内容提要
本研究设计了一系列半导体聚合物，以增强对胶质母细胞瘤的可视化和消融效果。通过巧妙地设计吩噻嗪和噻吩部分的侧链或取代基，制备出一种具有高质量荧光性能、良好溶解性、优异光热转换能力和均衡活性氧生成能力的近红外二区聚合物发光团。优化后的聚合物含有支链烷基链和四苯乙烯侧基，可调控辐射和非辐射能量耗散通道之间的平衡。利用高灵敏度的近红外二区成像技术，监测载脂蛋白E修饰的聚合物纳米颗粒对血脑屏障的穿透能力以及对胶质瘤细胞的靶向作用。
我们合理设计并构建了三种半导体聚合物，它们以苯并 [1,2-c:4,5-c'] 双（[1,2,5] 噻二唑）（BBTD）作为强电子受体，以噻吩基片段作为供体π桥。通过改变噻吩桥上具有不同空间位阻的侧链以及 PTZ 核心的取代基，研究了侧链片段对半导体聚合物溶解度和光物理性能的影响。优化后的聚合物（P3）具有典型的 AIE 特性，在常见溶剂中溶解性良好，可自组装形成水分散性纳米颗粒（P3 NPs）。P3 NPs 在近红外二区展现出卓越的荧光特性，能够实现体内高质量的近红外二区荧光成像（NIR-II FLI）。同时，P3 NPs 具有出色的光稳定性、高光热转换性能，在 808nm 激光激发下能产生大量活性氧（ROS）。随后，引入脑靶向的载脂蛋白 E（ApoE），制备得到 ApoE 修饰的 P3 NPs（ApoE-P3 NPs），其表现出显著的血脑屏障穿透能力以及对耐药性胶质瘤细胞增强的靶向性。出色的近红外二区荧光成像引导的光动力/光热协同治疗（PDT/PTT），在原位耐药性胶质母细胞瘤小鼠模型中实现了高效的肿瘤消融。
在此研究中，蝶形非平面的吩噻嗪（PTZ）核心作为强电子供体，具有强吸电子能力的苯并 [1,2 - c:4,5 - c'] 双（[1,2,5] 噻二唑）（BBTD）单元作为电子受体部分，空间位阻较大的邻位烷基化噻吩和 3,4 - 乙撑二氧噻吩（EDOT）连接在 BBTD 单元附近，作为供体 /π 共轭片段，形成了扭曲的主链骨架，有利于实现 AIE 特性。此外，在 PTZ 单元上引入直链烷基和庞大的螺旋桨状四苯乙烯（TPE），预期的强 D - A 效应也有利于促进系间窜越（ISC）过程，从而推动光动力治疗（PDT）方案的实施。因此，通过单体 PTZ 和 T - BBTD - T 之间的钯催化 Stille 偶联缩合反应，分别合成了三种具有相同半导体骨架但侧链不同的半导体聚合物（P1 - P3）。P2 和 P3 的重均分子量分别为 9400 g/mol 和 15500 g/mol，且多分散指数较窄。由于引入了支链烷基链，P2 和 P3 可溶于常用的有机溶剂。
自组装的 P3 纳米颗粒（P3 NPs）平均直径约为 169.0nm，在磷酸盐缓冲液（PBS）、水和胰蛋白酶溶液中放置 5 天仍能保持稳定的分散性。P3 NPs 的最大吸收峰和发射峰分别位于 740nm 和 1016nm，且发射光谱延伸至 1400nm。这使得 P3 NPs 即使在不同的带通滤波器下，也能呈现出明亮的、与浓度相关的近红外二区（NIR-II）荧光。P3 NPs 能够清晰显示全身血管系统，尤其是腹部和后肢血管呈现出清晰的成像信号，其信噪比显著高于吲哚菁绿（ICG）。通过成像可以清楚地观察到纳米颗粒在脑肿瘤区域随时间的分布和积累情况，这证实了 P3 NPs 具有高质量的 NIR-II 成像性能，在原位胶质母细胞瘤监测方面展现出巨大潜力。P3 NPs 吸收的光能可转化为热能，表现出明显的与照射时间和浓度相关的温度升高现象。