【Matter】北京理工大学张金凤等|单次给药7天长效、肿瘤抑制率达70%！无刺激响应的“变形”纳米光敏剂，手机手电筒也能做PDT
文章标题：From thermodynamically metastable to stable: Stimuli-independent transformable nanophotosensitizers for practical photodynamic therapy
通讯作者：Qing-Xiao Tong，Xiaoyuan Chen，Jinfeng Zhang
文章概要
北京理工大学张金凤教授设计并合成了一种无需任何体内外刺激响应、能自发实现“球转棒”形貌转变的纳米光敏剂（SITNPS）。该纳米光敏剂在初始状态下为小尺寸纳米球，可高效渗透至肿瘤深部；随后在热力学第二定律的驱动下，自发且缓慢地在肿瘤微环境中转化为长径比极大的纳米棒。这种形貌转变赋予了其超长的肿瘤滞留时间（长达7天）。结合其优异的双光子激发特性与单线态氧产生效率，该系统不仅能通过双光子激光激发，甚至可以直接用便携式智能手机的手电筒光激活行光动力治疗（PDT）。在单次给药后进行三次手机光照治疗，其肿瘤抑制率高达70.0%，远超临床常用光敏剂，为实现便携、实用的深部肿瘤光疗提供了全新策略。
引言
纳米药物在癌症诊疗领域展现出巨大的应用前景，但如何平衡高效的肿瘤组织渗透与持久的肿瘤局部滞留，一直是临床转化面临的一大瓶颈。通常，5至100纳米的小型球状纳米颗粒极易渗透进肿瘤深部，但由于容易被代谢清除，其在肿瘤部位的滞留时间往往仅有1到2天。相反，大尺寸的长条状纳米材料虽然滞留时间长，但系统给药后易被肝肺等器官拦截，难以有效富集。近年来，科学家们开发了多种可在肿瘤微环境（如弱酸、高谷胱甘肽或特定酶）或外部刺激（如光、磁、热）下发生尺寸或形貌转变的纳米系统。然而，这些方法严重依赖于肿瘤微环境的非均匀刺激源或复杂的外部设备，转化效率受限。因此，如何设计一种无需任何刺激信号、可依靠自身热力学驱动自发变形的纳米药物，成为亟待解决的科学问题。
Scheme 1 Schematic illustration of the design and construction of SITNPS and its application in practical PDT
主要实验及结论
研究团队巧妙地设计并合成了一种无空间位阻的供体-π-受体（D-π-A）型BODIPY衍生物（命名为BDP-1），该分子包含一个平面芳香构筑基团菲并咪唑（PI）作为供体和一个BODIPY受体，并引入空间位阻较大的BDP-2作为对照组。
Figure 1 Construction and characterization of the BDP-1 NPs and BDP-2 NPs
如图1所示，密度泛函理论计算揭示了BDP-1独特的电荷分离分布，其相反的静电势区域促使分子间通过强烈的π-π堆积和静电吸引作用发生自 assembled 聚集。通过快速沉淀法，研究者将疏水的BDP-1和BDP-2制备成了单分散性良好的纳米颗粒，其初始水动力学直径分别为71.06纳米和84.09纳米，显着提升了这类染料在水相中的溶解度和生物兼容性。
Figure 2 Stimuli-independent morphological transformation of the BDP-1 NPs and BDP-2 NPs
这种自assembled 纳米颗粒表现出了令人惊叹的自发形貌转变特性。如图2所示，新制备的BDP-1纳米颗粒在透射电镜下呈现出规整的纳米球结构。随着储存时间的推移，由于BDP-1分子高度平面的线性结构带来的分子间强相互作用，纳米球开始在3天后向高长径比的纳米棒转化，并在7天时完全转变为均匀的纳米棒。相比之下，由于R基团具有较强的空间位阻，BDP-2仅能形成较短的纳米棒，且转化并不彻底。热力学性质测试显示，加热到80°C能不可逆地加速这一“球转棒”的过程，证明初始的纳米球是动力学捕获的亚稳态，而最终的纳米棒是热力学稳定的稳态，这一转变是一个自发的熵增过程。
