内容提要
本研究提出了一种利用硼-氧（B-O）螯合的超分子工程策略来构建构象锁定的氮杂-BODIPY衍生物（BTA-BDP），该衍生物可自组装成超稳定的J-聚集体。该设计实现了双重突破：1)NIR-II窗口（λem=1014nm）内的荧光量子产率(Φ)为4.37%，超过了NIR-II发射器的典型Φ<1%屏障；2）光热转换效率（PCE）达到创纪录的69.6%，超过大多数有机光热剂（PCE<50%）。强的π-π堆积相互作用和长烷基链的结合可以延长肿瘤保留时间（>344小时），从而实现单剂量给药。在低功率808nm照射（0.4Wcm−2）下，BTA-BDP纳米粒子（NPs）在小鼠模型中诱导快速高温（ΔT=25.9°C）并完全消融肿瘤，并通过组织病理学和多模态成像（NIR-II/光声）进行验证。
结果与讨论
探针的合成与光物理性质研究
目标化合物TA-BDP和BTA-BDP通过战略设计的途径合成，首先通过迈克尔加成构建α,β不饱和酮(3a/3b)。随后的硝化产生中间体4a/4b，其经历分子内酚-氧-氟置换级联以建立aza-BODIPY核心。该合成中的关键步骤是B-O螯合，它限制苯环在3,5位的旋转，从而使aza-BODIPY框架刚性化。这种结构约束通过振动弛豫抑制非辐射能量耗散，并增强分子平面性，从而促进稳定的J聚集体形成，这是优化近红外光学性能的关键设计原则。TA-BDP和BTABDP在THF中的紫外-可见-近红外吸收光谱显示出广泛的吸收曲线，延伸范围超过800 nm。BTA-BDP相对于TA-BDP表现出红移，吸收/发射最大值为829/861nm（斯托克斯位移：32nm），而TA-BDP为789/815nm。聚集体的形成通过0-10°C的THF/H2O混合物中溶剂介导的聚集进行研究。增加水相分数后，BTA-BDP表现出明显的光谱演变：831nm处单体峰的衰减与978nm处J聚集带的出现一致。相比之下，TA-BDP在类似条件下仅表现出适度的红移（789→820nm，强调了联噻吩取代在稳定扩展聚集体中的关键作用。加热至70°C诱导可逆转变为H聚集体，如40%H2O下的吸光最大值（BTA-BDP：707nm；TA-BDP：679nm）的低色偏移所证明。制备TA-BDP和BTA-BDP的水性纳米颗粒以评估其NIR-II生物成像的潜力。BTA-BDPNPs在978nm处表现出惊人的J聚集吸收（THF中的Δλ=+118nm），在1014nm处表现出荧光发射（Φ=4.37%），显着优于TA-BDPNPs。动态光散射（DLS）和透射电子显微镜（TEM）证实了单分散纳米粒子形态，BTA-BDPNPs（103.6nm）表现出比TA-BDPNP（128.3nm）更好的尺寸均匀性。
体外光热性能和荧光成像
我们首先研究了它们在808nm激光照射下的温度动态。实时热成像显示，BTA-BDPNPs(0–30µM)在0.8Wcm−2时出现浓度依赖性温度升高，并选择20µM作为后续研究的最佳剂量。功率密度相关实验(0.4–1.0Wcm−2)证明了激光强度和温升之间的线性关系（R2>0.98）。值得注意的是，BTA-BDPNPs在0.8Wcm−2下实现了31.5°C的最大ΔT，优于TA-BDPNPs(ΔT=31.1°C)和纯水(ΔT=5.2°C)，证实了其卓越的光热转换能力。使用已建立的光热转换效率（PCE）公式进行的定量分析显示，BTA-BDPNPs的光热转换效率为69.6%，而TA-BDPNPs的光热转换效率为52.9%，超过了大多数有机光热剂（通常<50%），并强调了扩展π共轭和有序J聚集体堆积在最大限度地减少非辐射方面的关键作用。重要的是，BTA-BDPNPs表现出显着的光稳定性，在四个连续辐照冷却循环后保持>95%PCE保留，这是重复临床给药而不降低性能的关键特征。