本文要點：作者開發了一種基于新型AIE染料（ZSY-TPE）的多功能NIR-II光學診療平臺，并將其用于單束激光激活的、成像指導的光熱-光動力聯合治療。體內實驗研究證實，ZSY-TPE可以對小鼠4T1腫瘤和金黃色葡萄球菌感染模型有高性能的NIR-II引導聯合光療特點，且無明顯副作用。因此，作者提出ZSY-TPE作為強大的光熱療平臺，可用于精確的NIR-II熒光/ PA成像以及對腫瘤和細菌感染的協同光動力/光熱療法。

 

 

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光誘導的治療診斷平臺是使用多功能探針同時進行光學成像和成像引導的光學療法的聯合治療方法，已經在治療惡性腫瘤、細菌感染和代謝異常等方面進行了驗證。近些年，NIR-II熒光成像的出現，彌補了可見光成像和NIR-I熒光成像在散射、穿透性、光療效率的不足。但是，大部分NIR-II有機熒光團會發生聚集淬滅，這會影響它們的光物理性。在此背景下，作者合成了一種基于AIE的新型NIR-II光熱療劑ZSY-TPE，可用于成像引導的光學療法。ZSY-TPE具有兩個功能單元：一個是發射NIR-II熒光/ PA信號并誘導PTT和PDT的D-A-D支架，以及具有高發射效率和出色的光穩定性的AIE結構TPE（圖1）。

圖1：ZSY-TPE的結構及生物醫學應用

 

圖2：a）ZSY-TPE的密度泛函理論（DFT）計算。b）ZSY-TPE在DCM中的吸收光譜和熒光發射光譜。c）ZSY-TPE在0％和90％水體積分數（fw）下的NIR-II熒光成像（808 nm，10 mW / cm2，1000 LP，20 ms）。d）不同fw下ZSY-TPE的FL強度比（I / I0）。e）ZSY-TPE在DCM中的PA光譜。f）在不同濃度時ZSY-TPE的PA強度。g）ZSY-TPE的DLS輪廓和TEM圖像。比例尺：200μm。h）通過DLS分析確定的不同孵育時間后，PBS和FBS中ZSY-TPE點的平均直徑。i）在808 nm激光下，以0.2 W / cm2的條件，將ZSY-TPE和ICG NPs溶液分別連續照射60分鐘。以15分鐘為間隔收集NIR-II熒光圖像（808 nm，10 mW / cm2，1000 LP，20 ms）。

 

圖3：a）不同濃度ZSY-TPE在808 nm激光照射5分鐘（1 W / cm2）下的光熱曲線。b）ZSY-TPE（5μM）+ DCFH（20μM）在808 nm激光照射（0.5 W / cm2）下持續5分鐘的熒光光譜（λex= 488 nm）。c）ZSY-TPE與4T1細胞共孵育2 h的共定位圖像（20μM）。比例尺：5μm。d）將ZSY-TPE（20μM）與4T1細胞孵育2 h后，用DCFH-DA（20μM）再處理30分鐘，在激光輻射（0.5 W / cm2）照射下，測定4T1細胞的ROS生成。比例尺：25μm。e）在有無808 nm激光照射（1 W / cm2，5分鐘）的情況下，ZSY-TPE孵育后，4T1細胞的MTT結果和金黃色葡萄球菌的存活率。g）金黃色葡萄球菌與ZSY-TPE（40μM）孵育0.5小時的熒光圖像。比例尺：10μm。 

 

ZSY-TPE的特征吸收峰和熒光發射峰分別在730 nm和1020 nm處，光聲（PA）光譜在740 nm處顯示出強信號。在體外測定PTT和PDT效應的實驗中，光熱效應與ZSY-TPE濃度呈正比（圖3a）。通過ROS檢測實驗發現在808 nm激光照射下，ZSY-TPE可以產生ROS（圖3b），而且具有PDT效應（圖3d）。將ZSY-TPE與4T1細胞和金黃色葡萄球菌共孵育，可以影響4T1細胞和金黃色葡萄球菌的活性（圖3e，3f）。

 

