综述：镧系纳米粒子表面生物工程用于诊疗一体化应用：从亲水修饰到多模态成像与治疗

《Materials Today Bio》：Surface Bioengineering of Lanthanide Nanoparticles for Theranostic Applications: From Hydrophilic Modification to Multimodal Imaging and Therapy

　　

镧系纳米粒子（LnNPs）因其可调发射光谱、长发光寿命和高光稳定性而被公认为下一代发光生物探针。尽管已广泛研究，这些纳米材料近期在生物检测、生物成像和治疗领域重新引起了兴趣。为了作为合适的光学标记，LnNPs需要克服固有局限性，如疏水表面、发光强度不足和环境响应性有限。因此，光学调控、亲水表面修饰和生物功能性的整合已成为推进其生物医学应用的关键。近期的表面工程策略系统性地解决了亲水性、胶体稳定性和生物相容性相关的挑战，并取得了显著进展。本综述概述了LnNPs亲水表面修饰和生物功能化的主流方法，包括配体工程、表面涂层和仿生修饰。研究人员讨论了这些方法的设计原理和实施过程，以及它们在多模态成像和靶向治疗中的代表性应用。还总结了该快速发展的领域当前面临的挑战和未来前景。

论文主体部分系统地总结了镧系纳米粒子（LnNPs）的表面生物工程策略及其在生物诊断和治疗中的应用。以下为各小标题对应的内容总结：

**2. Strategies for Biocompatibility Modification of LnNPs**
研究人员首先指出，良好的生物相容性是LnNPs体内应用的前提。由于高温有机相合成导致纳米粒子表面覆盖疏水配体（如油酸（OA）和油胺（OM）），限制了其在水相中的分散，因此必须通过生物相容性修饰克服疏水性问题。该部分详细介绍了两种主要修饰策略：配体功能化亲水修饰和表面包覆亲水修饰。

**2.2. Ligand Functionalization Hydrophilic Modification**
配体功能化亲水修饰包括配体交换、配体氧化、原位聚合修饰和配体去除四种方法。配体交换通过使用具有强配位基团的分子（如聚丙烯酸（PAA））竞争置换原始疏水配体，实现亲水化，但可能因引入高振动频率基团（如O–H和N–H）导致发光猝灭。配体氧化利用勒米厄-冯·鲁德洛夫试剂氧化不饱和配体，生成羧基，方法简单但仅适用于含碳碳双键的配体。配体去除通过强酸（如HCl）或硝鎓四氟硼酸盐（NOBF₄）处理，暴露Ln³⁺离子，获得高表面活性，但胶体稳定性差，需进一步修饰。原位聚合修饰在纳米粒子生长过程中或之后引发表面配体聚合，形成交联聚合物壳层，一步实现亲水化，具有高稳定性。

**2.3. Surface Encapsulation Hydrophilic Modification**
表面包覆亲水修饰在不改变原始配体的前提下，通过形成新的亲水涂层实现水分散。聚合物包覆利用两亲性聚合物（如DSPE-PEG）以疏水相互作用与原始配体层结合，或通过静电作用的层层自组装（LbL）构建多层结构。表面硅烷化通过反相微乳液法或St?ber法在粒子表面沉积二氧化硅（SiO₂）壳层，提供优异的稳定性，并可进一步修饰为介孔二氧化硅（mSiO₂）用于药物负载。

**2.4. Comparative Analysis of Colloidal Stability of Different Hydrophilic Modification Strategies under Physiological Conditions**
该部分系统比较了不同修饰策略在生理条件下的胶体稳定性。配体交换中，单齿配体稳定性差，多齿配体（如PAA、双膦酸盐-PEG）稳定性较好。配体氧化和配体去除的稳定性较差，易聚集。原位聚合修饰和表面硅烷化提供了最优的长期稳定性，硅烷化壳层可在极端pH和血清中稳定数月。

**2.5. The technological evolution of surface engineering: from functional modification to intelligent interface design**
该部分从技术演进角度分析了表面工程的发展。从最初的亲水化改造（如配体交换）到功能保护（如包覆策略），体现了从解决单一问题到多功能集成的趋势。配体从单齿到多齿、从小分子到聚合物/PEG化配体的演变，反映了稳定性需求的驱动。包覆策略的非侵入性特性保护了光学性能，而功能互补与交叉融合（如SiO₂包覆后进一步配体修饰）成为趋势。

