内容提要
在本研究中，我们引入了一种新的方法来增强放射性核素激活的放射-光动力疗法，该方法利用由镧系纳米粒子和聚集诱导发射光敏剂（AIE PS）组成的杂化纳米粒子系统，命名为 LnNP-TQ NPs。该系统使镧系纳米粒子能够优化放射性核素的衰变能量，通过三重态能量转移（TET）介导的过程有效地敏化 AIE PS，其效率接近 100%。当由临床放射性核素 ¹⁸F 激活用于正电子发射断层扫描成像时，LnNP-TQ NPs 通过有效生成单线态氧（¹O₂）显著抑制了肿瘤生长。
镧系纳米粒子的制备与表征
采用成熟的热注入技术合成了均一的镧系纳米粒子（LnNPs）。NaGdF₄纳米晶体的平均尺寸约为 10 nm。LnNPs 的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像进一步显示，其晶格间距约为0.115 nm，对应于立方相NaGdF₄的（111）晶面，并对这些光物理性质进行了系统表征。LnNPs 在 617 nm 处的主要发射峰主要源于掺杂的 Eu³⁺离子通过⁵D₀→⁷F₂跃迁的有效跃迁。尽管用惰性壳层包覆 LnNPs 可以减少表面猝灭效应，从而增加荧光发射强度，并可能在传统的荧光共振能量转移（FRET）方法中增加 ROS 的产生，但在三重态能量转移（TET）方法中应用惰性壳层会显著降低能量转移效率，进而削弱 ROS 的生成。为了比较和验证能量转移途径，采用逐层生长协议合成了核-壳结构的 Lu-LnNPs。Lu-LnNPs 表现出约 20 nm 的均匀尺寸分布，0.130 nm 的晶格间距证实了合成的准确性。EDS 分析显示，Lu-LnNPs 的核心区域有较高的 Eu³⁺和 Gd³⁺信号，外部区域的 Lu³⁺信号升高，支持了核 - 壳结构的形成。X 射线衍射（XRD）图谱进一步证实了立方相 LnNPs 和 Lu-LnNPs 的形成。
聚集诱导发射光敏剂的制备与表征
用于光动力疗法的 TQ 聚集诱导发射（AIE）光敏剂通过两步 Suzuki-Miyaura 偶联反应合成。该光敏剂分子的设计是将两个给电子的三苯胺（TPA）基团和四个四苯乙烯（TPE）单元引入吸电子的 4,7 - 二溴 - 5,6 - 二硝基苯并 [c][1,2,5] 噻二唑结构中。研究了 TQ 纳米粒子在磷酸盐缓冲液（PBS）中的紫外吸收性质，TQ 纳米粒子在水中呈现出从 500 到 800 nm 的宽吸收光谱，峰值在 645 nm，与 LnNPs 的 617 nm 最大发射峰重叠。为了确认三重态能量转移（TET）的参与并验证 TET 介导的能量转移与光谱重叠无关，合成了在水中吸收峰为 815 nm 的 AIE 有机纳米粒子（SBBTD NPs），以几乎排除荧光共振能量转移（FRET）的可能性。在 THF / 水混合物中考察了 TQ 的发射特性。TQ 在纯 THF 中溶解良好，发射微弱。当 THF 溶液中的水含量超过 60% 时，TQ 的发射显著增强，表明其具有强烈的 AIE 活性。荧光成像表明，TQ 在近红外 II 区（1000-1200 nm）具有优异的荧光发射和 AIE 能力。为了提高 TQ 光敏剂的生物相容性和水溶性，通过纳米沉淀法将疏水性 AIE 光敏剂分子包裹在 DSPE-PEG 基质中，制备了 TQ 纳米粒子。
无机-有机杂化体系的制备与表征
