近红外正交激发镧系元素诊疗纳米平台：用于基于NIR-II-L成像的光动力疗法，通过协同诱导热致死亡（pyroptosis）和细胞凋亡（apoptosis）途径实现治疗

《Biomaterials》：Near-Infrared Orthogonal Excitation Lanthanide Theranostic Nanoplatform for NIR-II-L Imaging-guided Photodynamic Therapy via Synergistical Pyroptosis and Apoptosis Pathway

近红外正交激发稀土诊疗纳米平台通过双波长激发同步诱导细胞膜炎症小体pyroptosis和溶酶体凋亡，实现体内实时成像与快速肿瘤治疗（15分钟）。

　　

Jialing Zhou|Jiang Ming|Zhenfeng Yu|Zhihua Wang|Wenlin Li|Ahmed Mohamed El-Toni|Aliyah Almomen|Aibin Liang|Yong Fan|Fan Zhang

上海同济医院血液科，同济大学医学院，中国上海200065

摘要：

光动力疗法（PDT）通过在细胞膜诱导焦亡成为癌症免疫疗法的一种有前景的方法。然而，快速而精确地诱导焦亡仍然是一个重大挑战。为了解决这个问题，我们开发了一种基于掺镧纳米颗粒与姜黄素（CUR）和环（RGD-DPhe-K）肽结合的近红外正交激发纳米治疗平台（LnNP@CUR-RGD）。该平台能够实现深度组织的NIR-II-L成像引导的PDT，同时引发焦亡和凋亡。在808纳米的激发下，LnNP@CUR-RGD在1530纳米处发出的荧光可以实时追踪和监测其在细胞膜或溶酶体中的定位。随后切换到940纳米的激发时，产生的362纳米发射光激活姜黄素（CUR）生成单线态氧（¹O₂）。这一过程启动了双重死亡机制：涉及细胞膜的焦亡和涉及溶酶体的凋亡，从而协同增强抗肿瘤免疫反应。值得注意的是，这种纳米平台在系统给药后15分钟内就能实现高效的抗肿瘤治疗，这比传统基于凋亡的PDT所需的6小时显著加快。这项工作展示了近红外光触发、靶向治疗平台在精确成像引导的癌症治疗中的巨大潜力。

引言

光动力疗法（PDT）因其最小的副作用而被越来越多地认为是癌症治疗的宝贵工具[1]，[2]。在PDT中，光敏剂（PSs）被光激活以生成活性氧（ROS），从而诱导肿瘤细胞死亡[3]，[4]。传统的PDT通常通过破坏溶酶体来触发免疫沉默的凋亡[5]。相比之下，焦亡作为一种溶细胞性和炎症性的程序性细胞死亡形式出现[6]，其特征是质膜孔洞形成、细胞肿胀以及促炎细胞内容的释放[20]，[21]。这一过程可以随后引发强烈的免疫反应，通过招募免疫细胞进一步增强抗肿瘤效果。PDT的一个重大挑战是ROS的寿命短（0.03–0.18微秒）和扩散距离有限（<20纳米），它们常常在到达目标之前就被消耗掉。一种有前景的策略是针对特定的细胞器进行靶向，如线粒体[9]、细胞核[10]、内质网[11]、[12]或溶酶体[13]，[14]，从而最小化ROS生成与作用部位之间的距离[8]。最近，细胞膜本身被确定为PDT的一个新颖且有前景的目标[19]。这种方法有几个优势：首先，它绕过了通过内吞作用使PS内化的需要，简化了过程并提高了ROS的效力[18]；其次，细胞膜的大表面积有助于减少脱靶效应[16]；第三，肿瘤细胞膜与正常细胞膜之间的固有差异（例如，在电位和受体表达方面）有助于选择性地破坏肿瘤细胞[17]。在膜上原位生成ROS会破坏其流动性和完整性，增加通透性[22]。这种损伤可以激活GSDM蛋白家族，这些蛋白聚合成大孔洞。这些孔洞作为炎症细胞因子和损伤相关分子模式（DAMPs）的释放通道[23]，最终触发强烈的免疫反应。

