内容提要
我们设计了一系列半导体聚合物以增强胶质母细胞瘤的可视化和消融效果。通过对苯噻嗪和噻吩基团的侧链或取代基进行精细调控，获得了一种具有高质量荧光性能、良好溶解性、卓越光热转换效率及平衡反应性氧物种生成的NIR-II聚合物发光体。最优聚合物具有支链烷基链和四苯乙烯侧基，以调控辐射能和非辐射能耗通道之间的平衡。采用高灵敏度NIR-II成像监测载脂蛋白E修饰聚合物纳米颗粒的血脑屏障穿透及胶质瘤细胞靶向性。
结果与讨论
聚合物的设计、合成和光物理性质研究
本课题以蝴蝶形非平面PTZ核心作为强供体，具有强电子吸引能力的BBTD单元作为受体基团，而空间位阻较大的邻位烷基化噻吩和3,4-亚乙撑二氧噻吩（EDOT）被连接在BBTD单元旁，作为供体/π-共轭段，从而形成扭曲的主链骨架，有利于AIE特性。在PTZ单元上还引入了线性烷基链和笨重的螺旋形四苯乙烯（TPE），以研究其结构与性能的关系。预计的强D−A效应还有助于促进系间交叉（ISC）过程，从而提高光动力治疗（PDT）效果，合成了三种不同侧链但半导体骨架相同的共轭聚合物（SPs），通过Pd催化的Stille偶联反应分别在单体PTZ和T-BBTD-T之间进行。P1在常见有机溶剂如四氢呋喃（THF）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中的溶解性差，阻碍了其GPC表征，P1在氯仿中具有一定溶解性。由于引入了支链烷基链，P2和P3可溶于常用有机溶剂，如THF、二氯甲烷、甲苯和氯仿，便利了其在生物治疗诊断中的应用。
聚合物P3纳米粒子的制备及其光热/光动力学研究
由于优异的AIE性能，P3成为体外和体内应用的有前景候选材料。自组装的P3纳米颗粒（NPs）平均直径为169.0 nm，在PBS、H2O及胰蛋白酶中能够在5天内保持稳定的分散度。P3 NPs的最大吸收和发射波长分别位于740 nm和1016 nm，并可延伸至1400 nm，使P3 NPs在不同波段滤光片下也能显示出明亮、浓度依赖的NIR-II荧光。此外，P3 NPs能够清晰描绘系统性血管，特别是腹部和后肢血管，表现出清晰成像信号，其信噪比明显高于吲哚菁绿（ICG）。随着时间的推移，纳米颗粒在脑肿瘤区域的分布和积累也能被清晰可视化，进一步证明了P3 NPs高质量的NIR-II成像性能，展现出在原位胶质母细胞瘤监测中的巨大潜力。此外，P3 NPs吸收的光能可以转化为热能，表现出明显的辐照时间和浓度依赖的温度升高。相比纯水在辐照360秒下仅升高6.9°C，浓度为200 μM的P3 NPs温度显著升高35.1°C。可见的热成像进一步确认了含P3 NPs液滴中的显著温度升高。更重要的是，P3 NPs表现出优异的抗光漂白性能，在808 nm激光照射下即使30分钟吸光度变化也微不可察。在五个加热-冷却循环中，P3 NPs的光热行为几乎保持不变，证明了其卓越的光热稳定性，并保证了在进行光热疗法（PTT）过程中持续的热输出。此外，相较于 P1 纳米颗粒光热转换效率 (η) 为 19.8% 及 P2 纳米颗粒光热转换效率为 18.8%，P3 纳米颗粒显示出更高的光热转换能力，其 η 为 20.6%。最后，为验证光能向活性氧 (ROS) 的传递，进一步使用探针 2′,7′-二氯二氢荧光素二乙酸酯 (DCFH-DA) 检测三种聚合物的 ROS 生成情况。比较结果表明，P3 纳米颗粒的 ROS 生成能力优于 P1 纳米颗粒和 P2 纳米颗粒。同时，对 P3 进行的电子自旋共振 (ESR) 测试捕捉到了三种主要 ROS 在照射下的强信号，包括单线态氧、羟基自由基和超氧自由基，显示出明显的近红外 (NIR) 辐射诱导 ROS 生成能力。
聚合物P3纳米粒子的体外诊疗研究
通过合成改性两亲性高分子载体（DSPE-PEG-ApoE），将脑靶向肽（ApoE）64掺入纳米颗粒中。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光谱中检测到与ApoE酰胺基团（C=O、N−H和C−N）振动相关的明显吸收带，提示成功制备了ApoE-P3 NPs。通过Transwell测定对两种纳米颗粒在体外血脑屏障模型中的吸收进行量化显示，与P3 NPs组相比，BBB穿透率增加了3.1倍。共聚焦图像显示，获得的ApoE-P3 NPs在三维肿瘤中的渗透性增强。内吞的ApoE-P3 NPs在未照射条件下也未对293T、HA1800、U87、U251-TR、LO2和Beas-2B细胞显示明显毒性。