面向光热与光动力疗法的胶束化策略：聚焦于三碳菁染料

《JOURNAL OF PHOTOCHEMISTRY AND PHOTOBIOLOGY C-PHOTOCHEMISTRY REVIEWS》：MICELLIZATION STRATEGIES FOR PHOTOTHERMAL AND PHOTODYNAMIC THERAPY WITH A FOCUS ON TRICARBOCYANINES

　　

## 三碳青素在近红外光热和光动力治疗中的应用
## 光药物在胶束中的包封
## 聚合物胶束增强的光治疗效率
## 光治疗临床转化的挑战与前景

### 引言

纳米医学如今已成为一个成熟的研究领域，对开发改进型纳米结构材料和治疗方式的需求持续增长。然而，仅有少数基于纳米技术的产物得以进入临床应用，因为相较于现有市场替代品，它们的益处未能明显超越其风险或局限性。从光化学角度来看，利用光诱导精确响应，使得众多适用于生物医学应用的纳米材料得以发展。光可用于成像、追踪或通过选择性激活、解笼或光开关光药物（PD），以实现高时空精度的分子响应触发。在本研究的语境下，PD是一种能够作为光敏剂（PS）和/或光热转化剂发挥功能的分子。集成光响应成分的纳米材料增强了基于先进光治疗的纳米医学的分子和技术"工具箱"。

光作为药效成分的 successfully 使用与波长及其穿透生物组织的能力之间的关系密切相关（图1，左图）。用于组织穿透治疗目的的光学窗口跨越近红外区域，范围为700至1870纳米；在此区间内，光散射和水、脂质及血红蛋白/脱氧血红蛋白的吸收降至最低，从而减少了细胞损伤。所谓的第一治疗区或NIR-I处于700-1000纳米范围内，在成像、光治疗和术中操作中被研究得最为广泛，而第二（NIR-II 1110-1350纳米）和第三（NIR-III 1600-1870纳米）近红外窗口，也被统称为短波红外（SWIR），提供了更高的组织穿透力和更低的光散射，因此主要用于组织和器官成像[1]。

基于光的疗法通过激活NIR光敏剂触发细胞死亡，如PDT和PTT，极具吸引力，因为它们是无创性治疗，具有高选择性和较低的系统毒性。如图1（右图）所示，PDT依赖于三种各自无毒的成分的同时相互作用：吸收特定波长光的光敏剂（PS）和分子氧（3O?）。在光吸收后，PS从基态（S?）跃迁至激发单重态（S?）。激发后，它可以通过发射荧光返回基态（对成像非常有用），或通过系间窜越（ISC）进入更稳定的三重态（T?），其中通过两种主要途径产生毒性：

- **I型**：PS将电子或质子转移至生物底物，形成自由基，与氧反应产生活性氧物种（ROS），如超氧阴离子（O??）和羟基自由基[2]。
- **II型**：能量直接转移至分子氧（3O?），生成单线态氧（1O?），这是一种高细胞毒性和短寿命的物种，会对细胞器造成氧化损伤，导致凋亡、坏死或自噬，同时伴随血管损伤和免疫刺激[3]。

另一方面，光热疗法（PTT）利用分子或纳米粒子通过非辐射衰减将吸收的光能（通常为近红外，NIR）转化为热能，从而诱导生物对温度变化的响应。此外，轻微的温度升高可能导致热疗（41–48°C），引起细胞应激和蛋白质变性，或热消融（>48°C），触发坏死和不可逆的组织破坏。与PDT不同，PTT不依赖于氧，使其在低氧环境中有效，这对肿瘤治疗是一个极具吸引力的特点。

光治疗由于其若干关键优势，在提高医疗治疗效果方面具有巨大潜力：

1. **高选择性和降低毒性**：PD的管理可设计为优先在肿瘤中积累（通常通过增强渗透和滞留效应，EPR，或特异性靶向抗体/分子/受体），毒性通过局部照射精确控制，最大限度减少健康组织损伤，同时避免与化疗相关的严重系统性副作用。此外，光治疗不会在重复治疗后引发累积毒性或耐药性，而靶向敏感细胞器如线粒体的ROS和热量，已被证明是提高治疗效果的有效策略[4]。

2. **协同组合**：PDT和PTT产生强大的协同效应，因为PTT诱导的热量可增加肿瘤内血流和氧合，缓解限制PDT的低氧问题。相反，PDT可使细胞对热损伤更敏感[5]。

