苏州大学李盛亮等：水溶性聚合物纳米探针用于高效光热NIR-II肿瘤诊疗

研究背景

目前报道的有机光热试剂的光热转换效率(PCE)仍然相对较低，特别是在近红外二区 (NIR-II，1000-1700 nm) 窗口具有良好光热性能的材料仍然很少，严重阻碍了光热治疗在抗肿瘤临床应用中的进一步发展。本文通过调节共轭分子骨架侧链，开发了一种具有超高PCE且稳定的共轭双自由基聚合物纳米颗粒。此外，通过将该纳米药物的NIR-II光热效应与PD-1联合使用，可以有效地阻止乳腺癌的肺部转移。

A Stable Open‑Shell Conjugated Diradical Polymer with Ultra‑High Photothermal Conversion Efficiency for NIR‑II Photo‑Immunotherapy of Metastatic TumorYijian Gao, Ying Liu, Xiliang Li, Hui Wang, Yuliang Yang, Yu Luo, Yingpeng Wan, Chun-Sing Lee*, Shengliang Li*, Xiao-Hong Zhang*Nano-Micro Letters (2024)16: 21

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01219-x

本文亮点

1. 通过侧链调节，共轭双自由基聚合物的光热响应可以从近红外(NIR)I区红移到NIR-II区。该策略为开发NIR-II双自由基光热材料提供了新的思路和方法。

2. 共轭双自由基聚合物纳米颗粒TTB-2 NPs具有高达87.7%的光热转换效率，远远超过了目前报道的NIR-II光热剂。

3. 共轭双自由基聚合物纳米颗粒TTB-2 NPs在NIR-II窗口中通过光声成像导航实现了良好的肿瘤光消融，且无任何副作用。此外，光热联合免疫作用可有效防止乳腺癌的肺转移。

内容简介

近年来光热疗法凭借其优异的非侵入性和时空分辨性，在癌症治疗领域取得了很大进展，被广泛认为是一种极具前景的治疗新方法。开发高性能光热治疗材料和药物是当前的重要挑战和研究热点。然而，如何从药物设计出发，进一步提高光热材料的性能仍是当前的重大挑战。苏州大学李盛亮教授联合苏州大学张晓宏教授、香港城市大学李振声教授从分子设计的角度入手，通过侧链调节设计D-A共轭双自由基聚合物，有效地将药物分子吸收从NIR-I区红移到NIR-II区。通过纳米制剂技术将聚合物制备成高稳定性的水溶性纳米探针，开发了一种光热转换效率高达87.7%的共轭双自由基聚合物纳米颗粒。体外和体内实验表明，该纳米药物在NIR-II区窗口内实现了高性能的肿瘤光消融和光声成像，且无任何副作用。此外，通过将该纳米药物的NIR-光热效应与PD-1联合使用，可以有效地阻止乳腺癌的肺转移。

图文导读

I 共轭聚合物的设计和结构表征

如图1所示，通过Stille聚合合成了两种具有典型供体(D)-受体(A)构型的共轭双自由基聚合物（CDPs）。为了进一步证明其物理化学性质，利用密度泛函理论(DFT)计算了两种CDPs的电子分布和优化构型, TTB-2具有明显的共轭平面结构和分子内电荷转移的优势。TTB-1和TTB-2都具有良好的双自由基特征和稳定性，其g值为2.0036 (图1d, e)。此外，两种TTB分子在THF溶剂中的吸收光谱表明，TTB-1在750 nm左右有良好的吸收峰，而TTB-2相对TTB-1有接近200 nm的红移，最高吸收峰在950 nm附近。

图1. a. TTB的分子结构; b. DFT计算TTB-1和TTB-2的FMO分布; c. TTB-1和TTB-2的分子二面角; d, e. TTB粉末的ESR; f. TTB-1和TTB-2在THF中的吸收光谱。

II  光热性能表征

首先，通过自组装方法将共轭双自由基聚合物制备成纳米颗粒(图2a)。TTB-2 NPs在950 nm处吸收峰最高，而TTB-1 NPs的最大吸收峰位于715 nm处(图2b)。透射电子显微镜(TEM)和动态光散射(DLS)结果证明TTB-2 NPs具有纳米球的形态特征(图2c)，并且TTB-2 NPs依然保持双自由基特性(图2d)。其次，在1064 nm激光的照射下，详细表征了TTB NPs的光热性能。如图2e-h所示，TTB-2 NPs具有优异的光热性能，光稳定性和超高的光热转换效率，光热转换效率(PCE)高达87.7%。进一步，通过理论计算得出开壳层单重态(OS)的激发能比闭壳层单重态(CS)低8.94 kcal mol⁻¹，这意味着TTB-2的OS态通常具有良好的非辐射跃迁性质，与其优异的光热性能保持一致。

