Fluolab【诊疗一体化荧光探针】-SDT诊疗探针探针
【SDT诊疗探针】TME可激活治疗诊断荧光探针
Theranostic Fluorescent Probes
诊疗一体化荧光探针
SDT中的治疗诊断荧光探针
为了提升癌症治疗成效并降低副作用，无创治疗方式在恶性肿瘤治疗中展现出极大的吸引力。其中，声动力疗法(SDT)作为一种新兴的非侵入性治疗手段，由Umemura等人于1989年首次提出，为光动力疗法提供了潜在的替代方案。SDT通过高穿透性的超声波激活声敏剂，诱导产生能够杀灭癌细胞的活性氧物种(ROS)，从而实现治疗目的。该疗法机制结合了超声空化与热效应的双重作用，相较于传统治疗如化疗、放射治疗和光动力疗法，SDT展现出深度穿透性强、成本效益高、操作便捷及副作用较小等显著优势。
然而，将诊断与声敏剂递送及效能实时监测高效结合，仍是当前面临的主要挑战之一。近年来，随着先进成像技术的快速发展，为解决这一难题提供了新的机遇，使精准医疗成为可能，确保了疾病诊断的精确性、药物递送、生物分布和治疗反馈的有效监控。为此，具备成像与SDT双重功能的治疗探针被封装于纳米载体中，这些探针在肿瘤微环境(TME)中激活后，能够释放出高强度、高分辨率的成像信号。
为了强化SDT疗效，关键在于采用能产生明确影像学指示的诊疗性荧光探针，以辅助临床精准决策。通过纳米平台装载小分子药物，能够精准定位肿瘤位置，实现诊疗试剂与药物在肿瘤区域的按需释放与分解，这不仅提高了药物的体内利用效率，还显著降低了对健康细胞及组织的潜在伤害。
因此，整合了SDT与成像技术的纳米平台在肿瘤的精确诊断与治疗中发挥着关键作用，为实现肿瘤彻底清除的目标提供了创新策略。相关研究可进一步聚焦于四大方向：基于TME激活、缺氧响应、H₂O₂响应及多模式协同激活的诊疗性荧光探针设计，以推动SDT在临床应用中的进一步发展。
SDT中的TME可激活治疗诊断荧光探针
肿瘤微环境（TME）为肿瘤的生长与转移提供了适宜的条件，并展现出独特的病理生理特性。这些特性包括丰富的抗氧化成分、特定的酶系统、缺氧环境和偏酸性的pH值，这些均为发展针对性的治疗策略提供了线索。在TME中，精心设计的纳米载体能够经历配体交换、结构解体或聚集等动态变化，促进其在肿瘤部位的蓄积，从而增强治疗干预的效果。
值得注意的是，肿瘤细胞通过过表达谷胱甘肽(GSH)和锰依赖性超氧化物歧化酶(SOD2)来有效抵抗氧化应激损伤，这为治疗干预提供了重要的靶点。基于此，Zhu等人巧妙地利用铁(III)与中位四(4-磺酸基苯基)卟啉(TPPS)自组装构建了铁(III)-卟啉纳米敏化剂(NTP)，并进一步装载siRNA形成复合物R-S-NTP（见图95）。这一设计旨在降低SOD2的表达，削弱肿瘤的抗氧化防御机制。NTP中的卟啉核心与铁(III)不仅赋予其卓越的磁共振/荧光双模成像能力，还显著增强了活性氧物种(ROS)的生成，优化了声动力疗法(SDT)的治疗效率。尤为关键的是，铁(III)触发的肿瘤内生化连锁反应能有效降低GSH水平，促进细胞毒性的芬顿反应，加速癌细胞凋亡。相较于RNTP、NTP及游离TPPS，159体系能够产生更多的ROS，这直接与其削弱细胞抗氧化系统及激活芬顿效应的能力相关，从而极大地提升了SDT的疗效。实验结果显示，经静脉注射后，159在肿瘤部位展现出显著的荧光标记；而联合超声处理的159+US组肿瘤抑制率高达89.96%，证实了其显著的抗肿瘤生长效果。
综上所述，这项研究不仅揭示了一种创新的SDT策略，通过精准调控肿瘤微环境和细胞内抗氧化机制，还为克服SDT临床转化中的障碍提供了一个高效且机制新颖的解决方案，预示着肿瘤治疗领域的一大进步。
图95.(A)诊疗159作为多功能声敏剂。(B)体内FL图像。
