硼氧螯合的Aza-BODIPY J-聚集體：NIR-II成像和單劑量腫瘤光熱治療
本文要點：將高性能近紅外二區(qū)（NIR-II，900-1880 nm）熒光成像與高效光熱治療（PTT）集成于單一納米平臺，仍是癌癥診療學領域的一項重大挑戰(zhàn)。本研究提出了一種基于硼-氧（B-O）螯合的超分子工程策略，成功構建了構象鎖定的aza-BODIPY衍生物（BTA-BDP），其可自組裝形成超穩(wěn)定J聚集體。該設計實現(xiàn)了雙重突破：1）在NIR-II窗口（λem = 1014 nm）獲得4.37%的熒光量子產(chǎn)率（Φ），突破了NIR-II發(fā)射體通常Φ < 1%的限制；2）創(chuàng)紀錄地達到69.6%的光熱轉換效率（PCE），超越多數(shù)有機光熱劑（PCE < 50%）。分子動力學模擬和藥代動力學研究表明，強π-π堆積相互作用與長烷基鏈的結合可延長腫瘤滯留時間（>344小時），實現(xiàn)單次給藥治療。在低功率808 nm輻照（0.4 W cm-2）下，BTA-BDP納米顆粒（NPs）能迅速引發(fā)高熱效應（ΔT = 25.9 °C），并在小鼠模型中實現(xiàn)腫瘤完全消融，這一效果通過組織病理學和多模態(tài)成像（NIR-II/光聲）得到驗證。該研究解決了熒光-光熱性能難以兼顧的難題，為精準癌癥納米醫(yī)學建立了超分子設計藍圖，從而在分子工程與臨床轉化之間架起了橋梁。
圖1. 多模式成像指導下用于腫瘤光熱治療的BTA-BDP NPs示意圖
本文提出了一種基于硼-氧（B-O）螯合的超分子工程策略，成功構建了構象鎖定的氮雜-BODIPY衍生物（BTA-BDP），其可自組裝形成具有突破性診療性能的超穩(wěn)定J聚集體。通過小鼠模型的多模態(tài)成像（NIR-II/光聲）和組織病理學驗證，該平臺展現(xiàn)出完全抑制腫瘤且無復發(fā)的療效（圖1）。本研究通過解決熒光-光熱性能權衡問題并建立結構-滯留-活性關系，為設計具有臨床轉化潛力的新一代光熱診療劑提供了藍圖。
圖2. TA-BDP 和 BTA-BDP的表征
TA-BDP和BTA-BDP在THF中的紫外-可見-近紅外吸收光譜顯示出延伸至800 nm以上的寬吸收譜帶。相較于TA-BDP，BTA-BDP表現(xiàn)出紅移現(xiàn)象，其吸收/發(fā)射峰位于829/861 nm（斯托克斯位移：32 nm），而TA-BDP的吸收/發(fā)射峰為789/815 nm（圖2a）。基于基態(tài)優(yōu)化幾何構型的密度泛函理論（DFT）計算揭示了這一紅移的電子起源（圖2b）。BTA-BDP中聯(lián)噻吩延伸的共軛體系將HOMO-LUMO能隙縮小至1.679 eV（TA-BDP為1.830 eV），與其增強的近紅外吸收特性一致。這些結果驗證了近期關于π擴展氮雜-BODIPY體系中前線軌道能量與光學帶隙相關性的研究。
通過THF/H2O混合溶劑在0-10°C下的介導聚集研究了J聚集體的形成。隨著水相比例增加，BTA-BDP表現(xiàn)出顯著的光譜演變：831 nm處的單體峰衰減與978 nm處J聚集體吸收帶的出現(xiàn)同步發(fā)生（圖2c）。相比之下，TA-BDP在相同條件下僅顯示輕微紅移（789→820 nm，圖2e），凸顯了聯(lián)噻吩取代對穩(wěn)定擴展聚集體的關鍵作用。加熱至70°C可逆地轉變?yōu)镠聚集體，表現(xiàn)為40%水含量時吸收峰藍移（BTA-BDP：707 nm；TA-BDP：679 nm，圖2d-f）。通過吉布斯自由能（ΔG = ΔH - TΔS）的熱力學分析表明，J聚集在低溫下為焓驅(qū)動過程（ΔH < 0），而高溫時熵增優(yōu)勢（TΔS主導）促使H聚集體形成。
