近红外光切换的单智能纳米材料AgSA+NP/NiFe-LDH用于出血与血栓的光声诊疗一体化

《Small Science》：A Single Smart Nanomaterial for Near-Infrared-Switchable Theranostics of Hemorrhage and Thrombosis via Photoacoustic Imaging

　　

出血患者的临床管理仍面临重大挑战，现有治疗方法缺乏实时诊断能力和时空精确性。传统材料（如水凝胶）需要手术干预，而分子靶向策略则受限于缓慢的动力学和不可控的血栓风险。为解决这些局限性，研究人员开发了一种基于镍铁层状双氢氧化物（NiFe-LDH）并修饰了银单原子和银纳米颗粒（AgSA+NP/NiFe-LDH）的智能纳米材料。该平台能够结合纤溶酶原激活物（PAs），在体外实现约30%的纤维蛋白溶解减少，并在颅内和腹部出血模型中体内减少约50%的失血量，从而实现快速止血。在脉冲近红外（NIR）照射下，主导的光电效应增强了止血效果，与未暴露部位相比减少了约50%的失血量；而在持续NIR照射下，强烈的光热效应会灭活血凝块中富集的凝血酶并改变纤维蛋白结构，从而促进可控的溶栓作用。这种双重功能在动脉模型以及来自健康个体和出血患者的冷冻保存人血样本中得到了一致验证。此外，该材料可通过光声成像实现对活动性出血（低至3 μL）的实时可视化，这一能力已在颅内出血模型中得到验证。该研究工作展示了一种基于近红外（NIR）策略的概念验证性外部调控管理方法，在动态血管急症中具有潜在应用价值。

研究背景

动脉出血性疾病，特别是自发性颅内出血（ICH）和外伤性出血，是全球性的重大健康负担，常导致残疾和死亡。持续性出血是造成这些后果的主要原因。基于材料的止血剂，如水凝胶，虽是有前景的替代方案，但其应用通常需要精确定位甚至手术暴露，对于紧急、不可压迫或深部出血（如颅内或腹腔内出血）不切实际。同时，利用配体-受体相互作用（如抗体导向的止血剂）的靶向治疗策略面临根本性的物理限制：出血部位的高速血流严重限制了此类生化识别和结合所需的停留时间，使其难以快速控制出血。更关键的是，一旦启动，这些生化反应往往自我维持直至药剂耗尽，产生不可控的血栓前风险，可能导致灾难性的血栓栓塞并发症。因此，理想的药剂必须兼具快速的抗血流靶向能力和一个可外部调节的“关闭”开关以确保安全性。尽管已有多种刺激响应性纳米材料分别被开发用于止血或溶栓，但鲜有平台能将两种功能整合于单一系统，更没有任何现有系统利用不同照射模式（脉冲与持续近红外光）来实现对止血-溶栓平衡的双向、外部可切换控制。为此，研究人员开发了Ag_SA+NP/NiFe-LDH纳米平台，旨在通过单一材料实现近红外光切换的双向治疗与光声成像（PAI）的整合。

研究方法概述

研究人员首先采用水热法合成了NiFe-LDH，随后通过缺陷工程策略将其浸入Ag⁺溶液后，在H₂/Ar气氛下还原，制备了同时修饰有Ag单原子（SAs）和Ag纳米颗粒（NPs）的Ag_SA+NP/NiFe-LDH。研究中使用了扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）等手段进行材料表征。通过荧光猝灭实验评估材料与纤溶酶原激活物的相互作用。止血和溶栓效果通过血栓弹力图（TEG）、纤维蛋白溶解定量测定、扫描电镜（SEM）观察血栓形态以及在Sprague-Dawley大鼠上建立的胶原酶诱导颅内出血模型、主动脉穿刺模型和双侧股动静脉出血模型进行评估。光声成像能力在大鼠离体脑模型中进行验证，并使用了来自健康志愿者和颅内出血（ICH）患者的冷冻保存人血样本进行初步临床转化潜力评估。

研究结果

2.1 合成与表征

研究人员通过水热法成功合成了具有三维结构的NiFe-LDH纳米片。该材料表现出有限的分散稳定性，提示其在体内可能存在栓塞风险。荧光猝灭实验表明NiFe-LDH能与尿激酶（UK）结合。其光敏特性显示具有可见到近红外光的宽谱吸收，但在近红外区域的光电流响应较弱，光热转换能力也有限，因此需要通过表面修饰进行增强。