稀土离子与光敏剂受体之间的三重态能量转移（TET）主要遵循短程电子相互作用（Dexter 型交换耦合）机制。因此，维持稀土纳米粒子与光敏剂之间的距离是 TET 介导能量转移的关键。为了深入了解 LnNPs 与 TQ 之间的耦合过程，我们对耦合纳米体系进行了第一性原理计算和分子动力学模拟。采用两亲性聚合物 DSPE-PEG 2000 通过沉淀法包裹疏水性稀土纳米粒子和 AIE 光敏剂分子，将 LnNP 和 AIE 光敏剂限制在内部空间，形成了三种不同的无机-有机杂化体系纳米粒子：LnNP-TQ NPs、Lu-LnNP-TQ NPs 和 LnNP-SBBTD NPs。通过比较 LnNP-TQ NPs 与 Lu-LnNP-TQ NPs，证明了杂化体系内 TET 增强的能量转移途径；而比较 LnNP-TQ NPs 与 LnNP-SBBTD NPs 则发现，尽管光谱重叠较窄，TET 仍促进了从 LnNP 到 AIE 光敏剂的有效能量转移，表明 FRET 效率较低。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实了这些无机 - 有机杂化体的形成。透射电镜图像显示，所制备的 LnNP-TQ NPs 和 LnNP-SBBTD NPs 呈现出球形形态，具有良好的分散性。利用动态光散射（DLS）评估了这些杂化体系在磷酸盐缓冲液（PBS）中的流体力学尺寸，zeta 电位测量表明，纯稀土纳米粒子带正电位，与 AIE 光敏剂结合后电位转为负电位。此外，计算得出 TQ 和 SBBTD 在 LnNP 纳米结构中的负载量分别为 38.6 wt% 和 32.7 wt%。
混合系统三重态能量转移（TET）机制及活性氧（ROS）产生
使用 1,3 - 二苯基异苯并呋喃（DPBF）作为 ¹O₂探针，在三种激发模式下（365 nm 光模拟切连科夫光、480 nm 光避免直接激活光敏剂、与 ¹⁸F 共孵育）评估混合系统组的 ¹O₂产生情况。在紫外可见光或 ¹⁸F 共孵育条件下，LnNP-SBBTD NP 和 LnNP-TQ NP 混合系统中的 DPBF 吸光度显著降低，而纯 SBBTD NP 和 DPBF 对照组的变化极小。研究还发现，LnNPs 的核壳工程会削弱 ¹O₂的生成。尽管发光保护壳增强了 LnNP 的辐射发光，有利于 FRET 路径，但显著降低了 TET 效率。在所有激发模式下，Lu-LnNP-TQ NP 组的 ¹O₂生成量均明显低于 LnNP-TQ NP 组，表明 TET 是混合系统中的主要能量转移路径。
混合系统纳米粒子的体外放射光动力治疗效应
通过 CCK-8 法评估各材料组对 3T3、LO2 和 4T1 细胞系的暗毒性，结果显示在 10 至 80 μg/mL 的孵育浓度范围内，24 小时内细胞活力未受到显著影响，这表明各组材料均具有良好的生物相容性。与对照组相比，使用 ¹⁸F-LnNP-TQ NPs 处理的细胞中，ROS 探针（DCFH-DA）呈现出强烈的绿色荧光，流式细胞术进一步证实 ¹⁸F-LnNP-TQ NPs 显著提高了 4T1 细胞中的 ROS 水平。当与 ¹⁸F（0-320 μCi，12 小时）共同孵育时，LnNP-TQ NPs 和 LnNP-SBBTD NPs（40 μg/mL）对 4T1 癌细胞表现出显著的细胞毒性，而 Lu-LnNP-TQ NPs 的抑制作用相对较弱，这与 DPBF 探针对 ¹O₂生成的检测结果一致。这些观察结果证实了镧系纳米粒子 - 有机 AIE PS 混合系统在放射性核素共孵育条件下能够高效生成 ROS。此外，研究还证实 LnNP-TQ NPs 在 ¹⁸F 激发下对肺癌和肝癌细胞也具有显著的抑制作用，这表明该策略具有普遍适用性。