透明质酸酶（HAase）作为肿瘤环境中异常丰富的内源性酶，对于确保诊疗性分子的肿瘤靶向性和调节药物释放动力学具有关键作用。基于这一认识，Qiu等人巧妙设计并合成了负电性的透明质酸-原卟啉IX（HA-PpIX）纳米组装体，并通过负载正电性的阿霉素（DOX），成功构建了一种高效的三重模式治疗纳米体系（DOX@HPNAs，160），实现了高达24.6%的载药效率。在肿瘤微环境特有的酸性条件下，HAase能够迅速催化HPNAs的降解，进而触发纳米结构的解体并促进药物的按需释放。此外，在光照和/或超声波的共同作用下，该纳米体系在肿瘤部位累积并产生强烈的荧光信号（如图96所示）。值得注意的是，酶促降解过程所释放的单线态氧(¹O₂)量高达未降解HPNAs的2.5倍，显著增强了光声效应。
实验结果表明，与未经治疗、肿瘤迅速增长的对照组相比，采用该纳米系统治疗的小鼠模型中，肿瘤生长受到了显著抑制。进一步的组织学分析显示，治疗组的肿瘤抑制率高达94.4%，充分展现了其卓越的治疗潜力。这一开创性工作通过结合酸性pH响应性、超声介导的物理刺激以及HAase敏感性三重机制，极大地提高了DOX的释放效率，并实现了光-化学-机械协同治疗的显著效果。这一成果不仅为未来设计智能型酶激活纳米递送系统提供了宝贵的策略和思路，还推动了肿瘤治疗技术的发展前沿。
图96.(A)图示了内源性（pH、HAase）和外源性（NIR、超声波和组织屏障）因素对可激活聚合物纳米系统的动态影响。(B)静脉注射DOX@HPNA后肿瘤的时间依赖性荧光图像和强度。(C)不同治疗后肿瘤的相对生长率。
在肿瘤微环境（TME）中，血氧饱和度（SaO2）是维持癌细胞持续稳定增殖的关键因素，因此，它成为了干预治疗的重要靶标。为降低肿瘤区域的SaO2从而限制其生长，Yang团队巧妙地运用了自组装技术，设计了一种名为TPGS-PEM-ICG（简称TPI，161）的自靶向多功能纳米平台。该平台旨在通过荧光/光声（FL/PA）成像引导，实现化疗与声动力学治疗的双重增强效果（如图97所示）。
TPI纳米平台凭借其独特的特性，如特异性识别肿瘤细胞、对TME酸性、溶酶体酸性环境、酯酶活性以及外加超声波的多重响应性，实现了治疗药物的精确且按需释放，从而显著降低了对周围正常组织的潜在损害。特别地，该平台表面修饰的PEM配体，与HeLa细胞膜上过表达的叶酸（FA）受体具有高亲和力，这赋予了TPI出色的肿瘤靶向积累与细胞内吞能力，为癌症的早期诊断提供了强有力的荧光信号支持。在FA受体过表达的实体瘤模型中，显著的荧光信号进一步验证了其出色的诊断潜力。
此外，光声成像数据显示，在超声（US）的作用下，TPI能够显著降低肿瘤区域的SaO2信号，这揭示了TPI+US通过“饥饿疗法”有效减少肿瘤氧供的机制。与对照组相比，TPI+US处理组在杀灭肿瘤细胞方面表现出了更显著的效果，彰显了其强大的抗肿瘤活性。动物实验进一步证实了TPI+US治疗策略几乎完全抑制了肿瘤生长，突显了其惊人的抗肿瘤疗效。
总体而言，这种结合FL/PA成像的治疗策略不仅实现了对肿瘤治疗的实时监控与主动靶向，还为未来的声动力治疗设计提供了宝贵的参考范例，为癌症治疗领域带来了新的突破。
图97.(A)TPGS-PEM前药和161自组装合成路线。(B)161双成像引导下的强化化疗和声动力治疗。(C)每组SaO2水平的变化。(D)14天内不同治疗后肿瘤体积的变化。(E)用钙黄绿素AM/PI染色的HeLa细胞与不同组和161(TPI)一起孵育24小时，有或没有US照射。
肿瘤细胞为避免酸中毒，会大量排放乳酸，导致肿瘤微环境（TME）及其周围组织呈现低pH值，这为治疗干预提供了独特的生化靶点。基于此，Li等人创造性地设计了一种新型酞菁铁（FePc）复合物——162，该复合物不仅作为荧光/磁共振（F/MR）双模态成像引导的声动力疗法（SDT）/化学动力疗法（CDT）纳米平台。在酸性TME条件下，162能响应性地与质子作用，释放游离的酞菁（PcD）并促进Fe²⁺的生成，Fe²⁺在H₂O₂的作用下进一步氧化为Fe³⁺，这一系列反应最终恢复了PcD的荧光特性（如图98所示）。通过这一精心设计的化学程序，使用162处理的小鼠肿瘤区域荧光信号显著增强，相较于单独使用PcD处理，荧光信号强度提升了10.49倍，这充分证明了162在肿瘤内部能有效触发强烈的荧光成像信号（FLI）。