**3. Strategies for the Bio-functionalization of LnNPs**
亲水修饰后，LNP需进行生物功能化以实现特异性生物相互作用。该部分介绍了多种功能化策略，包括表面配位、EDC/NHS介导的共价偶联、马来酰亚胺-硫醇共价偶联、生物素-亲和素系统和点击化学。表面配位利用暴露的Ln³⁺离子直接与负电荷生物分子结合，适用于基因递送。EDC/NHS偶联通过酰胺键形成，用于连接靶向配体（如叶酸（FA）、抗体）。马来酰亚胺-硫醇反应具有高特异性，用于肽类修饰。生物素-亲和素系统利用超高亲和力实现信号放大。点击化学（CuAAC和SPAAC）提供高效、特异的生物正交连接，适用于细胞膜标记等。

**3.2. Functional Modification Strategies of LnNPs after Surface Encapsulation**
包覆后的LNP可以进行进一步功能化。硅烷化表面可通过硅烷偶联剂（如APTES）引入氨基等基团，再结合EDC/NHS偶联靶向分子，或沉积无机层（如TiO₂、MnO₂）实现多功能。膜包覆是仿生技术，通过共挤出、超声或微流控电穿孔将细胞膜（如红细胞膜、肿瘤细胞膜）包覆于LNP表面，赋予免疫逃逸、靶向识别等功能，但面临批次一致性、蛋白取向和放大生产等挑战。脂质体包覆与细胞膜包覆类似，但设计灵活性和可控性更高。

**4. Diverse biological applications of lanthanide nanoprobes**
表面工程优化后的LNP在生物成像和靶向治疗中展现出广泛潜力。成像方面：上转换发光（UCL）成像利用近红外激发，避免自体荧光干扰，实现高对比度深部组织成像；近红外二区（NIR-II）成像（1000–1700 nm）提供更优的穿透深度和空间分辨率，通过能级调控和染料敏化增强发光；多模态成像整合UCL、MRI、NIR-II等，互补优势，实现精准诊断。治疗方面：主动靶向通过连接FA、RGD肽、TAT肽等配体，实现细胞特异性识别和内化，并延伸至亚细胞器（如线粒体）靶向。药物递送和基因治疗利用静电吸附、共价连接或介孔二氧化硅负载，实现刺激响应释放（如光、pH、酶），并构建诊断治疗一体化平台。光动力/光热治疗（PDT/PTT）利用UCNP转换近红外光激活光敏剂（如Ce6、RB）或通过离子掺杂实现光热转换，联合治疗增强疗效。

**5. Pharmacokinetics and biodistribution**
药代动力学和生物分布取决于表面工程策略。非PEG化表面（如配体去除、配体氧化）的LNP因暴露Ln³⁺离子，易被网状内皮系统（RES）快速清除，在肝脏和脾脏中大量蓄积，且清除缓慢。PEG化表面显著延长循环时间，降低非特异性蛋白吸附，主要通过肝胆途径清除，且尺寸依赖（<10 nm可肾清除）。无机SiO₂表面提供最稳定的药代动力学，无显著毒性，但不可降解的SiO₂壳层导致长期滞留；可降解SiO₂壳层通过降解后碎片更易清除。

**6. Toxicity assessment of LnNPs**
毒性评估显示，非PEG化LNP（如配体去除）具有显著细胞毒性（IC₅₀低至26 μg/mL），而小分子配体（如TPP）虽然体外毒性较低，但体内滞留严重。PEG化LNP表现出良好安全性，最大耐受剂量（MTD）可达≥200 mg/kg（静脉注射）。SiO₂包覆LNP的毒性取决于壳层厚度，厚壳层（21 nm）可有效抑制离子释放，细胞活力明显高于薄壳层（7 nm）。介孔SiO₂包覆的LNP也显示良好生物相容性，但MTD数据尚缺乏。

**7. Conclusions and Perspectives**
表面生物工程将LNP从疏水惰性状态转化为功能化生物医学平台。未来需要进一步提高发光效率，开发新型表面工程和能级调控策略；优化胶体稳定性和靶向效率；发展刺激响应系统以实现精准治疗；同时解决规模化制备、批次一致性和临床转化中的监管挑战。跨学科合作（如计算化学、机器学习）有望推动智能响应型LNP的设计，并促进其向临床诊断和治疗药物的转化。