3. **治疗与诊断的整合（诊疗一体化）**：许多PD在近红外窗口是高效荧光发射体，或可用于光声成像（PAI），允许非电离成像引导治疗；这可在实时监测PD积累和肿瘤边缘的同时递送治疗。

广泛用作NIR-PD的常见有机分子源自图2所示的亲缘化学结构。

自第一种PD药物Photofrin?（一种卟啉）于1995年获美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于肿瘤治疗以来，化学家开发了各种分子，重点改进选择性和有效性。为提供本综述的背景，表1简要概述了关键的NIR PDT和PTT光药物。

SWIR窗口（NIR-II和NIR-III）面临两个重要的实际应用限制：高成本硬件（光源、光电探测器）和荧光团限制。当前NIR-II荧光团作为NIR-I结构的化学衍生物而发展，如荧光素、方酸、BODIPY或氰化染料等[13],[14]，遵循结构设计方案，如共轭体系的延伸和供体-π-受体长度的扩展。然而，这也引入了关于复杂合成程序的重要缺点。与NIR-I探针一样，NIR-II荧光团在水介质中的溶解度限制、低荧光和光漂白等问题，可通过将其包封或转化为纳米材料来缓解[15],[16]。在此背景下，作为NIR-PD使用的高级无机材料（如量子点、碳点、碳纳米管和稀土掺杂纳米粒子）超越了有机小分子荧光团，提供更好的光物理性能：更高的光热稳定性、更明亮的发射和更强的ROS生成，但由于长期毒性、缺乏生物降解性和较差的系统清除能力而受到强烈限制[17]。

根据已发表的研究和商业产品的进展及监管批准，三碳青素涌现为最具前景的NIR-PD之一。它们的强大潜力源于除独特的光化学性质外，还提供了多种优势，如靶向能力、化学多样性和广泛的多模态选项。

为了术语清晰，"三碳青素"和"七甲烯氰化染料"在文献中互换使用。两者均指由两个杂环通过七碳多甲烯链连接的脂溶性多甲烯氰化染料。为保持一致，本综述全文使用"三碳青素"这一术语。

多甲烯氰化染料向三碳青素的NIR偏移出现在20世纪末，当时化学家将共轭桥延伸至七个碳，以将吸收和发射波长推向红光，成为目前唯一获FDA批准的三碳青素是吲哚菁绿（ICG）。在2000-2010年代，通过在多甲烯链中引入刚性环状取代基，其特征是在中心间位具有一个氯原子，从而允许进一步与另一实体进行共轭控制，三碳青素的应用领域从成像迅速扩展到诊疗一体化。环状核心防止了旋转弛豫，从而增加了结构刚性，减少了非辐射衰减，提高了荧光量子产率，并改善了光稳定性[18]。

将三碳青素整合到纳米材料中已被证明是一种卓越策略，以超越染料化学性质所施加的严重限制：改善溶解性、生物相容性和光稳定性，延长血液循环时间，增强在肿瘤中的选择性积累时间，以及与联合疗法（化疗、基因治疗、放射治疗等）的兼容性[19]。

近期的综述文章讨论了涉及将三碳青素染料作为光活性剂整合的纳米材料的不同方面：i) Alves等人分析了包含三碳青素的纳米结构，重点关注癌症治疗的免疫光治疗[20]；ii) An等人综述了处理包括聚合物、蛋白质和脂质体氰化纳米粒子的联合治疗策略的最新报告[21]；iii) Fialho等人简要更新了IR780纳米系统的使用情况，重点强调体内实验[22]；iv) Thakur等人将其修订重点放在近红外区域内光触发的纳米复合材料，用于药物精确释放[23]；v) Zhang等人汇编了三碳青素核心的通用化学修饰，其结构概述主要聚焦于通用纳米粒子和低分子量生物偶联物[24]；vi) 在他们的2023年作品中，Qiu等人回顾了2012-2022年间发表的选定研究，关于三碳青素的应用，无论是作为游离分子还是作为不同纳米支架的一部分，用于肿瘤成像、肿瘤治疗和肿瘤靶向[25]；最后，vii) Leit?o等人于2020年发表了一份关于一组三碳青素在不同纳米材料中配制的严格进展报告，从癌症光诊疗角度，重点聚焦于能够实现同时成像和光治疗能力的纳米光药物[26]。上述综述文章涵盖了广泛的纳米诊疗系统，包括脂质体、金属纳米粒子、胶束、囊泡、纳米凝胶、纳米胶囊和基于蛋白质的纳米粒子。其中，聚合物胶束（PM）特别突出，对于三碳青素的纳米限域，相比囊泡或脂质体[27],[28],[29],[30],[31]。PM的致密核有助于克服三碳青素的疏水性和在溶液中容易发生聚集或猝灭的倾向，此外由于较低的临界胶束浓度（CMC）而具有更高的动力学稳定性。PM尺寸通常小于150纳米，使其能够更好地穿透组织，并通过EPR效应进行被动靶向。然而，关于光活性PM的文献仍然分散且松散连接。鉴于已报告的进展和NIR光活性PM在纳米医学中的潜力，我们认为编译和批判性评估关于将三碳青素整合到PM中的最有前景的研究是及时的。