值得注意的是，162不仅能在酸性和H₂O₂的调控下增强荧光信号，其磁共振成像（MRI）信号也实现了从“关闭”到“开启”的转变，凸显了其作为智能响应性成像剂的巨大潜力。更值得一提的是，结合超声（US）照射，162对小鼠肿瘤生长的抑制效率高达87.15%，展现了其在肿瘤治疗领域的显著疗效。综上所述，162成功融合了特异性的F/MR双模态成像与SDT/CDT治疗功能，为精准成像引导的肿瘤治疗策略提供了一个极具前景的平台。
图98。(A)162的制备和可编程机制。(B)162在HepG2肝癌细胞中的作用。(C)静脉注射162和PcD后不同时间点HepG2荷瘤小鼠的平均荧光强度。(D)肿瘤生长曲线。
【SDT诊疗探针】缺氧激活治疗诊断荧光探针
Theranostic Fluorescent Probes
诊疗一体化荧光探针
声动力疗法（SDT）通过活性氧物种（ROS）的生成来诱导癌细胞的氧化应激损伤，其中氧气作为ROS产生的核心原料，其重要性不言而喻。然而，实体肿瘤由于细胞过度增殖、血管结构异常及淋巴循环障碍等因素，常陷入慢性乏氧状态，这极大地限制了SDT的治疗效果。更为严峻的是，SDT实施过程中局部氧气的迅速消耗，进一步加剧了治疗区域的缺氧现象，通过负面反馈机制削弱了SDT的效果，导致治疗反应不佳和预后不良。此外，缺氧状态还促进了癌细胞对化疗和放疗的抵抗性，进一步降低了这些治疗手段的疗效。因此，如何减轻缺氧对SDT效率的负面影响，成为了当前研究的焦点。
已有研究证实，通过肿瘤靶向输氧及原位产氧策略提升肿瘤内部氧浓度，是克服缺氧问题的有效途径。在此背景下，利用Fenton或类Fenton反应产氧的策略展现出了巨大的应用潜力。Duan等人设计了一种基于类Fenton反应的纳米平台163（见图99），通过巧妙的产氧策略有效改善了肿瘤缺氧状态，显著增强了SDT与光动力疗法（PDT）的协同治疗效果。该平台中的卟啉金属有机框架（MOF-525）不仅能够高效生成用于SDT和PDT的单线态氧（¹O₂），还具备作为近红外光激发的双光子响应单元的功能。钯纳米立方体则通过模拟Fenton反应释放羟基自由基（-OH）及氧气（O2），促进细胞凋亡，有效缓解了肿瘤缺氧。此外，平台表面修饰的透明质酸（HA）不仅增强了其生物相容性，还提高了对癌细胞的靶向能力。
细胞存活率分析显示，正常细胞QSG7701经163处理后的存活率高于癌细胞HepG2，而在外源性添加H₂O₂后，HepG2细胞的存活率显著降低，这表明163对正常组织具有较好的安全性，但在富含H₂O₂的肿瘤环境中能诱发自由基生成，导致细胞毒性效应。进一步的细胞毒性测试验证了联合光照和超声处理后，HepG2细胞的存活率降至10%，凸显了该纳米平台在PDT与SDT联合治疗中的卓越效能。这一研究成果不仅为开发新型产氧纳米材料提供了科学依据，还有望显著提升依赖氧气的抗肿瘤治疗策略的效果。
图99.治疗诊断探针163的制备，突出显示增强光动力和声动力治疗的过程。
鉴于肿瘤内部缺氧问题难以通过即时氧气制造或输送获得长期缓解，且这些方法常受限于效率低下和氧气流失等技术难题，因此，探索降低肿瘤组织氧气消耗的新策略显得尤为重要。氧化磷酸化（OXPHOS）作为线粒体能量产生的核心过程，通过消耗氧气高效地生成细胞能量。基于此，Zhang等人设计了一种pH敏感型药物载体脂质体系统164，旨在最小化肿瘤区域的氧气消耗。
该系统内的二甲双胍在肿瘤酸性微环境中特异性释放并积累，有效阻断线粒体呼吸链活动（如图100所示），进而减少氧气的消耗。同时，该脂质体还整合了声波增敏剂IR780，其在超声辐照下能够产生活性氧物种（ROS），进而诱导癌细胞凋亡。
164凭借其优越的增强渗透与滞留（EPR）效应，确保了药物在肿瘤缺氧区的精准递送。此外，该纳米载体在体内外实验中均展现出卓越的光声/荧光成像（PA/FL）性能，为治疗效果的实时监测提供了可能。
