Janus卟啉稳定的相变诊疗一体化平台用于多模态成像引导的协同癌症治疗

《Materials Today Bio》：Janus porphyrin-stabilized phase-transition theranostics for multimodal imaging-guided synergistic cancer therapy

　　

声学和光学液滴汽化(Acoustic and optical droplet vaporization, ADV/ODV)通过纳米级相变实现局部能量转换，提供了一种将成像增强与治疗激活耦合的机制。然而，在实现可控汽化的同时集成多模态成像与治疗仍具挑战性。研究人员开发了低沸点碳氟化合物(FO1-FO4)作为相变液体，以及Janus卟啉两亲分子(TP1和TP2)作为能量介质，其共同组装成核壳纳米液滴(TFNP)，将汽化动力学与多模态诊疗一体化统一起来。TFNP响应光学或声学激发，将液滴转化为微气泡，放大荧光(fluorescence)、光声(photoacoustic)和超声(ultrasound)信号，同时激活光动力治疗(Photodynamic Therapy, PDT)和声动力治疗(Sonodynamic Therapy, SDT)。结构-性能优化确定TP2作为有效的界面能量介质、荧光团、声敏剂和光敏剂，FO1作为新开发的相变液体具有单一19F共振，能够实现灵敏的19F磁共振成像(19F Magnetic Resonance Imaging, 19F MRI)和可控汽化。与常用的全氟己烷(perfluorohexane)相比，FO1为TFNP提供了无与伦比的光声、超声和19F MRI性能。在ADV/ODV触发下，TFNP同步实现多模态成像增强与活性氧(reactive oxygen species, ROS)生成及抗血管效应，实现空间受限和时间引导的治疗。体内19F MRI允许定量追踪FO1滞留，并揭示ADV/ODV纳米液滴的治疗诊断窗口小于10小时。这些发现表明，合理的分子和界面工程可显著改善相变诊疗性能，同时突显了成像引导时间优化的重要性。

该研究发表于《Materials Today Bio》。目前，声学与光学液滴汽化（ADV/ODV）虽能通过纳米级液相-气相相变实现局部能量转换以耦合成像增强与治疗激活，但在平衡挥发性、稳定性、活化阈值及体内可控性方面存在挑战，且传统全氟碳化合物（如全氟己烷）因多¹⁹F核磁共振峰导致¹⁹F MRI灵敏度低，四苯基卟啉类能量介质存在水溶性差、聚集诱导猝灭（ACQ）及肿瘤选择性有限等问题，制约了其临床转化。为此，研究人员开展了“全合一”相变纳米液滴（TFNP）系统的开发研究，通过Janus两亲性四苯基卟啉（TPs）与相变全氟叔丁基醚（FOs）的自组装，构建集成荧光成像（FLI）、¹⁹F MRI、光声成像（PAI）、超声成像（USI）及协同PDT、SDT、抗血管治疗的诊疗平台，最终得出TP2与FO1分别为最优能量介质与相变液体的结论，确立了小于10小时的体内治疗窗口，证实了分子与界面工程对同步多模态成像与时间优化协同治疗的提升意义，为精准癌症诊疗提供了新框架。

为开展研究，研究人员主要关键技术方法包括：合成TP1/TP2与FO1-FO4并表征其理化性质与单线态氧生成能力；采用改良Ouzo法制备TFNP并测定粒径、电位及稳定性；利用吡rene荧光探针法测临界胶束浓度（CMC）；通过单线态氧传感器绿（SOSG）评估ROS生成；采用¹⁹F NMR与¹⁹F MRI定量追踪氟信号；借助光学显微镜与超声暴露观察相变行为；体外以人肺腺癌细胞（A549）及人正常肺上皮细胞（BEAS-2B）为样本，通过CCK-8、溶血试验、共聚焦显微镜、流式细胞术评估生物相容性、摄取及协同疗效；体内选用5周龄雌性BALB/c裸鼠构建A549异种移植瘤模型，经伦理审批后开展急性毒性、活体FLI、¹⁹F MRI、PAI、USI及瘤内/静脉给药的抑瘤实验，以未处理组为对照，通过H&E、Ki-67、TUNEL、CD31+TP2染色分析组织学变化，数据以均值±标准差表示并行非配对t检验。

研究结果如下：

3.1. Synthesis and characterization of TPs and FOs。研究人员通过三步合成TPs、一步Williamson醚合成FOs并表征。结果表明TP2较TP1具有更低CMC（1.2 μM vs 5.6 μM）、更高单线态氧量子产率（Φ_Δ=0.7 vs 0.6）与光热效应，且在A549中细胞毒性更低、生物相容性更优；FOs均呈现-73.50 ppm单一¹⁹F NMR峰，FO1具最优沸点与密度，¹⁹F MRI信噪比（SNR）达18以上，显著优于全氟己烷（PFH, SNR=5.4），故选定TP2与FO1开展后续研究。