2.2 Ag_SA+NP/NiFe-LDH的合成与表征

通过缺陷工程方法成功制备了Ag_SA+NP/NiFe-LDH。表征证实Ag NPs（尺寸<10 nm）均匀分散在纳米片上，并存在原子级分散的Ag SAs。与原始NiFe-LDH相比，该材料的分散稳定性显著提高，增强了静脉给药的安全性。更重要的是，其光敏性能得到大幅提升：在可见-近红外区域吸收增强，在808 nm处展现出显著的光电响应和光热效应（ΔT ≈ 40 °C）。对照实验表明，Ag SAs和Ag NPs之间存在协同作用，Ag SAs作为原子继电器站，捕获并注入来自等离子体Ag NPs的热电子，实现了近红外驱动的光电协同。

2.3 Ag_SA+NP/NiFe-LDH的止血效果

研究证实Ag_SA+NP/NiFe-LDH保留了结合纤溶酶原激活物的能力，其止血机制主要是通过抑制纤维蛋白溶解系统，而非直接激活凝血级联反应。血栓弹力图（TEG）和纤维蛋白溶解定量测定均显示，该材料能剂量依赖性地抑制纤维蛋白溶解，其效果接近临床标准药物氨甲环酸（TXA）。扫描电镜（SEM）观察显示，经该材料处理的凝血块能更好地保存纤维蛋白网络。在胶原酶诱导的颅内出血模型和主动脉穿刺模型中，静脉注射Ag_SA+NP/NiFe-LDH均能显著减少血肿体积或出血量，且不影响出血时间。14天的体内安全性评估未发现明显的血液学毒性、主要器官功能障碍或可检测到的非靶点血栓形成，银主要以惰性的金属态Ag⁰存在，毒性风险较低。

2.4 近红外光切换的靶向止血与溶栓

研究发现，Ag_SA+NP/NiFe-LDH在不同近红外照射模式下表现出截然相反的功能。脉冲近红外照射下，光电效应占主导，增强了材料与纤溶酶原激活物的结合，使体外抗纤溶能力提高约30%，并在大鼠双侧股动静脉出血模型中将失血量减少约50%。相反，持续近红外照射下，光热效应占主导，通过灭活凝血酶和改变纤维蛋白结构来促进溶栓，使体外纤溶能力提高约30%，并在体内模型中引发再出血。这种由照射模式决定的、可逆的止血-溶栓切换能力是该材料的独特优势，有望处理如心肌梗死并发消化道出血等复杂临床情况。研究人员还通过温度控制和荧光猝灭实验，进一步证实了脉冲近红外下的强抗纤溶效应源于光电机制，而非热效应。

2.5 在人血样本中的验证

在来自5名健康供体和5名颅内出血（ICH）患者的冷冻保存人血样本中，该材料的近红外光切换功能得到了复现：脉冲近红外照射使纤溶指数降低约30-35%，持续近红外照射则使其升高约20-25%。这为其临床转化潜力提供了初步证据，但研究人员也指出，由于样本为冷冻保存且实验为静态体系，这些数据应被视为原理验证。

2.6 追踪活动性出血的光声成像

在大鼠离体脑模型中，将Ag_SA+NP/NiFe-LDH二次注射到模拟的活动性出血部位后，在750 nm和1064 nm波长下均能观察到强烈的光声信号，即使再出血量低至3 μL也能清晰显像，类似于临床CTA中的“斑点征”。该材料具有良好的抗光漂白性，确保了重复成像时的信号稳定。

总结与结论

本研究开发的Ag_SA+NP/NiFe-LDH作为一种单一的纳米材料，整合了近红外光切换的双向治疗与光声成像功能，构成了一种新型的诊疗一体化平台。它能够实现脉冲近红外光增强的止血和持续近红外光触发的溶栓，同时可作为追踪活动性出血的造影剂。这种诊断-治疗双重能力使Ag_SA+NP/NiFe-LDH成为一个概念验证性平台，值得在生理相关模型中进行进一步评估并进行严格的安全性评估，以期应用于动态血管急症的精准管理。