特性，但其吸收范围主要局限于可见光谱[38]。作为经典的花青素基染料[39], [40]，克罗康酸在癌症治疗中具有独特优势[20], [41]，包括长波长吸收[42], [43]、PA成像[44], [45]和光热疗法[46], [47], [48], [49], [50]，但其化学修饰位点有限。染料整合策略结合了不同的染料核心，保留了原有优势并拓宽了应用范围[51]。我们之前设计了具有NIR吸收、化学修饰性和光敏性的集成萘酰亚胺-花青素/半花青素染料[34], [52]。这种性质组合提高了它们在诊断和治疗应用中的实用性，尤其是在癌症领域。该整合策略实现了关键的功能化，例如引入吗啉单元以实现特定的溶酶体靶向[53], [54], [55]，从而在酸性肿瘤环境中实现Fe²⁺的特异性释放（pH 4.5-5.5）。此外，丰富的分子内螯合基团（氮和氧原子）确保了Fe²⁺的稳定配位，防止了离子泄漏引起的全身毒性[13], [15], [16], [48], [56]。

本文通过整合策略设计合成了两种萘酰亚胺-克罗康酸衍生物（Cro860和Lyso860），分别用正丁基和吗啉基团进行功能化（图1）。Lyso860中的吗啉修饰使其具有特定的溶酶体靶向能力。克罗康酸分子可以通过其内在的螯合基团与Fe²⁺形成稳定复合物。为了提高生物相容性和胶体稳定性，克罗康酸-Fe²⁺复合物被封装在DSPE-PEG2000中，形成了CroFNPs和LysoFNPs纳米颗粒。在酸性条件（pH 4.5-5.5）和激光照射下，这些纳米颗粒表现出可控的Fe²⁺释放，增强了NIR吸收、光声强度和光热性能。在4T1细胞中，吗啉介导的靶向机制使它们优先积聚在溶酶体中。体内实验表明，LysoFNPs不仅通过PA成像实现了肿瘤监测，还通过激活PTT和CDT显著抑制了肿瘤生长。这项工作通过合理的染料整合策略开发了针对细胞器的纳米治疗剂，解决了联合癌症治疗中的关键问题。

实验程序

所有实验程序的详细信息，包括试剂、仪器、合成步骤、表征和检测方法均见于支持信息中。

结果与讨论

萘酰亚胺-克罗康酸衍生物Cro860和Lyso860按照合成路线（图S1-S2）合成。最终产品通过核磁共振（NMR ¹H和¹³C）光谱和高分辨率质谱（HRMS）（图S3-S7）进行了结构表征。Cro860和Lyso860在860纳米处表现出最大吸收，表明它们在880纳米激光照射下具有潜在的体内治疗应用前景（图S8）。光稳定性

结论

本研究通过染料整合策略设计合成了萘酰亚胺-克罗康酸衍生物Cro860和靶向溶酶体的Lyso860。两者通过与Fe²⁺的螯合反应形成稳定复合物，螯合位点位于吲哚环的N原子和克罗康酸分子的C-O基团。在酸性条件（pH 4.5-5.5）下，这些纳米颗粒表现出增强的NIR吸收，协同提高了光声成像灵敏度和光热转换效率，同时实现了可控的Fe²⁺

CRediT作者贡献声明

吴玉欣：可视化、验证。熊志晓：撰写初稿、验证、研究、数据分析、概念化。邱珊妮：可视化、验证。朱卫平：撰写、审稿与编辑、监督、资金获取。徐玉芳：监督、资金获取。钱旭红：监督、资金获取。

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的研究结果。

致谢

我们感谢国家自然科学基金（编号21878088, 21476077）和上海市科学技术委员会重点项目（编号18DZ1112703）的财政支持。

熊志晓是华东理工大学药学院的博士候选人。