照射 360 秒后，纯水温度仅升高 6.9°C，而浓度为 200μM 的 P3 NPs 溶液温度则显著升高 35.1°C。热成像图进一步证实了含有 P3 NPs 的液滴温度明显升高。更重要的是，P3 NPs 具有出色的抗光漂白性能，即使在 808nm 激光照射 30 分钟后，其吸光度变化也难以察觉。并且，P3 NPs 在五个加热 - 冷却循环过程中，光热性能几乎没有变化，这证明了其卓越的光热稳定性，确保了在光热治疗（PTT）过程中能够持续输出热量。此外，与 P1 NPs 的光热转换效率（η）19.8% 和 P2 NPs 的 18.8% 相比，P3 NPs 的光热转换效率更高，达到 20.6%。为了验证光能是否转化为活性氧（ROS），使用 2',7'- 二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）探针检测三种聚合物产生 ROS 的情况。对比发现，P3 NPs 产生 ROS 的能力优于 P1 NPs 和 P2 NPs。对 P3 进行的电子自旋共振（ESR）测试捕获到了在近红外光照射下三种主要 ROS（单线态氧、羟基自由基和超氧自由基）的强信号，这表明 P3 NPs 在近红外光照射下具有显著的 ROS 生成能力。
我们评估了 P3 纳米颗粒（P3 NPs）的体外诊疗效率。通过合成一种修饰的两亲性聚合物载体（DSPE-PEG-ApoE），将脑靶向肽（ApoE）整合到纳米颗粒中 。与由 DSPE-PEG 组成的 P3 NPs 的傅里叶变换红外光谱（FT-IR）相比，在 ApoE-P3 NPs 的 FT-IR 光谱中检测到了与 ApoE 酰胺基团（C=O-H 和 C-N）振动相关的明显吸收带，这表明成功制备了 ApoE-P3 NPs。通过 Transwell 实验对两种纳米颗粒穿透体外血脑屏障（BBB）模型的吸收定量分析表明，与 P3 NPs 组相比，ApoE-P3 NPs 的 BBB 穿透率提高了 3.1 倍。共聚焦图像显示，与 P3 NPs 相比，制备得到的 ApoE-P3 NPs 在 3D 肿瘤球中的渗透性增强。在未照射的情况下，内化的 ApoE-P3 NPs 对 293T、HA1800、U87、U251-TR、LO2 和 Beas-2B 细胞也没有明显的毒性（。此外，在 200μM 浓度下照射 9 分钟，ApoE-P3 NPs 对 U251-TR 细胞的损伤效率高达 86.5%，远高于 P3 NPs 组（30.4%）和替莫唑胺（TMZ）组（13.9%）可忽略不计的细胞损伤，这些结果表明，ApoE-P3 NPs 具有良好的生物相容性，对耐药性胶质瘤细胞具有高效的靶向治疗效果。使用 DCFH-DA 探针评估 ApoE-P3 NPs 在细胞内产生活性氧（ROS）的情况。线粒体是细胞内 ROS 的主要来源。利用 Mito-SOX 指示剂进一步检测线粒体超氧化物。在 ApoE-P3 NPs 加照射组中，通过共聚焦观察可以看到两种指示剂都发出明亮的荧光，而在其他对照组中荧光信号不明显，这表明在近红外照射下，ApoE-P3 NPs 在 U251TR 细胞内具有良好的 ROS 生成性能。ApoE-P3 NPs 与照射处理相结合，使用针对超氧阴离子的特异性荧光探针二氢乙啶（DHE），引发了强烈的线粒体氧化，表现为细胞质中出现明亮的红色荧光。结晶紫实验结果进一步证实了照射下 ApoE-P3 NPs 对 U251-TR 细胞具有很强的毒性。流式细胞术分析表明，在黑暗条件下，单独的 ApoE-P3 NPs 仅诱导 7.30% 的细胞死亡，而 ApoE-P3 NPs 照射组导致 63.68% 的细胞死亡，远高于 P3 NPs 照射组的 6.23%。上述结果表明 ApoE-P3 NPs 对 U251-TR 细胞具有卓越的靶向光疗效率，能够有效消融耐药性胶质瘤。
