《Aggregate》：Dual-Acceptor Engineered Multimodal Phototheranostic NIR-II AIEgens for Orthotopic Breast Cancer Treatment
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摘要翻译：
“一体化”光诊疗（phototheranostics）已成为传统癌症治疗的一种有前景的替代方案。聚集诱导发光 luminogens（AIEgens）是构建此类多功能系统的典型模板。然而，由于在NIR-II（1000–1700 nm）范围内活性氧（R
摘要翻译：
“一体化”光诊疗（phototheranostics）已成为传统癌症治疗的一种有前景的替代方案。聚集诱导发光 luminogens（AIEgens）是构建此类多功能系统的典型模板。然而，由于在NIR-II（1000–1700 nm）范围内活性氧（ROS）生成能力急剧降低以及强烈的分子间π-π堆积，开发稳健的NIR-II发射“一体化”光诊疗AIEgens仍具有挑战性。为解决这一问题，研究人员提出了一种巧妙的双受体策略。该策略利用两个中等强度受体之间的空间位阻效应构建扭曲的双受体构型，这不仅规避了大平面强受体带来的不利影响，如π-π堆积诱导的发射猝灭和激发态能量损失，而且有利于AIE特性。此外，中等强度受体易于功能化，便于引入增强ROS性能的取代基。通过结合强供体，研究人员筛选出一种优化的AIE小分子TTBI，其在制备成纳米颗粒（NPs）后表现出理想的NIR-II发射、优异的I型ROS产生能力和高光热转换效率。结合出色的稳定性和生物相容性，TTBI NPs在小鼠原位乳腺癌模型中展示了卓越的808 nm激发NIR-II荧光–光声–光热三模态成像以及协同光动力–光热治疗性能。这项工作为开发优异的NIR-II多模态光诊疗制剂提供了新见解。
论文解读
一、研究背景与意义
乳腺癌是全球女性中发病率最高的恶性肿瘤，也是导致癌症相关死亡的主要原因，对公共健康构成持续威胁。传统治疗方法如手术、化疗和放疗存在创伤大、耐药性及全身毒性等局限性。光诊疗（phototheranostics）作为一种新兴的治疗策略，利用光学制剂的光诱导能量转换实现诊断与治疗一体化，具有微创、时空可控、无耐药性和低系统毒性等优势。多模态光诊疗整合荧光成像（FLI）、光声成像（PAI）、光热成像（PTI）、光动力治疗（PDT）和光热治疗（PTT）等多种模态，通过各模态的协同互补实现更优的诊断和治疗效果。其中，第二近红外窗口（NIR-II, 1000–1700 nm）荧光成像因其光子散射显著减少、自发荧光干扰可忽略以及组织穿透深度大幅增加而备受关注。
聚集诱导发光luminogens（AIEgens）具有多个可旋转单元和扭曲构象，是构建“一体化”（one-for-all）多模态光诊疗制剂的理想材料模板。与需要多个激发波长匹配各光学组件的“多合一”（all-in-one）系统相比，“一体化”方法只需单一激发波长即可同步触发所有光诊疗模态，极大提高了实际诊疗效率和患者耐受性。然而，构建具有NIR-II发射的稳健“一体化”光诊疗AIEgens仍面临两大挑战：其一，实现长波长NIR-II发射需引入强电子供体（D）和受体（A）以增强分子内电荷转移（ICT）和D–A相互作用，但强受体通常具有大刚性平面结构，易诱导聚集猝灭（ACQ）效应和激发态能量损失；其二，根据能隙定律，NIR-II荧光体显著缩小的能隙不可避免地导致非辐射振动弛豫增加，竞争性抑制系间窜越（ISC），导致ROS产生能力急剧降低甚至完全丧失。