实验结果显示，结合超声治疗的164组显著抑制了肿瘤生长，尤其在酸性肿瘤微环境中药物的快速释放，使得治疗组肿瘤生长速率显著减缓。相比之下，未处理的对照组肿瘤则持续快速增长。
此项研究成功构建了一种纳米治疗诊断平台，通过干预肿瘤的能量代谢途径减少氧气需求，为克服缺氧导致的癌症治疗抵抗性提供了新的思路和方法。
图100.(A)自行合成的164(MI-PEOz-lip)及其拟议的抗肿瘤机制的示意图。(B)五组接受不同治疗后的肿瘤生长曲线。
尽管已经发展了多种策略，如氧气输送和减轻实体肿瘤内部氧气消耗，以缓解缺氧状态，但在某些情况下，这些疗法的效果并不理想，甚至可能引发不良反应，如气压伤和高氧性惊厥等问题。值得注意的是，超声波激发时，声波液滴的气化作用可以促使全氟戊烷（PFP）这一液态物质迅速经历相变，从液相转变为气相。微胶囊技术的应用进一步提升了高强度聚焦超声（HIFU）的消融效率，减少了所需的声能输入，并增强了对肿瘤组织的破坏力。因此，相变材料作为一种具有相似治疗潜能的材料，为调控缺氧肿瘤的声学微环境提供了新的思路。
特别是基于全氟戊烷（PFP）的空化效应，成为了一种吸引人的策略，能够在无氧条件下高效诱导缺氧肿瘤细胞凋亡。此外，CGNKRTR（tLyP-1）作为一种细胞穿透性肽，作为神经蛋白酶-1（np-1）受体的配体，通过CendR路径高效穿透肿瘤细胞，实现胞内递送。
鉴于此，Luo及其团队设计了一种tLyP-1修饰的功能性脂质体，并成功将卟啉单甲醚钆（H(Gd)）作为声敏剂嵌入到磷脂双层中，构建了PFP@tLyP-1-LIP-H(Gd)。该脂质体利用tLyP-1的细胞穿透能力，特异性地粘附并靶向过度表达np-1受体的MDA-MB-231肿瘤细胞，有效穿透缺氧肿瘤区域，促进多模态成像（US/NIRF/PA/MR）的实施（如图101所示）。在低强度聚焦超声（LIFU）的照射下，PFP经历声学液滴的气化过程，实现“液-气”转变并迅速生成气泡，进而释放羟基自由基。这些自由基如同深穿透纳米爆弹（DPNB），在常氧和缺氧的微环境内均能引发细胞死亡。
实验结果显示，经LIFU处理后，PFP@tLyP-1-LIP-H(Gd)展现出显著增强的细胞毒性效应，肿瘤生长抑制率明确证明了声波滴气化与声动力疗法（SDT）结合能有效抑制肿瘤进展。此项研究开创性地展示了基于超声空化及“液-气”转变机制，实现无需氧气参与的SDT策略。
图101.(A)在多模态成像引导下针对实体缺氧肿瘤产生协同耐缺氧SDT的ROS和ADV机制。(B)各种治疗后小鼠的相对肿瘤体积变化。(C)多次治疗后小鼠的肿瘤抑制率。
【SDT诊疗探针】H2O2多因素协同激活治疗诊断荧光探针
Theranostic Fluorescent Probes
诊疗一体化荧光探针
SDT中H₂O₂可激活的治疗诊断荧光探针
活性氧物种（ROS）家族广泛包括过氧化氢（H₂O₂）、臭氧分子（O₃）、次氯酸/次氯酸盐（HOCl/ClO⁻）、羟基自由基（-OH）、一氧化氮（NO）以及过亚硝酸盐（ONOO⁻）等成员，其中，H₂O₂扮演着尤为关键的角色。H₂O₂主要由线粒体内的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶复合体（NADPH oxidase）激活产生，该复合体在细胞生长、增殖及分化过程中发挥着关键的信号调控作用，NADPH本身就是这些生物活动不可或缺的信号分子。
在肿瘤微环境中，H₂O₂浓度的升高与肿瘤细胞的生命周期——包括增殖、发育及凋亡过程——紧密相关。更具体地说，肿瘤细胞内部H₂O₂水平的异常增高能够刺激转移相关生长因子的表达，进而增强细胞的侵袭性和迁移能力，这是癌症致死性的主要机制之一。因此，H₂O₂已成为研发新型抗癌策略中至关重要的干预靶标。
然而，在H₂O₂介导的声动力疗法（SDT）激活过程中，关于诊疗性荧光探针的设计与应用尚属空白，这揭示了该领域内一个亟待填补的研究空白。
