針對原位耐藥膠質母細胞瘤的腦靶向NIR-II聚合物光療納米平臺

本文要點：膠質母細胞瘤因其高侵襲性和高頻耐藥性成為最常見且最具破壞性的腦腫瘤�；�于聚合物發(fā)光劑的近紅外二區(qū)成像引導光療法雖為耐藥性膠質瘤提供了有前景的治療方案，但難以實現(xiàn)光能利用率最大化。本研究設計了一系列半導體聚合物以增強膠質母細胞瘤的可視化與消融能力。通過精妙調控吩噻嗪和噻吩基團的側鏈或取代基，研究者獲得了兼具優(yōu)質熒光性能、良好溶解性、卓越光熱轉換能力及平衡活性氧生成效率的近紅外二區(qū)聚合物發(fā)光劑。最優(yōu)聚合物采用支化烷基鏈與四苯乙烯懸垂基團，調控輻射能量耗散通道與非輻射能量耗散通道間的平衡。高靈敏度近紅外二區(qū)成像技術成功監(jiān)測了載脂蛋白E修飾聚合物納米粒的血腦屏障穿透及膠質瘤細胞靶向過程。近紅外照射觸發(fā)并最大化了光子在原位耐藥性膠質母細胞瘤的光動力/光熱協(xié)同治療中的利用率。

圖1. 腦靶向載脂蛋白E（ApoE）修飾聚合物納米粒的設計、制備及其對荷原位耐藥膠質母細胞瘤小鼠的協(xié)同光熱和光動力治療

本研究通過側鏈工程開發(fā)了一種基于吩噻嗪(PTZ)的、具有聚集誘導發(fā)光(AIE)特性的近紅外二區(qū)半導體聚合物診療系統(tǒng)，其中PTZ單元作為電子供體核心和振動單元促進聚合物調控(圖1)。通過改變噻吩橋上的空間位阻側鏈和PTZ核的取代基，系統(tǒng)研究了側鏈片段對聚合物溶解度和光物理性能的影響。具有典型AIE特性和優(yōu)異溶劑溶解度的最優(yōu)聚合物(P3)可自組裝為水分散納米顆粒(P3 NPs)，可實現(xiàn)體內高質量近紅外二區(qū)熒光成像。該納米顆粒同時表現(xiàn)出卓越的光穩(wěn)定性、高光熱轉換效率及808nm激光激發(fā)的良好活性氧產(chǎn)出。進一步整合腦靶向載脂蛋白E(ApoE)獲得的ApoE-P3 NPs，顯示出顯著的血腦屏障穿透能力和對耐藥膠質瘤細胞的增強靶向性。出色的近紅外二區(qū)熒光成像導航的協(xié)同光動力/光熱治療，有效消融了原位耐藥膠質母細胞瘤小鼠模型的腫瘤，將生存期從磷酸鹽緩沖液(PBS)組的17天顯著延長至45天。這種精巧的分子設計和成功的近紅外二區(qū)診療策略，為腦疾病和其他耐藥腫瘤建立了強大的診療范式。