二、研究内容与结论
针对上述挑战，研究人员提出了双受体工程策略，成功开发了一种具有显著NIR-II发射和高效多模态光诊疗性能的AIE活性小分子TTBI，用于原位乳腺癌治疗。该策略避开使用庞大强受体单元，而是采用两个具适当体积的中等强度电子受体构建双受体结构，通过两个受体紧密连接实现增强的吸电子能力。与强供体共轭后，该设计强化了ICT和D–A效应，从而实现NIR-II发射。值得注意的是，两个紧密结合受体之间的空间位阻诱导了扭曲双受体构型，这不仅规避了大平面受体通常伴随的不利影响，还确保了有益的AIE特性并增强聚集态分子内旋转诱导的热效应。此外，双受体工程显著扩展了受体单元的选择范围和类型，允许按需灵活组合。受益于此，研究选择含自旋轨道耦合（SOC）促进基团的受体单元作为其中一个受体，显著提升了ISC速率和ROS产生能力。经优化筛选，研究者确定了AIE小分子TTBI，其在制备成纳米颗粒（NPs）后表现出典型AIE特性、理想NIR-II发射、优异ROS产生能力和高光热转换效率（η = 49.38%）。结合优异的稳定性和生物安全性，TTBI NPs在小鼠原位乳腺癌模型中实现了808 nm激发的NIR-II荧光–光声–光热三模态成像和协同光动力–光热治疗，单次静脉注射和单次激光照射即可实现完全肿瘤根除。该工作为开发高性能NIR-II“一体化”多模态光诊疗平台提供了宝贵的分子设计视角。
三、关键技术与方法
研究人员主要运用了以下关键技术方法：（1）双受体分子工程策略，采用两个中等强度受体构建扭曲双受体构型；（2）理论计算模拟，包括密度泛函理论（DFT）计算优化基态几何结构、前线分子轨道分析、单重态–三重态能隙（ΔEST）及SOC常数计算、重组能（λ）分解分析；（3）纳米沉淀法制备DSPE-mPEG2000包裹的水分散性纳米颗粒；（4）多模态成像技术，包括NIR-II荧光成像、光声成像和光热成像；（5）细胞与动物水平实验，使用4T1小鼠原位乳腺癌模型开展光动力–光热协同治疗评估；（6）组织学分析，包括H&E染色、TUNEL免疫荧光染色、CD31和Ki-67免疫荧光分析；（7）血液学与血液生化分析评估体内生物安全性。
四、主要研究结果
2.1 分子设计与合成
研究人员基于D–A结构设计理念，以含羰基的2-(3-氧代-2,3-二氢-1H-茚-1-亚基)丙二腈单元作为含SOC促进基团的受体，甲氧基修饰的三苯胺作为供体，通过双键π桥连接合成化合物TI。随后引入噻吩作为辅助供体和/或苯并噻二唑作为额外受体，得到三种衍生物TTI、TBI和TTBI。其中TTBI具有最强的D–A相互作用、扭曲双受体构象和ROS促进基团。所有化合物通过Suzuki–Miyaura交叉偶联和Knoevenagel缩合等经典反应高产率合成，结构经1H NMR、13C NMR和MALDI-TOF质谱确认。
2.2 分子光物理性质与理论计算
四种化合物的吸收和光致发光（PL）光谱随分子结构中供体或受体基团数量增加而逐渐红移。TTBI因含有最多电子供体和受体，展现出显著更长的吸收和发射波长，其发射光谱近半数落入NIR-II区域。四种化合物均呈现典型AIE特性，随不良溶剂异丙醇比例增加，PL强度逐渐增强。DFT计算揭示甲氧基修饰三苯胺供体呈高度扭曲构象（相邻二面角超过62°），双受体部分呈扭曲构型（二面角大于45°）。前线分子轨道分析显示LUMO主要定域于受体，HOMO主要分布于供体，能隙从TI（2.415 eV）逐渐降至TTBI（1.627 eV），与红移吸收和发射一致。TTBI同时拥有最小ΔEST和最大SOC常数，预示其为四种AIEgens中最有效的ROS产生体。
2.3 纳米制备与光物理化学性质