將ZSY-TPE注射到4T1細胞載瘤小鼠的腫瘤部位，可以同時檢測到熒光信號和光聲信號，并在注射后24 h信號值達到最大，信噪比最高為6.7和7..1（圖4a，4b）。其NIR-II / PA雙模成像特點可以提供有關腫瘤的詳細信息，精確指導后續的聯合光療。

 

隨后，作者探究了ZSY-TPE在小鼠腫瘤模型中產生PDT / PTT的潛力。兩組4T1細胞載荷瘤小鼠分別靜脈注射ZSY-TPE和PBS，并給予激光照射腫瘤區域。ZSY-TPE處理組中心區域的溫度迅速升高，在照射5分鐘內可以達到53.5℃，而在PBS治療組中僅觀察到輕微的溫度升高（圖4c，4d）。而且通過激光照射治療16天后，ZSY-TPE組小鼠腫瘤大小明顯小于PBS治療組腫瘤，并在體重變化，存活率方面均優于對照組（圖4e，4f，4g）。證明ZSY-TPE具有良好的光治療潛力。

 

圖4.：a）尾靜脈注射ZSY-TPE（0.2 mM，150μL）后，4T1腫瘤小鼠模型的NIR-II熒光（808 nm，10 mW / cm2、1000 LP和100 ms）和PA圖像。黑色虛線圓圈（在NIR-II熒光圖像中，上方）和白色虛線圓圈（在PA圖像中，下方）表示腫瘤部位。b）歸一化熒光強度和信噪比（SBR）（n = 4）。c）注射ZSY-TPE（0.2 mM，150μL）或PBS（0.01 M，150μL）后，808 nm激光（1 W / cm2）照射下的紅外圖像。d）圖4c中腫瘤溫度與激光照射時間的變化關系圖。e）不同治療組動物模型中腫瘤生長變化。（f）不同治療組治療后小鼠的相對體重曲線（n = 3）。g）經過不同處理的4T1荷瘤小鼠的存活率（n = 3）。h）不同處理的小鼠腫瘤切片的H＆E和TUNEL染色。

 

接下來，作者將2 × 107 CFU的金黃色葡萄球菌注射到小鼠皮膚表面，造皮下感染模型，探究ZSY-TPE 對細菌感染的抑制作用（圖5a）。作者發現，在NIR-II熒光圖像中，經靜脈注射的ZSY-TPE很快到達感染區域并有強烈信號（圖5b，5c）。經過5天的808 nm激光照射治療后，ZSY-TPE組小鼠感染傷口逐漸愈合，與對照組形成顯著對比（圖5f）。

 

圖5：a）尾靜脈注射ZSY-TPE（0.2 mM，150μL）后，金黃色葡萄球菌感染小鼠的NIR-II熒光成像（808 nm，10 mW / cm2、1000 LP和50 ms）。黃色虛線圓圈表示腹部皮下感染區域。b）歸一化后的熒光強度圖。d）注射ZSY-TPE 48小時后，小鼠的感染皮膚和正常皮膚的離體明場和熒光圖像。e）不同處理后金黃色葡萄球菌感染傷口的照片，比例尺：10 mm。f）不同處理后相對傷口面積隨時間的變化（在第1、3和5天）（n = 3）。  

 

結論：我們開發了一個多功能的光熱學平臺，該平臺展示了雙模NIR-II熒光/ PA成像引導下的PDT / PTT對癌癥和病原體的抑制特性。在單激光照射下，ZSY-TPE在治療癌癥和細菌感染小鼠模型中顯示出良好的光穩定性和協同活性。此外，我們考慮到有關細菌與人類癌細胞之間緊密關系的最新報道，或許我們的探索不僅可以為深層器官細菌感染成像提供解決辦法，還可以使用我們的平臺治療這些細菌感染。

 

參考文獻

Xu Y, Zhang Y, Li J, et al. NIR-II emissive multifunctional AIEgen with single laser-activated synergistic photodynamic/photothermal therapy of cancers and pathogens. Biomaterials. 2020 Nov;259:120315. doi: 10.1016/j.biomaterials.2020.120315. Epub 2020 Aug 15. PMID: 32836057.

 

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