为了进一步研究TA-BDP和BTA-BDPNPs的光动力学性质，采用电子自旋共振(ESR)光谱来识别产生的活性氧(ROS)。5,5-二甲基-1-吡咯氧化物(DMPO)和2,2,6,6-四甲基哌啶(TEMP)分别用作O2-·/·OH和1O2的自旋捕获剂。808nm激光照射后，未检测到特征信号：既未观察到DMPO-O2-·/·OH信号，也未观察到TEMP-1O2信号（2,2,6,6四甲基哌啶-1-氧基，TEMPO）。我们还使用ROS检测试剂盒来评估细胞内ROS的产生。在808nm激光照射下，TA-BDP和BTA-BDPNPs组均未观察到绿色荧光。这些结果清楚地表明，TA-BDP和BTA-BDPNPs在光照射下不会产生任何ROS。通过NIR-II荧光成像进一步验证了BTA-BDPNPs的双重功能。在808nm激发下，BTA-BDPNPs在1014nm（NIR-II窗口）处发射，Φ为4.37%，比传统NIR-II发射器（Φ<1%）提高了4倍以上。浓度依赖性成像(0–40µM)表现出线性信号强度（R2>0.98），与在NIR-I状态（λem=860nm）操作的TA-BDPNPs相比，具有更高的信噪比(SNR)和更大的组织穿透深度。
细胞内化动力学和体外细胞毒性概况
为了阐明BTA-BDPNPs的细胞摄取，我们将尼罗红(NR)共同封装为亚细胞跟踪探针。共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)显示，孵育4小时后，HeLa细胞中纳米颗粒的核周定位，DAPI染色的细胞核（蓝色）和NR荧光（红色）之间存在明显的空间隔离，确认细胞质内化，同时避免进入细胞核，这是最大限度减少遗传毒性的关键特征。流式细胞术分析表明，TA-BDP/NRNPs和BTA-BDP/NRNPs的细胞摄取均具有时间依赖性，并且摄取量随着时间的推移而增加。使用CCK-8进行的细胞毒性测定显示在黑暗条件下具有出色的生物相容性，即使在超治疗浓度下也具有>96%的细胞活力（16µM，孵育4小时）。引人注目的是，短暂的近红外辐射（808nm，1.0Wcm−2，3分钟）诱导了近乎完全的HeLa细胞消融（<1%活力）。钙黄绿素AM/PI共染色进一步验证了这种二元开/关细胞毒性：未经处理的对照表现出均匀的绿色荧光（活细胞），而辐照的BTABDPNPs引发普遍的红色荧光（坏死细胞）。PBS+激光对照显示出可忽略不计的细胞毒性（98.2±1.4%活力），证实了光热效应的特异性。
体内多模态成像和光热性能评估
我们采用了HeLa荷瘤小鼠模型来评估光热转换效率和光声成像（PAI）能力。BTA-BDPNPs（20µM，100µL）瘤内给药后，在808nm激光照射（0.8Wcm−2）下监测局部温度动态。值得注意的是，肿瘤区域的温度在10分钟内从32.7°C快速升高至58.6°C（ΔT=25.9°C），超过了不可逆热消融的阈值（>50°C），同时避免了对周围组织的附带损伤。与对照组（PBS：ΔT=3.1°C；TA-BDPNPs：ΔT=18.4°C）形成鲜明对比，强调了BTA-BDPNPs的卓越光热功效，这归因于其优化的J聚集体结构和增强的π共轭。温升与纳米颗粒浓度/激光功率之间的线性相关性进一步验证了对热疗诱导的精确时空控制，这是临床转化的关键特征。为了阐明双模态成像潜力，我们系统地研究了BTA-BDPNPs的PA特性。体外PA信号分析显示浓度依赖性增强，BTA-BDPNPs在20µM时产生的强度比TA-BDPNPs高1.13倍。这种差异是由BTA-BDP中扩展的π共轭引起的，它放大了光吸收和随后的热弹性声波的产生。体内PA成像进一步证明了卓越的肿瘤描绘，捕获注射后48小时内的动态生物分布曲线。PA信号强度在6小时达到峰值，与荧光成像数据（第2.5节）相关，并且在48小时内保持可检测，表明肿瘤保留时间较长。
体内荧光成像