因此，本综述专注于2015-2025年间发表的报告将三碳青素作为PD整合到PM中的胶束化策略的文章。NIR活性PM的性能在应用于光动力（PDT）和光热疗法（PTT）及光触发响应机制的背景下进行分析。

首先，讨论了三碳青素（第2节）和PM（第3节）的性质和特征。在第4节中，根据染料装载方法（物理或共价）分别综述了选定的NIR活性PM。最后，介绍了当前的生物学限制（第5节）以及结论性评论和前景（第6节）。鉴于ICG在纳米材料中的包封已在近期研究中得到全面综述[32],[33],[34]，本综述将不涉及这一主题。

### 章节摘要

**三碳青素染料：化学、光物理和PD性质**

三碳青素染料从最初作为摄影光敏剂的使用到靶向生物医学应用的发展历程跨越了一个多世纪，这归功于其卓越的光物理性质。1956年FDA批准ICG用作手术程序（如血管造影或前哨淋巴结显像）中的对比剂时，确立了其临床相关性[35],[36]。近年来，研究人员已针对不同化学策略加以应对，以克服内在局限性……

**聚合物胶束**

聚合物胶束是由两亲性共聚物在水性环境中通过自组装过程形成，形成通常在10至150纳米范围内的纳米级胶体动态系统。当共聚物浓度超过称为CMC的特定阈值时，这些结构的形成自发发生，受疏水效应驱动，形成具有疏水核和亲水壳的核-壳结构，如图5所示。

**整合到聚合物胶束中的三碳青素**

PM的核-壳结构不仅是三碳青素的被动储库，还创造了具有明确疏水/亲水区域的纳米限域环境，这可以改变其光物理行为。因此，光治疗的效率由聚合物基质中激发态不同失活途径之间的竞争所决定。在光子吸收后，三碳青素激发态的能量可以遵循三条主要的竞争性途径……

**生物学障碍、体内限制及克服策略**

尽管纳米限域三碳青素在体外条件下（第4节讨论）具有卓越的光物理性质和优化的结构稳定性，但进入体内生理环境后，其治疗效果面临严峻挑战。一系列生物屏障限制了这些光治疗胶束系统的临床转化，其中最关键的包括：蛋白冠形成、组织积累、跨细胞外基质扩散……

**结论与前景**

将NIR三碳青素整合到聚合物胶束中已成为克服此类PD内在物理化学局限性的一种稳健策略……

正如所选文章所示，胶束化可以解决水性溶解度差、聚集诱导自猝灭、光漂白快以及全身清除快等关键缺陷。通过将三碳菁物理封装在疏水核内或将其共价接枝到聚合物上。

**写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明**

在本工作准备过程中，作者使用了NotebookLM来检查语法和拼写、提高可读性以及协助文献管理。在使用该工具/服务后，作者对内容进行了审核和编辑，并对已发表文章的内容承担全部责任。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的可能影响本文所报道工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本工作由CONICET（PIP 112 201301 00027 CO）和UBACyT 2020-20020190100052BA资助。作者们深感触阿根廷大学体系——一个公共、免学费且高质量的体系——使他们的学术培训和研究成为可能，而该体系目前正面临严重的经费削减。

M. Verónica Rivas于2021年获得阿根廷布宜诺斯艾利斯大学（UBA）有机化学科学博士学位。随后，她成为纳米科学与纳米技术研究所的博士后研究人员（2021-2025年），在阿根廷布宜诺斯艾利斯国家原子能委员会（CNEA）从事具有近红外活性的聚合物胶束研究。2025年，她加入CONICET成为科学研究人员，在布宜诺斯艾利斯大学从事研究和教学工作。M. Verónica Rivas|Cecilia Samaniego López|Alejandro Wolosiuk|Carla C. Spagnuolo