【Adv.Funct.Mater.】杭州师范尹守春等|氟硼荧-铂(II)超分子金属环的几何工程调控：平衡光热、光动力与免疫协同治疗平台实现超95%肿瘤抑制率#

文章标题：Geometric Engineering of BODIPY–Pt(II) Metallacycles: Balancing a Synergistic Nanoplatform for Photothermal, Photodynamic, and Immunotherapy 文章作者：Zhenghui Chen, Shuyao Cai, Lu Fang, Dacao Yu, Boyu Yang, Jingpei Zhang, Ting Wang, Shenglong Liao, Yang Li, Shouchun Yin 文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.77966

研究背景与面临的瓶颈#

在现代纳米肿瘤医学中，超分子配位配合物因其精准可控的分子骨架和结构多样性，成为构建多模态抗癌平台的理想载体。这类材料通常通过金属与有机配体之间的定向自组装形成，能够把化疗金属中心与光学功能基团有机整合为一体，实现“药物即载体”的设计理念，有效避免了传统纳米药物容易渗漏或释药不可控的缺陷。然而，学术界在过往的研究中主要聚焦于无机纳米颗粒或聚合物胶束，这类体系在分子层面上缺乏明确且连续可调的几何构型。虽然科学界普遍推测分子的几何形状会深刻改变其能级跃迁与物理性质，但长期以来一直缺乏一套半定量的理论框架，用以阐明超分子金属环的几何结构究竟如何影响光热治疗、光动力治疗以及后续机体免疫反应之间的协同平衡。单纯追求极高的产热效率或极强的活性氧释放，往往会导致治疗模式失衡，甚至在复杂的体内微环境中诱发乏氧加剧或过度炎症扩散。

Scheme.1 Schematic illustration of the preparing BODIPY–Pt metallacycle NPs and their synergistic photothermal, photodynamic, and immunotherapeutic effects for cancer therapy (Created with Figdraw).#

分子几何工程的设计与纳米构建#

针对这一科学挑战，研究团队巧妙设计并合成了一种多功能氟硼荧配体分子，在其核心骨架上引入了拓展共轭体系的三芳胺基团以红移吸收波长，同时在侧翼修饰了具有特定配位能力的乙炔基吡啶基团，并在中心位置搭载了能够可逆结合与释放单线态氧的蒽环结构。随后，研究团队将该有机配体分别与配位夹角预设为60度、90度和120度的二价铂受体单元进行定向自组装，成功精准构筑了呈现三角形几何特征的60MBD、四边形特征的90MBD以及六边形特征的120MBD三种离散超分子金属环。

为了解决疏水性大环分子在生理环境下的分散问题，研究人员借助高分子表面活性剂F127对这三类金属环以及未组装的游离配体进行了单步纳米沉淀包封，制备出粒径均处于100至200纳米黄金区间的水分散性纳米颗粒。密度泛函理论计算与光谱表征清晰表明，随着金属环结构从三角形扩展至六边形，分子的空间共轭程度与骨架刚性逐步增强，吸收与发射光谱均表现出规律性的近红外红移现象，且所有纳米颗粒都在近红外一区与二区展现出双发射特性，为后续实现深度组织成像奠定了物理基础。

Fig.1 Structural characterization of BODIPY–Pt metallacycles. (a) Partial 1H NMR spectra (500 MHz, 298 K) of 60MBD (CD2Cl2), 90MBD (CD3COCD3), and 120MBD (CD2Cl2). (b–d) 31P NMR spectra (202 MHz, 298 K) of platinum acceptors (top) and the corresponding metallacycles (bottom): (b) 2a and 60MBD; (c) 2b and 90MBD; (d) 2c and 120MBD. (e–g) ESI-TOF-MS spectra of metallacycles with calculated and experimental (blue) isotopic patterns: (e) [60MBD – 5OTf]5+; [90MBD – 5OTf]5+; [120MBD – 9OTf]9+.#

几何形状驱动的物理性质博弈#

在光物理性能的系统对比中，研究人员发现超分子金属环的几何尺寸与光物理能量耗散途径之间存在着极其明显的功能权衡制约关系。具体而言，随着金属环几何构型从三角形递增至四边形和六边形，材料在808纳米激光激发下的单线态氧量子产率呈现出阶梯式递增态势，数值从游离配体的0.15%逐步跃升至三角形的2.03%、四边形的2.94%，最终在六边形结构中达到最高峰的3.45%。这种光动力学性能的显著增强，源于大环刚性化降低了单重态与三重态的能隙，加上重原子铂引起的自旋-轨道耦合效应，大幅促进了系间窜越过程。