组蛋白变体 H2AX 在丝氨酸 139 残基处磷酸化生成 γ-H2AX，是 DNA 双链断裂的公认指标。为定量评估 DNA 损伤情况，对经 ¹⁸F 激发或未照射处理的 LnNP-TQ NPs 作用后的 4T1 细胞，通过蛋白质免疫印迹法分析不同处理下 γ-H2AX 蛋白的表达。与对照组相比，¹⁸F-LnNP-TQ NPs 处理组的 γ-H2AX 蛋白表达量显著增加。此外，通过免疫荧光染色评估 γ-H2AX 的表达水平（荧光染料 FITC，激发波长 488 nm，发射波长 518 nm），结果显示对照组的绿色荧光较弱，而 ¹⁸F-LnNP-TQ NPs 组呈现出较强的绿色荧光，这证实了该设计可诱导显著的 DNA 损伤。
瘤内注射的体内治疗效果
鉴于 LnNP-TQ NPs 在体外通过放射光动力疗法展现出有效的细胞杀伤能力，我们继而在 4T1 肿瘤荷瘤小鼠模型中评估其体内抗癌功效。当肿瘤体积达到平均约 100 mm³ 时，将小鼠随机分为四组（n=6），并给予以下处理：G1：PBS；G2：¹⁸F+PBS；G3：LnNP-TQ NPs；G4：¹⁸F-LnNP-TQ NPs。根据实验方案，每组接受瘤内注射：PBS、LnNP-TQ NPs（25 mg/kg）、含 PBS 的 Na [¹⁸F] F 溶液（1 mCi），或含 LnNP-TQ NPs（25 mg/kg）的 Na [¹⁸F] F 溶液（1 mCi）。¹⁸F-LnNP-TQ NP 组的肿瘤体积显著小于其他三组，表明该混合系统的放射光动力疗法具有强大的治疗效果。图中展示了不同治疗策略前后的肿瘤区域照片，进一步证明了 ¹⁸F-LnNP-TQ NPs 的抑瘤功效。相比之下，¹⁸F+PBS 组和 LnNP-TQ NP 组的结果与 PBS 组相近，肿瘤抑制作用微乎其微。这些观察结果与从小鼠体内取出的肿瘤离体照片一致。
总结
本研究提出了一种创新的放射光动力治疗设计策略，该策略通过使用镧系无机纳米晶来利用高能辐射（β 射线、γ 射线和切连科夫辐射）。LnNP-TQ 纳米杂化物通过整合 TET 途径，显著提高了能量转移效率，该途径可直接敏化 AIE 光敏剂的三重激发态。这种杂化系统优化了放射性核素衰变能量的利用，并通过耦合 TET 途径最大限度地减少了有机敏化剂 AIE 分子激活过程中的能量损失，从而开发出可与临床使用的 ¹⁸F 配合的高性能放射敏化系统。该方法在内部近距离治疗应用中具有广阔前景，包括与 ¹⁷⁷Lu 和⁹⁰Y 等治疗性放射性核素的联合治疗。LnNP-TQ NPs 的创建体现了镧系三重态敏化与核医学的协同整合。本研究为更高效的内部放射治疗铺平了道路，并有望推动放射性核素介导治疗的基础研究和广泛应用。
参考文献
A Lanthanide Nanoparticle−Aggregation-Induced Emission Photosensitizer Complex System Drives Coupled Triplet Energy Transfer for Enhanced Radio-Photodynamic Therapy,Yibo An, Dazhuang Xu,Pan He,Ziying Wang, Yun Li, Jiang Ming, Renyuan Liu, Jingchao Li,* Zhixiang Lu,* and Gang Liu*,J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 11964−11974,https://doi.org/10.1021/jacs.4c18033