传统PDT的一个显著限制是它依赖于紫外线或可见光（400–700纳米）来激活PSs。这些波长的浅组织穿透深度限制了其对深部肿瘤的治疗效果。相比之下，近红外（NIR）光（700–1000纳米）由于其较低的组织散射和吸收系数而具有更好的组织穿透能力。因此，一种有前景的策略是将这种低能量的NIR光转换为高能量的紫外线或可见光子来激活PSs。此外，为了确定诱导焦亡的最佳治疗窗口并最小化脱靶效应，能够在原位追踪PSs的能力至关重要。基于镧的纳米颗粒（LnNPs）满足了这两个需求：它们不仅可以将NIR光转换为紫外线/可见光发射来激活结合的PSs，还可以在第二近红外窗口（NIR-II-L，1500–1900纳米）的长波长区域发射光，从而实现高质量的生物成像[29]，[30]。尽管有这种潜力，但在活体癌细胞中应用LnNPs来诱导和可视化焦亡仍然是一个未解决的挑战。

在这里，我们报告了一种基于核壳结构掺镧纳米颗粒（NaYF₄:Yb,Tm@NaYF₄@NaErF₄@NaYF₄）的近红外正交激发纳米治疗平台，该颗粒经过姜黄素（CUR）和环（RGD-DPhe-K）RGD肽（LnNP@CUR-RGD）的功能化（图1a）。该平台能够通过NIR-II-L成像引导的PDT快速、高效、精确地诱导焦亡和凋亡在体内。在图1b中，在808纳米的激发下，Er³⁺在1530纳米处发出的NIR-II-L光允许实时追踪LnNP@CUR-RGD，并确认其定位在细胞膜和溶酶体上。共定位实验显示，在孵育5分钟内LnNP@CUR-RGD在细胞膜上积累。随后切换到940纳米的激发时，Tm³⁺产生高能量的362纳米发射光，激活姜黄素（CUR）生成单线态氧（¹O₂）。这一过程启动了涉及PDT诱导的焦亡和凋亡的双重细胞死亡途径，协同增强了肿瘤细胞的杀伤效果并激活了强烈的免疫反应。由于这种精确的时空控制，我们的新型平台在系统给药后15分钟内实现了高效的抗肿瘤治疗——比传统基于凋亡的PDT所需的6小时快得多。这项工作为近红外光触发的靶向治疗平台在成像引导的癌症治疗中树立了一个有前景的范例。

LnNP@CUR-RGD的制备和表征

最初通过溶剂热方法合成了β-NaYF₄:49.5%Yb,0.5%Tm核心，得到了直径为15±3纳米的球形颗粒，通过TEM图像得到了证实（图2a和S1）。随后，通过顺序外延生长沉积了三个同心壳层：内部惰性的NaYF₄壳层、NIR-II-L发射的NaErF₄壳层和外部惰性的NaYF₄壳层[42]，[43]，[44]。高分辨率TEM（HRTEM）显示晶格条纹间距为0.34纳米（图2a插图）

结论

总之，我们开发了一种基于LnNP的多功能纳米平台（LnNP@CUR-RGD），它能够通过NIR-II-L成像引导的PDT实现焦亡和凋亡的连续控制。LnNP@CUR-RGD平台表现出低生物毒性。通过精确控制纳米平台与肿瘤细胞之间的相互作用时间，可以实现特定的细胞膜定位并进展到溶酶体积累。

CRediT作者贡献声明

Aibin Liang：写作 – 审稿与编辑，监督。Aliyah Almomen：形式分析。Fan Zhang：写作 – 审稿与编辑，监督，概念化。Yong Fan：写作 – 审稿与编辑，监督，概念化。Ahmed Mohamed El-Toni：监督，形式分析。Zhenfeng Yu：形式分析。Jiang Ming：写作 – 初稿，数据管理。Wenlin Li：写作 – 审稿与编辑。Zhihua Wang：数据管理，监督，写作 – 审稿与编辑。Jialing Zhou：写作 –

未引用的参考文献

[7], [15], [24], [25], [26], [27], [28], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41].

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

J.Z.和J.M.对本研究做出了同等贡献。我们的工作得到了国家关键研发计划（授权号：2023YFB3507100）、国家自然科学基金（授权号：22088101, 22222403, 22405056, 22161160320, 32171377）、上海市科学技术委员会的研究计划（授权号：21142201000, 22JC1400400）以及上海市教育委员会的创新计划（2023ZKZD08）和中国博士后的支持