图2. a. TTB NPs制备示意图; b. TTB-1 NPs和TTB-2 NPs的吸收光谱; c. TTB-2 NPs的水合粒径和透射电镜图像, 比例尺:200 nm; d. TTB-2 纳米颗粒的ESR谱; e,f. 不同浓度TTB-2 NPs在1064 nm光照下的升温曲线和红外热成像图; g. 25 μg mL⁻¹ TTB-2 NPs和50 μg mL⁻¹ IR-1048 NPs在1064 nm激光照射(1.0 W cm⁻²)5个开/关周期下的光热稳定性; h. 在1064 nm激光(1.0 W cm⁻²)照射10 分钟并冷却过程中TTB-2 NPs水溶液的温度变化及光热转换效率计算; i. TTB-2 NPs激光照射前后的吸收光谱及照片; j. TTB-2在三重态(TS)、闭壳态单重态(CS)和开壳态单重态(OS)的能级计算。

III 体外细胞毒性试验

由于TTB-2 NPs具有良好的光热性能和稳定性，我们进一步评估了其体外抗肿瘤光消融性能。如图3a和3b所示，在1064 nm激光照射下，TTB-2 NPs对人宫颈癌(HeLa)细胞和小鼠乳腺癌(4T1)细胞产生了明显的光热消融作用，在30 μg mL⁻¹浓度时，光热8分钟可以导致近95%的细胞被完全杀死。而不照激光的情况下对细胞几乎无任何毒性，证明了其体内良好的安全性和光热抗肿瘤潜力。进一步，通过肿瘤细胞活/死双染色实验(图3c)也同样证明了TTB-2 NPs在NIR-II区良好的抗肿瘤细胞增殖性能和生物安全性。

图3. a,b. TTB-2 NPs在1064 nm (1.0 W cm⁻²)照射或不照射8分钟后HeLa和4T1细胞的体外光热消融效果; c. 不同处理条件下4T1细胞的活死共染色成像。

IV 体内光声成像和光热治疗将4T1荷瘤小鼠静脉注射TTB-2 NPs，然后通过PA成像系统成像，观察到TTB-2 NPs的信号逐渐出现在4T1荷瘤小鼠的肿瘤部位，并在注射后9 h出现明显的峰值；注射24 h后，TTB-2 NPs几乎完全从肿瘤部位消失。之后如图4b、c所示，在激光照射5分钟后，注射TTB-2 NPs后9小时并用1064 nm照射小鼠的肿瘤温度迅速升高至53℃，而注射PBS并联合激光照射小鼠的肿瘤温度变化不大。这些结果表明TTB-2 NPs可以光热触发肿瘤内有效的温度变化。之后将肿瘤体积约为80 mm3的4T1荷瘤小鼠随机分为四组分别进行不同的治疗手段。如图4d-f所示，TTB-2 NPs联合激光照射治疗组小鼠的肿瘤在治疗后第二天几乎完全消融，并且在治疗后的14天内没有任何复发的迹象。相比之下，单独给予TTB-2 NPs和仅激光照射对肿瘤生长无明显影响。如图4g所示，不同治疗后小鼠肿瘤的苏木精和伊红(H&E)染色显示TTB-2 NPs光热治疗诱导引发肿瘤部位明显的核分裂和核坏死。此外，TUNEL和PCNA测试也表明TTB-2 NPs的光疗消融肿瘤效果。

图4. a. TTB-2 NPs注射后不同时间对肿瘤的体内PA成像; b,c. 不同处理组小鼠肿瘤的代表性热像图和相应的温度变化图; d. 治疗14天后不同治疗组小鼠分离的肿瘤; e. 不同治疗组的肿瘤相对生长曲线随治疗时间的变化; f. 治疗14天后肿瘤质量对比; g. 治疗14天不同组小鼠分离肿瘤的H&E、TUNEL和PCNA染色。

V 生物安全性评估不同治疗后的第14天，进一步研究了TTB-2 NPs的初步生物安全性。对治疗14 天后的小鼠主要脏器心、肺、脾、肺、肾进行H&E染色分析，结果显示主要脏器未见明显异常，治疗组与对照组无明显区别 (图5a)。其次,检测主要血常规指标及血液生化指标(图5b)，结果表明TTB-2 NPs治疗与激光照射都对小鼠无明显毒副作用。