在携带 U251-TR 肿瘤的小鼠体内进行诊疗实验。在进行体内评估之前，优先通过溶血实验评估 ApoE-P3 NPs 的生物安全性。结果证实，浓度在 12.5 - 200 μM 范围内的 ApoE-P3 NPs 对红细胞的溶血作用微乎其微。此外，与水对照组中破碎的红细胞相比，所有处理组的红细胞形态完整，这表明 ApoE-P3 NPs 具有优异的生物安全性。对其体内药代动力学进行了探究，计算得出 ApoE-P3 NPs 和 P3 NPs 的体内消除半衰期分别为 2.88 小时和 0.52 小时。P3 NPs 组在注射后的最初 2 小时内只能观察到微弱的荧光信号。相比之下，注射 ApoE-P3 NPs 1 小时后，胶质母细胞瘤区域明显发光，注射 24 小时后达到最大积累，且离体大脑显示出明显的近红外二区荧光，这表明 ApoE 修饰有效地促进了 ApoE-P3 NPs 在原位 U251-TR 荷瘤小鼠中的血脑屏障穿透能力。随后的生物分布结果显示，两种纳米颗粒在主要器官中的生物分布相似，在肝脏和脾脏中均观察到显著积累。高效积累的 ApoE-P3 NPs 在 808nm 激光照射 1 分钟后，温度急剧升高至 44.1°C，高于 PBS 组（38.1°C）和 P3 NPs 组（38.2°C），证明了其高效的靶向光热转换能力。每 2 天进行一次注射和光疗循环（共 4 次）后，通过监测小鼠的存活率来评估光疗的杀瘤效率。生存曲线分析显示，ApoE - P3 NPs 联合 808nm 激光照射使小鼠的生存期显著延长至 45 天，明显优于 PBS 组（17 天）、ApoE - P3 NPs 组（20 天）以及 P3 NPs 联合激光照射组（24 天），这反映出 ApoE - P3 NPs 对耐药性胶质瘤具有出色的光疗效果。
总结
在本研究中，基于吩噻嗪电子供体核心进行了侧链工程设计，实现了对半导体聚合物（SPs）溶解性和光物理特性的可调控。通过调节噻吩桥上具有不同空间位阻的侧链以及吩噻嗪核心的取代基，获得了同时含有支链烷基链和四苯乙烯（TPE）片段的优化聚合物 P3 。P3 具有典型的聚集诱导发光（AIE）特性，在聚集态下能产生强烈的近红外二区（NIR-II）荧光输出，具备良好的光热转换能力和可接受的活性氧（ROS）生成能力。P3 优异的溶解性使其易于自组装形成水分散性纳米颗粒（P3 NPs），在近红外二区窗口展现出卓越的荧光性能，能够实现体内高质量的近红外二区荧光成像（NIR-II FLI）。
参考文献
A Brain-TargetingNIR-IIPolymericPhototheranosticNanoplatform towardOrthotopicDrug-ResistantGlioblastoma，XiangSu,YishengLiu,YongZhong,PingShangguan,JunkaiLiu,ZhengqunLuo,CaiQi,JinchengGuo,XiLi,DanminLin,GaoyangWang,DongWang,TingHan,*JiefeiWang,*BingyangShi,*andBenZhongTang*，Nano Lett. 2025, 25, 3445−3454，
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05470
