CD44靶向、GSH/H2S双响应AIE胶束纳米平台用于靶向肿瘤成像与光动力治疗的光谱学洞察及诊疗应用

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Spectroscopic insights and theranostic application of a CD44-targeted, GSH/H 2S-dual-responsive AIE micellar nanoplatform for targeted tumor imaging and photodynamic therapy

　　

摘要

刺激响应型诊疗纳米平台因其具有提升癌症诊断精度和光动力治疗（PDT）效能的潜力而备受关注。在本研究中，我们构建了一种肿瘤微环境（TME）双响应的聚集诱导发光（AIE）胶束系统（HA-SS-TPEDCH-Th），以实现受体介导的特异性生物成像和局部光动力消融。以透明质酸（HA）作为主动靶向外壳，胶束可选择性内化至CD44过表达的肝癌细胞中，其中谷胱甘肽（GSH）和硫化氢（H₂S）的协同升高解锁了一个严格的"与"逻辑门，促进胶束完全解离和AIE荧光瞬时开启。刺激释放的载荷彻底消除了健康细胞中的假阳性背景信号，并在特定激光照射下诱发强烈的、高度局部的活性氧（ROS）爆发，严重抑制肿瘤细胞活力。值得注意的是，在致密的三维（3D）多细胞肿瘤球体中，HA-SS-TPEDCH-Th表现出卓越的深层组织穿透能力并引发深度的光动力损伤，迅速启动线粒体介导的内源性凋亡级联反应，导致坚韧的球体发生不可逆的形态崩解。综上所述，本研究凸显了主动靶向、双重锁定AIE胶束作为高度特异、零提前释放诊疗平台用于先进实体肿瘤根除的转化前景。

引言

将精确的荧光成像与高效靶向治疗整合到单一纳米平台中——常称为"诊疗一体化"——对于先进癌症管理已引起极大关注[1]。在各种成像模式中，荧光光谱学提供了无可比拟的优势，包括高灵敏度、实时监测和卓越的空间时间分辨率。对于常规细胞成像，大多数传统荧光探针在适当低浓度下使用效果极佳，避免了聚集导致猝灭（ACQ）问题，同时将生物体扰动降至最低。然而，当应用于需要高局部积累或纳米载体包封的诊疗一体化场景时，传统有机荧光团经常遭受严重的ACQ，限制了其光稳定性和治疗效能[2]。为解决这一受限系统中的特定光物理瓶颈，聚集诱导发光（AIE）发光体已被广泛探索。需要客观指出的是，AIE机制——主要由分子内运动限制（RIM）驱动——在传统固/沉淀或粘度敏感型荧光探针中早有大量文献记载，具有类似的物理原理[3], [4], [5], [6], [7], [8]。尽管目前广受欢迎，AIE探针的直接生物应用面临一些常被忽视的固有缺陷。具体而言，在生理介质中不受控的沉淀或聚集体形成可能导致不均匀的生物分布、较大的分析误差以及差的重现性。更关键的是，由于AIE探针本质上对局部粘度敏感，区分由特异性靶标分析物触发的信号与非特异性环境粘度干扰的信号极为困难。因此，在许多常规场景中，传统小分子探针实际上是生物成像的更优选择。

因此，为了审慎利用AIE分子的独特优势（例如光动力治疗的光敏化能力），同时从根本上克服其非特异性沉淀和粘度干扰的缺陷，迫切需要采用智能精准的递送策略。为实现靶向激活并避免健康组织中脱靶光毒性，响应特定肿瘤微环境（TME）刺激的智能诊疗探针已成为当前光谱学和生物学研究的焦点[9]。TME的一个显著特征是特定内源性生化物的过度产生。例如，谷胱甘肽（GSH）是一种关键的细胞内抗氧化剂，其在癌细胞中的浓度比正常细胞高出数倍，形成了高度还原性环境[10]。同时，硫化氢（H₂S）作为一种新兴的气传因子，在各种实体肿瘤中显著上调，在肿瘤增殖和血管新生中发挥复杂作用[11]。虽然单刺激响应型荧光探针已被广泛开发，但由于肿瘤的异质性，它们经常产生假阳性信号。因此，理性设计一种需要协同"与"逻辑门激活的双刺激响应型分子架构仍然是一项艰巨的挑战，但对于精确光谱追踪和按需干预而言极为迫切。