SDT中的多因素协同激活治疗诊断荧光探针
在肿瘤环境中，显著的乏氧状态、谷胱甘肽(GSH)的过度累积以及高浓度的过氧化氢(H₂O₂)，对光动力治疗(PDT)、化学动力治疗(CDT)及声动力治疗(SDT)中活性氧物种(ROS)的效能释放构成了重大挑战。为了应对这一挑战，Wang等人提出了一种集成策略，该策略融合了精准成像引导、GSH消耗机制、靶向传递以及过氧化氢酶模拟活性。他们成功研制出一种基于铁基锆卟啉金属有机框架[PN-224(Fe)]的双面Janus纳米复合材料，该材料在近红外(NIR)光照与超声(US)的联合介导下展现出高效性能（如图102所示）。
在此纳米体系中，Fe³⁺离子作为类纳米酶，发挥了多重协同效应。首先，它催化H₂O₂转化为O₂，有效缓解了肿瘤微环境(TME)中的缺氧状态；其次，Fe³⁺减少了细胞内富余的GSH，从而促进了ROS产量的提升。此外，Fe²⁺通过与细胞内H₂O₂反应产生高反应性的·OH自由基，显著增强了CDT的治疗效果。
在808nm激光的激发下，特别是在H₂O₂浓度较高的环境中，该纳米复合材料展现了PDT的治疗特性。同时，结合US的同步激活不仅增强了SDT效应，还放大了荧光信号强度，为治疗过程提供了更准确的监测手段。细胞存活率检测结果显示，采用该纳米复合材料联合NIR光照与US处理的组别，肿瘤细胞凋亡水平显著升高。
综上所述，本研究通过整合肿瘤特异属性与成像导向技术，为增强SDT、PDT及CDT的治疗效率提供了一个综合且高效的策略。
图102.（A）166的抗肿瘤机制示意图。（B）各种处理后活/死细胞的检测。活细胞和死细胞分别用钙黄绿素-AM（绿色）和PI（红色）染色。
随后，Liu及其团队创新性地利用了肿瘤微环境（TME）的酸性特点，设计出一种集成了光声（PA）/荧光（FL）/磁共振（MR）三模态成像引导的多功能纳米酶系统AIMPNPs。该系统巧妙地将IR780染料与MnO₂封装于PLGA/Angiopep-2载体中，旨在增强声动力疗法（SDT）的效能（如图103所示）。
由于Angiopep-2的生物导向性，探针167能够顺利穿越血脑屏障（BBB），并精准地定位至胶质瘤病灶。值得注意的是，MnO₂在系统中展现出类似酶的特性，与TME中的丰富质子、H₂O₂和GSH发生相互作用，不仅催化产氧以缓解局部乏氧状态，还促进了GSH的降解。此外，Mn²⁺离子作为MRI对比剂，结合IR780分子的光声/荧光双重成像能力，赋予了该系统FL/PA/MR多模式成像引导治疗的特性。
实验结果显示，经静脉注射后，167中的Fe-TCPP在肿瘤部位显示出强烈的荧光信号，这表明生物素标记的167通过EPR效应成功富集于肿瘤区域。进一步的细胞存活率分析证实，在低强度聚焦超声（LIFU）的辅助下，SDT能够有效触发肿瘤细胞凋亡。因此，该研究通过多重机制的协同作用，显著提升了SDT在U87MG异种移植模型中的治疗效果，有效抑制了肿瘤的生长及远处转移。
图103.(A)167种NP合成示意图。(B)167个NP的示意图，具有BBB和肿瘤靶向、线粒体靶向、深度渗透、增强SDT效果和实时PA/FL/MR成像监测。(C)各种处理后活/死细胞的CLSM图像。
参考文献
Sharma, A.; Verwilst, P.; Li, M.; Ma, D.; Singh, N.; Yoo, J.; Kim, Y.; Yang, Y.; Zhu, J.-H.; Huang, H.; Hu, X.-L.; He, X.-P.; Zeng, L.; James, T. D.; Peng, X.; Sessler, J. L.; Kim, J. S. Theranostic Fluorescent Probes. Chem. Rev. 2024, 124 (5), 2699–2804. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.3c00778.