Fig.2 DFT-calculated geometric structures and bond angles of BODIPY–Pt metallacycles. (a) 60MBD (triangular), (b) 90MBD (quadrangular), and (c) 120MBD (hexagonal). The bridging angles (θ) between adjacent metal centers are indicated.#

然而，能量耗散的另一条通道即非辐射热转化却呈现出完全相反的抑制规律。随着几何尺寸增大，过强的分子骨架刚性以及紧密的分子间堆积严重限制了分子的振动与转动耗散通道，导致光热转换效率发生剧烈下滑，从游离配体纳米颗粒的54.96%和三角形纳米颗粒的45.08%，大幅骤降至四边形的34.69%，在六边形纳米颗粒中更是跌落至仅有15.83%。与此同时，三类金属环纳米颗粒的荧光量子产率在1.58%至1.98%之间保持相对平稳。这一系列量化规律清晰表明，六边形构型虽然获得了极致的单线态氧生成能力，却牺牲了绝大部分光热产热效能；而三角形构型（60MBD）则处于最理想的均衡折中点，不仅保留了高达45.08%的优异光热转化能力，同时兼具2.03%的中等单线态氧释放量。

Fig.3 Photophysical properties of BODIPY–Pt metallacycle NPs. (a) UV–vis absorption and (b) fluorescence emission spectra of BD NPs, 60MBD NPs, 90MBD NPs, and 120MBD NPs in aqueous solution. (c) HOMO and LUMO energy level distribution of 60MBD, 90MBD, and 120MBD calculated by DFT.#

Fig.4 Morphological and size characterization of NPs. TEM images (scale bars: 200 nm) and corresponding DLS size distributions of (a) BD NPs, (b) 60MBD NPs, (c) 90MBD NPs, and (d) 120MBD NPs.#

细胞层面的抗肿瘤与免疫原性评估#

在小鼠乳腺癌4T1细胞体外实验中，四种纳米制剂在4小时内均达到了相近的细胞摄取饱和度，从而排除了摄取量差异对疗效判定的干扰。细胞毒性测试表明，六边形纳米颗粒虽然在光照下表现出最低的半抑制浓度，即极高的光毒性，但在避光暗处也表现出最强的不良暗毒性，细胞存活率显著降低至70%以下；相反，三角形60MBD纳米颗粒在黑暗条件下维持了超过85%的高细胞存活率，展现出极佳的生物相容性，而在近红外激光照射下半抑制浓度低至0.17微克/毫升，实现了安全与高效杀伤的优异兼顾。

Fig.7 In vitro cytotoxicity and intracellular ROS generation. (a–d) Dark cytotoxicity and phototoxicity of (a) BD NPs, (b) 60MBD NPs, (c) 90MBD NPs, and (d) 120MBD NPs against 4T1 cells after 48 h incubation with or without 808 nm laser irradiation (1.0 W/cm2, 3 min). All cell-based experiments were conducted at equivalent BODIPY concentrations. (e) Live/dead staining of 4T1 cells treated with DMEM (control) or the indicated NPs with or without laser irradiation. Live cells: calcein-AM (green); dead cells: PI. Scale bar: 100 µm. (f) Intracellular ROS detection using the DCFH-DA probe in 4T1 cells treated with PBS or NPs with or without laser irradiation. (g) Quantitative analysis of intracellular ROS fluorescence intensity (***p < 0.001).#

更为关键的是在免疫原性细胞死亡诱导维度的测试。免疫原性细胞死亡是激活机体特异性抗肿瘤免疫的关键桥梁，依赖于钙网蛋白暴露、高迁移率族蛋白B1释放以及三磷酸腺苷分泌等损伤相关分子模式的释放。实验结果展现出反直觉的现象：尽管六边形金属环产生的细胞内活性氧总量最高，但在激光照射下诱导钙网蛋白暴露水平最高的却是三角形60MBD纳米颗粒，其平均荧光强度分别达到四边形组的2.22倍和六边形组的3.22倍，同时60MBD诱发的高迁移率族蛋白B1释放量也是四边形和六边形组的3倍以上，胞外三磷酸腺苷释放浓度显著提升41%。这充分证实单纯追求极高的氧化应激反而会破坏细胞释放免疫信号的时空协调性，唯有三角形构型所具备的温和光动力与高效光热的协调配合，才能最大化激活免疫原性级联信号。