Figure 3 Molecular dynamics simulation analysis of the self-assembly processes of BDP-1 and BDP-2
为了在分子尺度理解这一自组装动力学行为，研究团队进行了分子动力学模拟。如图3所示，两种分子在理想状态下均经历了从有序球形起始状态、解离生成二级星状簇合物再到聚集成棒状结构的三个阶段。模拟计算得到的位能曲线表明，BDP-1系统具有比BDP-2更低且更稳定的势能终态，且其回转半径在不同维度上的差异进一步证实了其形成高长径比纳米棒的热力学自发趋势，这与实验中观察到的形貌变化高度契合。
Figure 4 TPE emission features and cytotoxicities of the BDP-1 NPs and BDP-2 NPs, as well as SPE/TPE fluorescence images of the BDP-1 NPs
由于BDP-1具有极佳的光物理性质，团队深入评估了其生物成像与光动力治疗效果。如图4所示，BDP-1纳米颗粒展现出了显著的双光子激发（TPE）荧光特性，在880纳米飞秒激光照射下表现出强烈的多通道荧光发射，极适合用于体内外成像。此外，细胞毒性实验证实，在无光照条件下，该纳米颗粒对正常细胞和癌细胞均具有优异的生物安全性。
Figure 5 PDT efficacy of the BDP-1 NPs and BDP-2 NPs
在光敏化性能评估方面，如图5所示，纳米化组装不仅极大地改善了BDP-1的吸光能力，还因为自组装过程重建了激发态能量传递路径，使得BDP-1纳米颗粒的单线态氧（1O2）量子产率提升至25.8%。细胞实验表明，BDP-1纳米颗粒能中度定位于线粒体中，光照后产生的大量活性氧会引发明显的线粒体膜电位丧失、DNA损伤并最终诱导癌细胞凋亡。即使在使用低光照强度的智能手机手电筒白光照射下，其单线态氧产率仍能达到5.84%，表现出极佳的临床应用便利性。
Figure 6 Deep tissue penetration and enhanced tumor retention of the SITNPS
最后，研究人员在小动物层面上验证了该系统的靶向渗透与治疗潜力。如图6所示，在三维多细胞肿瘤球模型中，小尺寸的初始BDP-1纳米球表现出了极佳的深层组织渗透能力。更为重要的是，在活体小鼠实验中，与无法变形的临床光敏剂Ce6和PpIX相比，BDP-1在注射5天后仍能在肿瘤部位产生极强的荧光信号，其肿瘤滞留信号强度分别达到了Ce6和PpIX的12倍和20倍，肿瘤内生物电镜切片进一步证实了其在细胞内确实自发转化为了纳米棒，从而实现了药物的“只进不出”。
Figure 7 Two-photon and smartphone-torch-activated PDT effect and biosafety of the SITNPS
在活体抗肿瘤治疗中，如图7所示，单次注射BDP-1纳米颗粒后配合双光子激光激发，小鼠肿瘤生长得到了显著抑制。而在大体积肿瘤模型中，得益于长达7天的肿瘤滞留期，研究人员仅需单次给药，便可在第0、3、5天多次使用便携式智能手机的手电筒光进行局部照射。最终，手机光照组的肿瘤抑制率高达70.0%，远优于Ce6（22.0%）和PpIX（45.4%）单次治疗的效果，且治疗期间小鼠体重及主要脏器切片均未见异常，证实了该疗法绝佳的安全防线。
总结及展望
这项工作巧妙利用物理化学中的热力学规律，设计出一种无需外源或内源刺激响应、自发进行形貌转变的“球转棒”纳米光敏剂系统。该系统成功解决了传统纳米药物“渗透”与“滞留”不可兼得的矛盾。通过引入双光子激发和极具创新性的便携式“手机手电筒”激活光动力治疗，该研究不仅克服了传统光疗受限于光源设备、无法在医疗资源匮乏地区普及的窘境，也为深部肿瘤的持久治疗开辟了新途径。未来，深入探明此类非刺激响应型变形药物在体内的精准代谢轨迹和免疫兼容性，将进一步加速其从实验室走向临床应用的步伐。