图5. a. 治疗14天后不同组小鼠的主要脏器的H&E染色结果; b. 治疗14天后不同组小鼠的血常规和血液生化结果分析。

VI 体内光热联合免疫疗法最后，通过联合αPD-1(抗PD-1抗体)在侵袭性肺转移瘤模型中评估TTB-2 NPs的抗肿瘤转移活性。治疗过程和参数如图6a所示。于治疗后第18天对不同组小鼠实施安乐死，分析肿瘤转移情况。采用流式细胞术检测不同治疗后肿瘤组织中CD8+细胞毒性T淋巴细胞(CTL)和成熟树突状细胞(DC) (CD80+CD86+)的变化，发现TTB-2 NPs 光热联合免疫治疗的细胞毒性T细胞和成熟DC细胞明显高于其他组，证明TTB-2 NPs 光热联合免疫治疗可促进DC成熟，增强全身抗肿瘤免疫应答。为了进一步证实免疫应答水平，采用酶联免疫吸附试验(ELISA)检测血清中细胞因子和促炎介质的水平。如图6d-f所示，TTB-2 NPs PTT联合αPD-1免疫治疗后小鼠血清IL-6、TNF-α、IFN-γ水平有不同比例的升高。各种治疗后进一步分析乳腺癌的肺部转移，如图6g所示。除光热联合免疫治疗组外，其他各组小鼠肺中均出现明显的白色结节，而TTB-2 NPs + PTT + αPD-1联合治疗后小鼠肺部转移瘤明显受到抑制。这些结果表明TTB-2 NPs 光热联合免疫疗法可有效激活免疫应答，用于抗转移性肿瘤的治疗。

图6. a. 光热联合免疫抗乳腺癌肺转移模型治疗方案示意图; b. 不同治疗后肿瘤组织CD8+ T细胞(CD3+CD8+)的流式细胞术分析c. 流式细胞术分析不同处理后4T1荷瘤小鼠肿瘤中CD80+ CD86+ T细胞的变化; d-f. ELISA法检测不同治疗后小鼠血清中IL-6、TNF-α、IFN-γ水平; g. 不同治疗后小鼠全肺代表性图像; h. 不同治疗后小鼠肺组织H&E染色。

作者简介

高一剑

本文第一作者

苏州大学 博士生

▍主要研究领域（1）近红外生物材料与纳米药物设计；（2）光学抗肿瘤治疗探索。

▍个人简介：苏州大学药学院2022级博士研究生，在《Nano-Micro Letters》、《Advanced Materials》、《Advanced Science》、《Journal of Nanobiotechnology》、《ACS Applied Materials & Interfaces》以第一(含共同第一)作者发表 SCI 研究论文 5 篇。致力于光功能生物医用高分子材料开发及高效肿瘤诊疗的研究。

李盛亮

本文通讯作者

苏州大学 特聘教授

▍主要研究领域（1）近红外光学药物、探针；（2）药物递送；（3）生物材料。

▍个人简介：苏州大学特聘教授，博士生导师。入选江苏特聘教授（重点资助）、姑苏创新青年领军人才等国家及省市项目。研究兴趣主要聚焦于光功能生物医用高分子材料范畴，发展光热磁技术实现精准与高效低毒的重大疾病治疗、生物成像和生物活性调控。近年来发表高水平SCI论文90余篇，其中包括以第一或通讯作者在Adv. Mater., Angew. Chem. In. Ed., ACS Nano等国际权威刊物上发表的论文50余篇，其中ESI高被引论文4篇。申请 PCT 国际专利 4项，获授权中国专利 4 项，参与撰写2本纳米材料领域书籍。同时长期担任Angew. Chem. In. Ed., Adv. Mater., ACS Nano, Adv. Funt. Mater.等30余个国际期刊的独立审稿人。

▍Email：lishengliang@suda.edu.cn

李振声

本文通讯作者

香港城市大学 讲座教授

▍主要研究领域（1）有机光电材料及器件；（2）材料界面科学；（3）纳米生物医学。

▍个人简介：主要研究领域主要集中于有机光电材料及器件、材料界面科学、纳米生物医学等。在相关领域发表SCI论文800余篇，被引用70000余次（H-index 136）。目前担任《Thin Solid Films》的副编辑、Nature Publishing group-《Asian Materials》的顾问委员会成员、《Materials Today》及《Physica Status Solidi》等多个国际期刊的编委会成员。

▍Email：apcslee@cityu.edu.hk

张晓宏

本文通讯作者

苏州大学 教授

▍主要研究领域有机和纳米光电材料与器件

▍个人简介：教育部“苏州纳米科技协同创新中心”常务副主任，江苏省先进负碳技术重点实验室主任。是国家杰出青年基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才，国家重大研究计划项目(973)首席科学家，英国皇家化学会会士，国务院政府特殊津贴获得者。长期从事有机和纳米光电材料与器件的研究，近年来先后主持国家基金委创新研究群体项目、基金委重大研究计划集成项目、基金委重点项目等20余项国家级科研项目，在Nat. Photon., Nat. Energy, Nat. Mater., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed. 等国际知名学术期刊发表论文500余篇，获美国和中国专利50余项。相关成果获国家自然科学二等奖1项(排名1)、省部级科学技术一等奖3项。

▍Email：xiaohong_zhang@suda.edu.cn

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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