為評估NIR-II生物成像潛力，制備了TA-BDP和BTA-BDP的水相納米顆粒。BTA-BDP NPs在978 nm處顯示出顯著的J聚集體吸收（較THF中紅移118 nm）及1014 nm處熒光發(fā)射（Φ=4.37%），性能顯著優(yōu)于TA-BDP NPs（圖2i-j）。動態(tài)光散射（DLS）和透射電鏡（TEM）證實了單分散NP形貌，其中BTA-BDP NPs（103.6 nm）的尺寸均一性優(yōu)于TA-BDP NPs（128.3 nm）（圖2i-j）。這種150 nm以下的尺寸通過增強滲透滯留效應（EPR）對被動腫瘤靶向至關重要，使BTA-BDP NPs成為診療一體化應用的理想平臺。
圖4. 細胞內(nèi)化動力學與體外細胞毒性實驗
為闡明BTA-BDP NPs的細胞攝取機制，研究者共包裹尼羅紅（NR）作為亞細胞追蹤探針。共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）顯示，HeLa細胞孵育4小時后，NPs呈現(xiàn)核周定位，DAPI染色的細胞核（藍色）與NR熒光（紅色）存在明顯空間分離，證實了細胞質(zhì)內(nèi)化且避免進入細胞核——這一關鍵特性可最大限度降低基因毒性（圖4a）。流式細胞術33分析表明，TA-BDP/NR NPs和BTA-BDP/NR NPs的細胞攝取均呈時間依賴性，隨孵育時間延長而增加（圖4b）。CCK-8細胞毒性試驗顯示其在黑暗條件下具有優(yōu)異的生物相容性，即使超治療濃度（16 µM，孵育4小時）下細胞存活率仍>96%（圖4c）。值得注意的是，短暫近紅外照射（808 nm，1.0 W cm−2，3分鐘）即可誘導HeLa細胞近乎完全消融（存活率<1%，圖4d）。Calcein AM/PI雙染進一步驗證了這種"開/關"式二元細胞毒性：未處理對照組顯示均勻綠色熒光（活細胞），而經(jīng)照射的BTA-BDP NPs引發(fā)廣泛紅色熒光（壞死細胞，圖4e）。PBS+激光對照組細胞毒性可忽略（存活率98.2±1.4%），證實了光熱效應的特異性。這些結果確立了BTA-BDP NPs作為兼具卓越安全性和療效的精準治療劑地位。
圖5. 體內(nèi)多模態(tài)成像與光熱性能評價
為全面評估BTA-BDP NPs的體內(nèi)診療性能，研究者采用HeLa荷瘤小鼠模型對其光熱轉換效率及光聲成像（PAI）能力進行系統(tǒng)研究。瘤內(nèi)注射BTA-BDP NPs（20 µM，100 µL）后，在808 nm激光照射（0.8 W cm−2）下監(jiān)測局部溫度動態(tài)變化。值得注意的是，腫瘤區(qū)域溫度在10分鐘內(nèi)從32.7°C迅速升至58.6°C（ΔT=25.9°C）（圖5a,b），不僅超過不可逆熱消融閾值（>50°C），同時避免了對周圍組織的附帶損傷。這種顯著差異（PBS對照組：ΔT=3.1°C；TA-BDP NPs組：ΔT=18.4°C）凸顯了BTA-BDP NPs卓越的光熱效應，歸因于其優(yōu)化的J聚集體結構和增強的π共軛體系。升溫幅度與納米顆粒濃度/激光功率的線性相關性進一步驗證了熱誘導過程的精準時空控制——這是臨床轉化的重要特性。
BTA-BDP NPs體外PA信號分析顯示濃度依賴性增強，20 µM濃度下BTA-BDP NPs的信號強度較TA-BDP NPs提高1.13倍（圖5c），這源于BTA-BDP擴展π共軛體系對光吸收及熱彈性聲波產(chǎn)生的增強作用。體內(nèi)PA成像進一步展現(xiàn)優(yōu)異的腫瘤勾勒能力，清晰記錄了注射后48小時內(nèi)的動態(tài)生物分布（圖5d-e）。PA信號強度在6小時達到峰值（熒光成像數(shù)據(jù)吻合），并可持續(xù)檢測至48小時，表明其在腫瘤中的長效滯留。特別值得注意的是，BTA-BDP NPs較小的流體力學直徑（103.6 nm vs TA-BDP NPs的128.3 nm，圖2i-j）通過EPR效應增強被動靶向性，其腫瘤-背景對比度較TA-BDP對照組提高1.19倍。