三種具有相同半導體骨架但不同側鏈的半導體聚合物（P1-P3，圖2a）分別通過單體PTZ和T-BBTD-T之間的Pd催化Stille偶聯(lián)縮合合成。采用M062X/6-31G(d,p)方法進行了密度泛函理論(DFT)計算，評估簡化模型P1-P3重復單元的電子分布與幾何構型。結果顯示吩噻嗪單元呈蝶形非平面結構，P1、P2、P3中兩苯環(huán)二面角(θ)分別為137.74°、144.17°和149.86°（圖2b）。BBTD核心與噻吩間隔基的二面角范圍為38.43°至52.75°（圖2c），表明其骨架扭曲特征，該構型有利于阻斷分子間相互作用。如圖2d,e所示，P1-P3的最低未占分子軌道(LUMO)電子主要離域于BBTD核心，而最高占據(jù)分子軌道(HOMO)則分布于整個共軛主鏈，揭示了強給體-受體(D-A)結構中的典型電荷分離特性。P1、P2、P3的能隙估值分別為3.14、3.26和3.23 eV。三者最大吸收峰分別位于804 nm、804 nm和712 nm，對應質量消光系數(shù)為17.7、18.4和12.7 L g⁻¹ cm⁻¹，表明其在近紅外窗口具有強吸收能力（圖2f）。此外，P1-P3的光致發(fā)光(PL)光譜在900-1500 nm呈現(xiàn)寬發(fā)射帶（圖2g）。值得注意的是，P1和P2在聚集態(tài)下隨不良溶劑比例增加顯現(xiàn)熒光淬滅，呈現(xiàn)典型聚集導致淬滅(ACQ)特性。而具有大位阻螺旋槳狀四苯乙烯(TPE)基團的P3，在密堆積時有效抑制了鏈內/鏈間π–π堆積，使聚集態(tài)熒光強度提升2.2倍（圖2h），展現(xiàn)優(yōu)異聚集誘導發(fā)光(AIE)特性，為高靈敏度近紅外二區(qū)熒光成像應用奠定基礎。

圖3. P3 NPs的表征

得益于優(yōu)異聚集誘導發(fā)光性能，P3成為體外體內應用的理想候選材料。自組裝P3納米顆粒平均粒徑為169.0納米（圖3a），在磷酸鹽緩沖液、純水和胰蛋白酶溶液中保持5天穩(wěn)定分散（圖3b）。其最大吸收峰與發(fā)射峰分別位于740納米和1016納米，發(fā)射光譜延伸至1400納米（圖3c）。該特性使P3納米顆粒在不同帶通濾光片下仍呈現(xiàn)明亮的濃度依賴性近紅外二區(qū)熒光（圖3d）。此外，P3納米顆�？汕逦�勾勒全身血管系統(tǒng)（尤其是腹部及后肢血管），成像信號顯著優(yōu)于吲哚菁綠（ICG），信噪比明顯提升（圖3e）。納米顆粒在腦腫瘤區(qū)域的實時分布與積累過程被清晰呈現(xiàn)（圖3f），證實P3納米粒子具備高質量近紅外二區(qū)成像能力，在原位膠質母細胞瘤監(jiān)測中展現(xiàn)巨大潛力。光熱性能方面，P3納米顆粒吸收的光能可高效轉化為熱能，其溫升效應呈輻照時間與濃度雙重依賴性（圖3g）。200μM濃度樣品經(jīng)360秒輻照后溫升達35.1°C，遠超純水6.9°C的溫升幅度。熱成像圖直觀顯示含P3液滴的溫度顯著升高（圖3h）。更重要的是，P3納米顆粒具備卓越抗光漂白能力，808納米激光持續(xù)照射30分鐘后吸光度變化可忽略（圖3i），P3納米顆粒光熱轉換效率（η）達20.6%。電子自旋共振譜捕獲到單線態(tài)氧、羥基自由基和超氧自由基的強特征信號（圖3j-l），證實P3納米顆粒近紅外激光觸發(fā)多類型活性氧生成能力。綜上，P3納米顆粒實現(xiàn)了近紅外光能的平衡利用，其分子設計合理，在近紅外二區(qū)成像引導的體內光療領域前景廣闊。