体内协同抗癌与远端肿瘤免疫清除#

基于体外筛选得出的最优平衡构型，研究团队在荷瘤小鼠体内展开了活体成像与抗肿瘤治疗验证。在808纳米激光照射下，注入60MBD纳米颗粒的肿瘤区域能够迅速升温15.4摄氏度，局部温度突破50摄氏度阈值，实现彻底的热消融。荧光成像与光声成像均证实该纳米颗粒在肿瘤区域具备优异的被动富集与长达72小时的长效滞留特性。

在严苛的双侧小鼠乳腺癌模型中，小鼠背部原发瘤接受局部注射与激光照射，左下腹远端转移瘤则不进行任何局部处置以评估全身免疫清除效果。治疗周期数据显示，对照组肿瘤在18天内恶性膨胀8倍，而60MBD纳米颗粒联合激光照射组在第12天便观察到明显的肿瘤萎缩消退，最终实现了超过95%的原发肿瘤生长抑制率。更重要的是，治疗引发了强大的全身性免疫抗肿瘤反应，远端未照射肿瘤内部的成熟树突状细胞比例飙升至对照组的11.83倍，细胞毒性T淋巴细胞（CD8+ T细胞）的浸润水平达到对照组的6.90倍，有效遏制了远端肿瘤的进展并重塑了促炎性的抗癌微环境，病理学及血生化指标同时印证了该平台未造成明显的器官毒性与系统副作用。

Fig.8 ICD induction in vitro. (a) Schematic illustration of the ICD mechanism. (b) Extracellular ATP levels released from 4T1 cells after different treatments (*** p < 0.001). Group information: I. PBS; II. PBS + L; III. BD NPs; IV. BD NPs + L; V. 60MBD NPs; VI. 60MBD NPs + L. (c) Immunofluorescence staining of CRT exposure (green) with DAPI nuclear counterstaining (blue). (d) Immunofluorescence staining of HMGB1 release (green) with DAPI nuclear counterstaining (blue). Scale bars: 50 µm.#

Fig.9 In vivo imaging of tumor-bearing mice. (a) Temperature changes at tumor sites in 4T1 tumor-bearing mice intra-tumoral injected with PBS, BD NPs (5.0 µg/mL), or 60MBD NPs (7.5 µg/mL) under 808 nm laser irradiation (1.0 W/cm2), recorded every minute. (b) Infrared thermal images (top) and corresponding temperature elevation curves (bottom) (*** p < 0.001). (c) In vivo NIR fluorescence imaging of 4T1 tumor-bearing mice at different time points after intra-tumoral injection of BD NPs (5.0 µg/mL) or 60MBD NPs (7.5 µg/mL). (d) Ex vivo fluorescence images of major organs and tumors harvested at 72 h post-injection. (e) Quantitative analysis of tumor fluorescence intensity over 72 h. (f) In vivo photoacoustic imaging of tumors at 0.5 and 48 h post-injection of BD NPs (20 µg/mL) or 60MBD NPs (20 µg/mL). (g) Quantitative analysis of photoacoustic signal intensity at 0.5 and 48 h.#

总结与未来展望#

该项研究系统建立了以分子几何构型为核心的超分子纳米药物结构-性能-功能关联规律，揭示了从三角形到六边形配位演化过程中光热转换与光动力转化之间的此消彼长机制，确立了三角形60MBD作为集光热消融、光动力损伤、化疗释放以及免疫原性细胞死亡于一体的最优解。尽管这项工作在体外和局部对比中清晰阐明了三角形结构的均衡优势，但论文也客观指出，受限于复杂动物实验的规模，研究在体内治疗环节主要选取了三角形组与游离配体组进行深入比对，未来仍需在动物体内直接对四边形与六边形金属环展开全方位的平行药效与免疫分布比对，进一步探究不同比例光热与光动力在活体免疫激活中的深层因果机制，从而为下一代基于几何工程的精准抗癌纳米药物研发提供更为坚实的临床转化依据。

【Adv.Funct.Mater.】杭州师范尹守春等|氟硼荧-铂(II)超分子金属环的几何工程调控：平衡光热、光动力与免疫协同治疗平台实现超95%肿瘤抑制率