光熱治療與PA成像的協(xié)同整合不僅驗證了BTA-BDP NPs的結構優(yōu)勢，更為實時治療監(jiān)測建立了可靠框架。溫度-PA信號相關性（圖5b,d）提供雙參數(shù)反饋機制，可精準校準照射參數(shù)以最小化脫靶效應。這些發(fā)現(xiàn)共同確立了BTA-BDP NPs作為多功能診療平臺的潛力，在單一納米醫(yī)學范式下實現(xiàn)了高保真診斷成像與可控光熱消融的有機統(tǒng)一。
圖6. 小鼠腹部和腿部血管成像
為評估BTA-BDP NPs的體內(nèi)熒光成像性能，采用不同長通濾光片（1000 nm LP–1300 nm LP）和激光功率密度（12–181 mW cm−2）對小鼠血管系統(tǒng)進行熒光成像。使用1000 nm LP濾光片時，可清晰觀測小鼠腹部區(qū)域不同粗細血管及下肢血管網(wǎng)絡。隨著濾光片截止波長增加，雖然血管內(nèi)探針亮度逐漸降低，但在1100 nm LP、1200 nm LP和1300 nm LP條件下仍能檢測到血管信號（圖6a,b）。這些結果凸顯了BTA-BDP NPs卓越的NIR-II發(fā)光特性，提示其可通過血管成像評估抗腫瘤藥物對腫瘤血管生成的影響，為腫瘤治療提供新思路。通過血管橫截面強度定量分析及高斯擬合顯示：在1000 nm LP濾光片下，腹部血管半峰寬僅0.29 mm，下肢血管為0.42 mm；當濾光片波長提升至1300 nm LP時，腹部與下肢血管半峰寬分別僅增加0.03 mm（至0.32 mm）和0.04 mm（至0.46 mm）（圖6c,d）。值得注意的是，即使在極低激發(fā)功率（12 mW cm−2，圖6e）下仍能檢測血管信號，證實了BTA-BDP NPs優(yōu)異的熒光量子產(chǎn)率和深組織成像潛力。
圖7. BTA-BDP NPs荷瘤小鼠研究和分子模擬
對比分析顯示，BTA-BDP NPs在腫瘤部位產(chǎn)生的熒光信號強度是TA-BDP對照組的1.97倍，可實現(xiàn)治療進程的實時監(jiān)控。藥代動力學分析表明腫瘤積累峰值出現(xiàn)在注射后6小時（圖7a-d），與光熱治療最佳時間窗高度吻合。長達344小時的縱向追蹤檢測到持續(xù)腫瘤信號——這是有機納米顆粒報道中最長的滯留時間，為單劑量治療方案提供支持的同時降低了多藥耐藥風險。
圖8. 小鼠NIR-II熒光成像
分子動力學模擬揭示了滯留動力學機制（圖7e-g）：首先，徑向分布函數(shù)[g(r)]分析顯示BTA-BDP具有更強的π-π堆積作用（4 Å處第一配位峰：BTA-BDP 1.588 vs TA-BDP 1.338），與實驗滯留數(shù)據(jù)相互印證。這種增強作用可能源于BTA-BDP分子中引入的雙噻吩基團，其不僅能強化分子間堆疊作用，還可能影響分子整體電子結構進而優(yōu)化光物理性質(zhì)。其次，與缺乏烷基鏈的A-BDP類似物相比（圖8a,b），TA-BDP NPs的烷基鏈延緩了肝臟清除速率。兩組系統(tǒng)均呈現(xiàn)時間依賴性生物分布（熒光峰值出現(xiàn)在12小時），但峰值后清除模式顯著不同：TA-BDP NPs代謝速率明顯慢于A-BDP。器官特異性成像（圖8c）證實烷基化NPs在肝臟具有優(yōu)先滯留性（TA-BDP肝臟信號在48小時為A-BDP的1.18倍），這與疏水作用延緩代謝過程的機制一致。這種結構-功能關系在無腫瘤模型中進一步驗證——非烷基化A-BDP NPs在達到積累峰值前即出現(xiàn)信號過早衰減。這些發(fā)現(xiàn)確立了π-π相互作用與疏水性協(xié)同的滯留策略，為納米顆粒生物分布的時空控制及解決持續(xù)給藥臨床難題提供了新方案。
圖9. 體內(nèi)抗腫瘤療效及生物相容性實驗