圖4. ApoE-P3 NPs體外實驗

隨后研究者評估了P3納米顆粒的體外診療效率。通過合成修飾型兩親性聚合物載體（DSPE-PEG-ApoE），將腦靶向肽（ApoE）整合至納米顆粒。Transwell實驗定量表明，經(jīng)體外血腦屏障模型傳輸后，ApoE-P3納米顆粒的穿透效率較P3納米顆粒組提升3.1倍（圖4a）。共聚焦圖像證實ApoE-P3納米顆粒在3D腫瘤球體中的滲透性顯著增強（圖4b）。未輻照條件下，內化的ApoE-P3納米顆粒對293T、HA1800、U87、U251-TR、LO2及Beas-2B細胞均無明顯毒性（圖4c）。此外在200 μM濃度下輻照9分鐘，ApoE-P3納米顆粒對U251-TR細胞的殺傷效率達86.5%，遠優(yōu)于P3納米顆粒組（30.4%）和替莫唑胺組（13.9%）的微弱殺傷效果（圖4d,e）。這些結果證實ApoE-P3納米顆粒具備良好的生物相容性，并對耐藥膠質瘤細胞具有高效靶向治療能力。隨后通過DCFH-DA探針評估ApoE-P3納米顆粒的胞內活性氧生成能力。共聚焦觀察顯示，ApoE-P3納米顆粒聯(lián)合輻照組兩種指示劑均呈現(xiàn)明亮熒光，而其他對照組熒光信號微弱，證實其在近紅外照射下能于U251-TR細胞內高效產(chǎn)生活性氧（圖4f,g）。結晶紫染色結果進一步證實ApoE-P3納米顆粒在光照條件下對U251-TR細胞的顯著殺傷作用（圖4h）。流式細胞分析表明：黑暗環(huán)境中單獨ApoE-P3納米顆粒僅誘導7.30%細胞死亡，而光照聯(lián)合組細胞死亡率達63.68%，顯著高于光照下P3納米顆粒組的6.23%（圖4i）。上述結果充分證明ApoE-P3納米顆粒具有優(yōu)異的靶向光療效率，可有效消融耐藥膠質瘤細胞。

圖5. ApoE-P3 NPs體內實驗

接下來，按照圖5a所示流程在荷U251-TR腫瘤小鼠體內進行診療研究。體內藥代動力學研究表明，ApoE-P3納米顆粒與P3納米顆粒的體內消除半衰期（t1/2,β）分別為2.88小時和0.52小時（圖5b）。如圖5c所示，P3納米顆粒組僅在注射后最初2小時內觀察到微弱熒光信號；與之形成鮮明對比的是，注射ApoE-P3納米顆粒1小時后膠質母細胞瘤區(qū)域即呈現(xiàn)顯著熒光，24小時達到最大蓄積量，表明ApoE修飾有效促進了ApoE-P3納米顆粒在原位U251-TR荷瘤小鼠體內的血腦屏障穿透。后續(xù)生物分布結果顯示，兩種納米顆粒在主要臟器中分布相似，且在肝臟和脾臟中均有顯著蓄積（圖5d）。高效蓄積的ApoE-P3納米顆粒經(jīng)808納米輻照1分鐘后，誘導溫度急劇升高至44.1℃（圖5e），該值高于PBS組（38.1℃）和P3納米顆粒組（38.2℃），證實其具備高效的靶向光熱轉換能力。生存曲線分析顯示，ApoE-P3納米顆粒聯(lián)合808納米輻照組生存期延長至45天，顯著優(yōu)于PBS組（17天）、單獨ApoE-P3納米顆粒組（20天）及P3納米顆粒聯(lián)合輻照組（24天），證實ApoE-P3納米顆粒對耐藥膠質瘤具有優(yōu)異的光療效果（圖5f）。整個治療期間各組小鼠體重未見明顯波動（圖5g），表明P3與ApoE-P3納米顆粒副作用輕微。H&E與TUNEL染色分析顯示，相較于其他三組，ApoE-P3納米顆粒聯(lián)合輻照組腫瘤切片呈現(xiàn)顯著縮小的瘤體體積和明顯的腫瘤細胞凋亡（圖5h,i）。綜上結果表明，ApoE-P3納米顆粒具備顯著生物相容性與安全性，對原位U251-TR膠質瘤協(xié)同光動力/光熱治療具有高效性。

參考文獻

Su X, Liu Y, Zhong Y, et al. A Brain-Targeting NIR-II Polymeric Phototheranostic Nanoplatform toward Orthotopic Drug-Resistant Glioblastoma[J]. Nano Letters, 2025, 25(9): 3445-3454.

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