3.2. Formulation and characterization of TFNP。研究人员通过Ouzo法自组装TP2、FO1、DPPC及DSPE-PEG2000制备TFNP。动态光散射（DLS）显示平均直径135 nm、多分散指数（PDI）0.074、Zeta电位-24.6 mV，透射电镜（TEM）证实球形形貌，4℃与37℃下稳定至少7天；TFNP具单一¹⁹F NMR峰，¹⁹F MRI线性定量性能好，PAI强度较PFHNP高40%，加热或超声下生成更大且可控的微气泡，超声（USI）灰度值与¹⁹F浓度线性相关，综合成像与相变稳定性优于PFHNP。

3.3. In vitro biocompatibility and synergistic therapy of TFNP。研究人员以A549与BEAS-2B细胞评估。结果显示TFNP在15 μM TP2内细胞活力>80%，溶血率<5%；TFNP+激光+超声的IC₅₀为0.19 μM，联合指数（CI）=0.224（协同作用），TP2定位于线粒体（Pearson相关系数r=0.87），细胞摄取峰值在12小时，细胞裂解液¹⁹F MRI SNR达4.65，证实高生物相容性、线粒体靶向及强ROS生成协同疗效。

3.4. In vivo biocompatibility, biodistribution and multimodal imaging of TFNP。研究人员于BALB/c裸鼠模型评估。静脉（i.v.）注射后肿瘤荧光36小时达峰并持续至96小时，主要经肝清除；瘤内（i.t.）注射后¹⁹F MRI信号10小时内消退，PAI与USI在3小时达峰后下降，FO1滞留窗口<10小时而TP2荧光持久；重复治疗周期内FO1保留而TP2因激光消耗，多模态成像可实时追踪组分命运，高沸点FO2可实现静脉¹⁹F MRI肿瘤累积监测。

3.5. Synergistic PDT-SDT of A549 lung cancer with TFNP。研究人员设瘤内与静脉抑瘤模型。瘤内模型中TFNP+超声+激光组肿瘤生长抑制（TGI）达77%，伴显著凋亡、增殖抑制及CD31阳性血管破坏（抗血管效应）；静脉模型中36小时照射TFNP+超声+激光组TGI达75%，无血管破坏仅TP2介导PDT/SDT；两组均无显著体重下降与脏器毒性，证实低剂量FO1与TP2即可实现安全高效协同治疗，抗血管效应源于FO1相变机械应力。

总结讨论部分：研究人员指出TP2合成简短高效，克服传统卟啉缺陷兼具多重功能；FO1替代全氟己烷改善¹⁹F MRI与相变特性，实现无标记定量追踪；TFNP体内治疗窗口由挥发性氟碳保留决定而非液滴累积，常被忽视却关键；瘤内与静脉给药疗效差异源于FO1相变抗血管与TP2系统递送之别；未来需聚焦不同氟碳制剂窗口及抗血管分子机制，为相变诊疗临床转化提供设计原则。

结论部分翻译：总之，研究人员开发了“章鱼形”两亲性Janus四苯基卟啉（TP2）与相变全氟叔丁基甲基醚（FO1），自组装成“全合一”诊疗纳米液滴（TFNP），集四种成像（FLI/¹⁹F MRI/PAI/USI）与三种治疗（PDT/SDT/抗血管治疗）于一体。TP2与FO1合成简短、高效且可放大。通过合理分子设计，TP2克服传统卟啉水溶性差、制剂难与诊疗效低问题，作为通用界面能量介质与多功能诊疗“附加”模块；FO1拓展相变液体库，其强单一¹⁹F NMR峰与有利T₂/T₁比实现细胞与荷瘤鼠灵敏定量“热斑”¹⁹F MRI而无额外标记。TFNP体外具高生物相容性、线粒体共定位高效摄取与强ROS生成；静脉给药体内荧光约36小时达峰，瘤内¹⁹F MRI信号存留<10小时，确立常被忽视却关键的治疗窗口。多模态成像引导下激光超声联合治疗瘤内（77% TGI）与静脉（75% TGI）均显著抑瘤且安全，凸显TP2与FO1互补作用；FO1替代全氟己烷显著提升¹⁹F MRI、PAI、USI与生物相容性；低剂量TFNP联合超声通过相变机械应力诱导血管破坏提供有效抗血管策略。综上，TFNP代表稳健相变诊疗平台，证实合理分子与界面工程可同步多模态成像与时间优化协同治疗，推动精准癌症诊疗；未来应关注不同理化性质氟碳的制剂特异性窗口及抗血管分子机制，为相变诊疗纳米平台开发与临床转化提供有用设计原则。