為評估腫瘤微環(huán)境（TME）中的治療效果，采用808 nm激光（0.8 W cm−2）照射下BTA-BDP NPs處理的HeLa異種移植模型。荷瘤小鼠隨機分為六組（每組6-8只）：I) PBS對照組；II) PBS+激光對照組；III) TA-BDP NPs組；IV) TA-BDP NPs+激光組；V) BTA-BDP NPs組；VI) BTA-BDP NPs+激光組。每72小時靜脈給藥一次，注射后6小時進行808 nm激光（0.8 W cm−2）照射，并通過腫瘤體積縱向測量和影像記錄量化治療效果（圖9a）。引人注目的是，接受光熱治療的IV組和VI組表現(xiàn)出快速腫瘤消退，而未照射組（I、III、V組）則呈現(xiàn)進行性生長。其中BTA-BDP NPs+激光組（VI組）療效最為顯著，部分小鼠在第24天甚至出現(xiàn)腫瘤完全消失，療效顯著優(yōu)于TA-BDP NPs+激光組（IV組）。這種增強效果可能源于BTA-BDP NPs優(yōu)化的生物分布和腫瘤靶向能力，此前的藥代動力學研究已證實這一點。
通過H&E染色和Ki67染色評估腫瘤組織學變化發(fā)現(xiàn)：BTA-BDP NPs+激光組的腫瘤組織呈現(xiàn)明顯收縮、間質(zhì)增寬及顯著的核固縮碎裂，這些組織學改變表明腫瘤組織受到嚴重損傷（圖9c）。Ki-67染色顯示治療后增殖細胞數(shù)量顯著減少，進一步證實BTA-BDP NPs介導的光熱治療對腫瘤細胞增殖的強效抑制作用。值得注意的是，所有組別均未觀察到顯著體重波動或行為異常（圖9b），驗證了制劑良好的生物相容性。血液學分析（ALT、AST、BUN、肌酐均在生理范圍內(nèi)）及器官組織病理學檢查（組織結構完整，無壞死或炎）證實了系統(tǒng)性安全性。這些發(fā)現(xiàn)共同驗證了BTA-BDP NPs作為精準治療平臺兼具卓越腫瘤消融能力和極低脫靶毒性的優(yōu)勢。
本研究提出BTA-BDP NPs作為一種變革性光診療平臺，通過超穩(wěn)定J聚集體工程學與雙模態(tài)NIR-II成像及高效光熱治療（PTT）的協(xié)同作用實現(xiàn)突破。基于硼-氧（B-O）螯合作用剛性化氮雜-BODIPY核并穩(wěn)定J聚集體，研究者實現(xiàn)了前所未有的雙重功能：在NIR-II窗口（λem=1014 nm）獲得4.37%的量子產(chǎn)率（Φ），以及創(chuàng)紀錄的69.6%光熱轉換效率（PCE），這一突破性進展成功解決了癌癥診療領域長期存在的熒光-光熱性能權衡難題。分子動力學模擬與藥代動力學分析進一步揭示，烷基鏈調(diào)控的π-π堆疊作用可延長系統(tǒng)循環(huán)時間與腫瘤滯留性，從而在低功率808 nm激光照射（0.4 W cm−2）下實現(xiàn)單劑量腫瘤消融。通過小鼠模型的多模態(tài)成像（NIR-II/光聲）與組織病理學驗證，BTA-BDP NPs展現(xiàn)出完全消除腫瘤且無復發(fā)的治療效果。其臨床轉化價值尤為突出：在保持療效的前提下，激光功率降低50%、給藥頻率減半，有效解決了累積毒性和醫(yī)療設施限制等臨床痛點。機制研究表明，該療法通過高熱驅(qū)動壞死（ΔT=25.9°C）和抗增殖效應誘導腫瘤不可逆損傷。因此，BTA-BDP NPs為精準腫瘤學提供了多功能技術藍圖。未來研究將探索與免疫治療的聯(lián)合方案以增強免疫原性細胞死亡，并整合AI驅(qū)動成像系統(tǒng)實現(xiàn)實時治療反饋。該研究不僅推進了超分子設計原理，更為構建節(jié)能高效、以患者為中心的臨床治療體系建立了可轉化框架。
參考文獻
Yu, Yanlu, et al. "Boron–Oxygen Chelation‐Enabled Aza‐BODIPY J‐Aggregates: NIR‐II Imaging and Photothermal Therapy for Single‐Dose Tumor Ablation." Small (2025): 2504607.
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