在本研究中，我们设计并合成了一种新型双TME响应、AIE活性胶束诊疗探针HA-SS-TPEDCH-Th，将高保真光学光谱与可控光动力消融融为一体（方案1）。分子设计巧妙地将合成的H₂S响应型AIE体（TPEDCH-Th）通过GSH可裂解的二硫键（-S-S-）连接子连接到透明质酸（HA）骨架上。HA的引入不仅完美克服了AIE体的固有疏水性，确保优异的生物相容性并防止其在血液循环中过早沉淀，还作为CD44受体的主动靶向配体[12]，该受体在肝癌细胞膜上广泛过表达。

从光物理角度而言，完整的HA-SS-TPEDCH-Th两亲物在水性介质中自组装形成纳米结构，其中特定的分子构象将系统牢固锁定在荧光"关闭"状态，几乎没有光毒性。然而，经靶向内吞进入肿瘤细胞后，探针在GSH和H₂S同时高水平存在下经历级联光谱和结构转变。二硫键的协同裂解和H₂S介导的特异性识别使探针降解，释放疏水性AIE活性核心（TPEDCH）。随后TPEDCH的相分离和原位聚集强力限制其分子内旋转，触发剧烈的"关-开"荧光发射。这种可控聚集态不仅产生高灵敏度荧光信号以精确光谱追踪肿瘤细胞（避免非特异性粘度干扰），还显著提高了系间窜越（ISC）效率。在特定激光照射下，激发的聚集态AIE体促进向周围氧分子的高效电子转移，产生高细胞毒性的活性氧（ROS），能够诱发严重的细胞器功能障碍和细胞消融。

在本工作中，我们全面研究了HA-SS-TPEDCH-Th的结构合成、光物理性质、反应动力学和理论能级机制，以满足分子光谱学的严格要求。为在无系统性体内模型混杂变量情况下验证诊疗效能，我们系统利用人肝癌细胞（HepG2）阐明了精确的细胞内光谱行为、受体介导的细胞摄取、双响应激活以及PDT诱导的细胞死亡。该诊疗策略的稳健性和深层组织穿透能力在高级3D HepG2多细胞肿瘤球体（MCTSs）中得到进一步印证。通过连接精确的分子光物理与多层次2D和3D生物架构，本研究为高度特异、智能光谱诊疗的理性设计提供了新的结构范式。

章节摘要

化学品与试剂

透明质酸（HA，分子量：10 kDa）、谷胱甘肽（GSH）、硫化氢钠（NaHS）、三光气、二甲基亚砜（DMSO）、磷酸盐缓冲液（PBS）、无水二氯甲烷（DCM）以及其他常见的分析级无机盐和生物干扰物购自Energy Chemical。MitoSOX Red和DCFH-DA购自碧云天生物。抗Bax、抗Bcl-xL、抗裂解型PARP和抗GAPDH抗体购自Proteintech集团。

HA-SS-TPEDCH-Th及对照聚合物的制备与表征

HA-Hex-TPEDCH、HA-Hex-TPEDCH-Th和HA-SS-TPEDCH的合成方案与方案S1中描述的HA-SS-TPEDCH-Th类似。具体而言，首先合成并表征了单噻吩取代化合物TPEDCH-Th，通过¹H、¹³C NMR和HR-MS光谱确认（图S1、S2和S3）。然后用荧光团TPEDCH替代TPEDCH-Th合成了聚合物HA-SS-TPEDCH；HA-Hex-TPEDCH-Th以1,6-二羟基己烷作为非反应性连接子制备，而

讨论

在本研究中，肿瘤微环境双响应AIE胶束探针HA-SS-TPEDCH-Th通过温和的两步三光气活化反应成功构建。与需要预活化羟基的传统HA修饰路线相比，该合成方法避免了复杂的预修饰步骤，有效减少了HA链的分子间交联副反应，确保了最终胶束的高合成产率和结构均一性。该探针

结论

总之，一种肿瘤微环境双响应诊疗胶束HA-SS-TPEDCH-Th被成功开发，用于高对比度AIE生物成像和精确光动力治疗。在其透明质酸外壳的驱动下，该纳米平台表现出CD44介导的主动肿瘤归巢，安全包封光敏剂，在生理环境中保持优异的暗态生物相容性和荧光"关闭"状态。细胞内化后，GSH和H₂S的协同过表达

生成式AI和AI辅助技术声明

在本工作准备过程中，作者使用了Gemini 3.1 Pro以提高手稿的可读性和修改语法。此外，作者使用了Nano Banana Pro优化图形，特别是图形摘要、图2A和图7G中呈现的原理示意图。在使用这些工具/服务后，作者密切审查并编辑了修改后的文本和图形，对最终内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

陈雷 | 江珊珊 | 王金辉 | 曹晓京

温州医科大学附属第二医院和育英儿童医院药学部，温州 325088，中国