BTA-BDPNP出色的荧光量子产率(4.37%)和近红外吸收曲线可实现高保真体内成像和实时跟踪肿瘤保留动态。为了系统地评估它们的生物分布，在尾静脉给药后对荷瘤小鼠进行全身荧光成像。时间分辨成像显示BTA-BDPNPs快速全身传播，1.2秒内观察到胸腔循环，6秒内观察到全身分布。值得注意的是，持续的荧光信号持续了183秒，证明了卓越的循环稳定性，这是精确引导治疗的一个关键特征。对沿血管横截面的强度进行定量分析，并对腹部和腿部血管进行高斯拟合，结果显示在1000nmLP滤波器下，腹部血管的半峰全宽（FWHM）仅为0.29mm，而腿部血管的半峰全宽为0.42mm。此外，当滤光片波长进一步增加到1300nmLP时，腹部血管的半峰宽增加了0.03毫米（至0.32毫米），腿部血管的半峰宽增加了0.04毫米（至0.46毫米）。值得注意的是，即使在极低的激发功率（12mWcm−2）下，血管信号仍然可检测到，这突显了BTABDPNPs优异的荧光量子产率和深部组织成像潜力。比较分析显示，与TA-BDP对照相比，BTA-BDPNPs在肿瘤位点产生的荧光信号强1.97倍，从而能够实时监测其他疾病进展。药代动力学分析确定了注射后6小时肿瘤累积峰值，与光热干预的最佳治疗窗口相一致。纵向跟踪检测到344小时内持续的肿瘤信号，这是有机纳米粒子报道的最长保留时间，支持单剂量治疗范例，同时减轻多药耐药风险。
体内抗肿瘤治疗
为了评估肿瘤微环境(TME)内的治疗效果，在808nm照射(0.8Wcm−2)下用BTA-BDPNPs处理HeLa异种移植模型。携带肿瘤的小鼠被随机分为六个组（每组n=6-8）：I)对照组（仅接受PBS）；II)对照组+激光；III)TA-BDPNPs组；IV)TA-BDPNPs+激光组；V.BTA-BDPNPs组；六．BTA-BDPNP+激光组。每72小时静脉注射一次药物，注射后6小时用808nm激光(0.8Wcm−2)照射小鼠，并进行纵向肿瘤体积测量和摄影记录以量化治疗结果。引人注目的是，接受光热治疗的队列（IV组和VI组）表现出肿瘤快速消退，与未照射组（I、III、V组）的进展性生长形成鲜明对比。值得注意的是，BTA-BDPNPs+激光（第IV组）组表现出最显着的治疗效果，一些小鼠甚至在第24天时表现出肿瘤完全消失，与TA-BDPNPs+激光（第IV组）相比显示出更优异的疗效。
结论
本研究介绍了BTA-BDPNPs作为变革性光治疗平台，将超稳定J聚集体工程与双模态NIR-II成像和高效光热疗法(PTT)相结合。通过利用硼-氧(B-O)螯合来硬化aza-BODIPY核心并稳定J-aggregates，我们实现了前所未有的双重功能：NIR-II窗口中的Φ为4.37%（λem=1014nm），PCE达到创纪录的69.6%。这些指标解决了癌症治疗诊断学中长期存在的荧光光热权衡问题。BTA-BDPNPs的治疗功效通过小鼠模型中的多模态成像（NIR-II/光声）和组织病理学得到验证，证明肿瘤完全根除且无复发。我们的方案通过将激光功率降低50%并将给药频率减半，同时保持治疗效果，从而解决累积毒性和基础设施限制等挑战，从而最大限度地减少临床障碍。
参考文献
Boron–Oxygen Chelation‐Enabled Aza‐BODIPY J‐Aggregates: NIR‐II Imaging and Photothermal Therapy for Single‐Dose Tumor Ablation, Yu, Yanlu, Yanfen Wang, Baixuan Wu, Qiqi Yu, Jingtao Ye, Yaofeng Chen, Jun Qian, Yang Li, and Shouchun Yin， Small, 2025, 21, 2504607. https://doi.org/10.1002/smll.202504607.