此外，在200 μM浓度下，ApoE-P3 NPs在照射9分钟后对U251-TR细胞的损伤效率达到86.5%，远高于P3 NPs（30.4%）和TMZ（13.9%）组的细胞损伤几乎可以忽略不计。这些结果表明，ApoE-P3 NPs具有良好的生物相容性以及针对耐药性胶质瘤细胞的高效靶向治疗效果。随后，利用DCFH-DA探针评估了ApoE-P3 NPs的细胞内ROS生成。线粒体是细胞中ROS的主要来源。进一步使用Mito-SOX指示剂测试了线粒体超氧化物。在ApoE-P3 NPs加照射组中，通过共聚焦观察，可以清晰可见两种指示剂的亮荧光，而在其他对照组中荧光信号不明显，显示了其在NIR照射下在U251-TR细胞内的优异ROS生成能力。ApoE-P3 NPs与照射治疗的结合引发了强烈的线粒体氧化，在细胞质中通过特异性荧光探针二氢乙啶（DHE）可观察到超氧阴离子的亮红色荧光。结晶紫实验结果进一步证实了ApoE-P3 NPs在照射条件下对U251-TR细胞的高毒性。流式细胞术分析显示，单独的ApoE-P3 NPs在暗处仅诱导7.30%的细胞死亡，而ApoE-P3 NPs加照射则导致63.68%的细胞死亡，远高于P3 NPs加照射组的6.23%。综上所述，上述结果表明ApoE-P3 NPs具有优越的U251-TR细胞靶向光疗效率，可有效消除耐药性胶质瘤。
聚合物P3纳米粒子的活体诊疗研究
在体内评估之前，首先通过溶血实验优先评估了ApoE-P3纳米颗粒（NPs）的生物安全性。结果验证了，不同浓度（12.5至200 μM）的ApoE-P3 NPs对红细胞的溶血作用可忽略不计。此外，与水处理组呈现碎片化的红细胞相比，各处理组的红细胞形态完好，显示出其优越的生物安全性。随后，开展了体内药代动力学研究，ApoE-P3 NPs和P3 NPs的体内消除半衰期（t1/2,β）分别为2.88小时和0.52小时。P3 NPs组在注射后最初2小时仅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被点亮，并在注射24小时后达到最大积累，体外脑部显现出明显的NIR-II荧光，表明ApoE修饰有效促进了ApoE-P3 NPs在原位U251-TR肿瘤小鼠中的血脑屏障（BBB）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分布相似，肝脏和脾脏中积累明显。高效积累的ApoE-P3 NPs在808 nm光照1分钟后温度迅速升高至44.1°C，高于PBS组（38.1°C）和P3 NPs组（38.2°C），证明其具备高效的靶向光热转换能力。
总结
本研究基于吩噻嗪电子供体核心的侧链工程被系统设计，实现了SPs溶解度和光物理特性的可调控。通过调节噻吩桥及吩噻嗪核心取代基上的不同空间阻扰的侧链，最终获得了最优聚合物P3，其同时具备支化烷基链和TPE单元，展现典型的AIE特性，在聚集态下具有强NIR-II荧光输出、良好的光热转化性能以及可接受的ROS生成能力。P3出色的溶解性促进其自组装为水分散纳米颗粒（P3 NPs），在NIR-II窗口中呈现显著的荧光行为，实现了体内高质量的NIR-II荧光成像（FLI）。此外，通过脑靶向肽（ApoE）修饰纳米颗粒，制备了ApoE-P3 NPs，其具有增强的血脑屏障穿透能力及显著的胶质母细胞瘤细胞靶向能力。因此，ApoE-P3 NPs在NIR-II FLI指导下，用于协同PDT/PTT消除携带原位耐药性胶质母细胞瘤的BALB/c裸鼠模型中显示了卓越的疗效。
参考文献
A Brain-Targeting NIR-II Polymeric Phototheranostic Nanoplatform toward Orthotopic Drug-Resistant Glioblastoma, Xiang Su, Yisheng Liu, Yong Zhong, Ping Shangguan, Junkai Liu, Zhengqun Luo, Cai Qi, Jincheng Guo, Xi Li, Danmin Lin, Gaoyang Wang, Dong Wang, Ting Han, Jiefei Wang, Bingyang Shi, and BenZhong Tang, NonaLett. 2025,25,3445−3454 ， https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c05470