采用FDA批准的 amphiphilic 聚合物DSPE-mPEG2000为封装基质制备水分散性纳米颗粒，四种NPs的水合粒径为49.8–75.1 nm，PDI为0.096–0.214，Zeta电位为?20.2至?28.5 mV。TEM确认其均匀球形形态。TTBI NPs的吸收和发射峰分别延伸至700 nm和1060 nm，呈现显著NIR-II发射。TTBI NPs在多种模拟生理环境中表现出良好储存稳定性。光化学性质研究表明，808 nm激光照射下TTBI NPs的ROS信号在10分钟内增加近700倍，显著优于其他三种NPs。ROS种类鉴定实验证实TTBI NPs主要通过I型光动力途径产生羟基自由基（•OH）和超氧阴离子自由基（O2•?），几乎不产生单线态氧（1O2）。光热性能评估显示，TTBI NPs在808 nm激光照射下温度增量达40.4°C，光热转换效率为49.38%，超越大多数临床用光热制剂。重组能分析揭示TTBI在S0和S1态间具有显著构象变化（RMSD = 1.22 ?），产生大λ值（5720.6 cm?1），其中低频分子内转子旋转模式贡献高达79.6%。TTBI NPs在五次激光加热冷却循环后仍保持优异光热稳定性。
2.4 多模态光诊疗性能
细胞摄取实验表明TTBI NPs通过溶酶体相关内吞作用进入4T1细胞，小窝蛋白调控和能量依赖的内吞是主要途径。体外CCK-8实验显示，暗条件下TTBI NPs在高达50 μM浓度时对正常细胞（3T3、HUVEC、L929）和4T1乳腺癌细胞均保持超过85%的细胞活力，证明良好细胞相容性。808 nm激光照射后，30 μM TTBI NPs处理的4T1细胞活力降至38%，50 μM时进一步降至3%，证实显著光细胞毒性。活/死细胞染色和胞内ROS检测进一步验证了光驱动细胞杀伤效应源自TTBI NPs的光敏化性能。
体内实验采用4T1原位乳腺癌小鼠模型。静脉注射TTBI NPs后，NIR-II荧光信号在肿瘤部位逐渐积累，1小时达到峰值。光声信号变化与NIR-II荧光成像结果一致。基于成像结果，在注射后1小时进行PTI，TTBI NPs注射组肿瘤区域温度在2分钟内迅速攀升至约50°C，10分钟时最高达56.3°C。治疗实验中，TTBI NPs联合激光照射组在治疗后第2天即实现所有实体瘤完全根除，14天观察期内无肿瘤复发。对照组肿瘤均快速进展。组织学分析揭示TTBI NPs主要通过诱导细胞凋亡、抑制肿瘤新生血管形成和细胞增殖发挥抗肿瘤作用。
2.5 生物相容性与生物安全性
溶血实验显示TTBI NPs在高达100 μM浓度下未检测到明显溶血，表明优异血液相容性。14天治疗期间，TTBI NPs处理组小鼠体重增长趋势与PBS对照组相当。血液学参数和血液生化指标（包括肝功能标志物ALT、AST、ALB以及肾功能标志物UREA、CREA、UA）均在正常范围内，与PBS组无统计学显著差异。主要器官H&E染色未发现可检测的病理异常，证明TTBI NPs引起的器官损伤极小。
五、结论
该研究通过双受体工程策略实现了高效NIR-II AIEgen的合理设计。该策略利用两个中等强度受体间的空间位阻产生扭曲双受体构型，既避免了庞大受体相关的负面影响，又有助于AIE特性和聚集态光热效应增强。优化的TTBI小分子在制成NPs后表现出理想NIR-II发射、优异I型ROS产生能力和高光热转换效率（η = 49.38%）。结合卓越稳定性和生物安全性，TTBI NPs在小鼠原位乳腺癌模型中实现单次静脉注射和单次激光照射后的完全肿瘤根除。该工作为通过双受体或多受体工程开发高性能NIR-II多模态光诊疗系统提供了新见解。
