本征近红外二区荧光纳米酶实现高分辨成像与肿瘤催化免疫治疗

背景

光学成像凭借其高灵敏度、高时空分辨率和实时动态监测等优势，在肿瘤诊断、术中导航和治疗评估等生物医学领域发挥着重要作用。然而，传统荧光探针多位于可见光或近红外一区波段，受组织散射和自发荧光干扰影响，成像穿透深度、空间分辨率和信噪比仍然受限。近红外二区荧光成像（NIR-II，1000-1700 nm）因具有更低的组织散射、更弱的背景干扰和更高的成像对比度，被认为是深层组织高分辨活体成像的重要技术方向。

纳米酶作为天然酶的稳定替代物，在肿瘤催化治疗中展现出良好应用前景。然而，其体内实时追踪、生物安全性和治疗过程可视化仍面临挑战。现有将荧光成像与纳米酶催化功能整合的策略，多依赖金属掺杂、异质复合或外源荧光标记，可能存在组分泄漏、生物毒性、结构稳定性不足以及荧光量子产率偏低等问题。尤其是多数纳米酶缺乏本征NIR-II发射能力，难以同时实现高对比度成像与精准催化治疗。

针对上述难题，南京邮电大学范曲立教授、吴鲁艳教授与湖南大学林会会教授等合作，基于花菁染料前驱体IR-1048，成功设计合成了一类本征近红外二区荧光纳米酶（AFNZs）。该材料将高亮度NIR-II荧光成像、多重类酶催化活性以及外场增强治疗功能集成于一体，为肿瘤精准成像与催化免疫治疗提供了新的材料平台。

图文解析

一、材料设计与本征NIR-II荧光特性

AFNZs的合成以花菁染料IR-1048为前驱体，通过引入谷胱甘肽（GSH）或支化聚乙烯亚胺（BPEI）作为硫源或氮源，在溶剂热条件下精准调控S/N化学计量比。图1结果表明：透射电镜显示所有AFNZs为均匀的~4.8 nm纳米点，具有石墨化晶格结构。X射线光电子能谱和拉曼光谱证实了硫和氮元素的有效掺杂。研究团队发现，优化后的IS-AFNZs表现出优异的本征NIR-II发光性能。通过引入磺酸根（-SO₃⁻）、吡咯氮等功能结构，并调控S/N比例至~1.2，有效优化了材料的电子能带结构。IS-AFNZs的荧光发射峰位于1138 nm，较I-AFNZs红移26 nm，量子产率超过1.4%，发光强度较前驱体提升约20倍。密度泛函理论计算揭示，IS-AFNZs具有最窄的HOMO-LUMO能隙（0.51 eV），显著低于其他AFNZs，支持了其红移的荧光发射，并且时间分辨光致发光测量显示IS-AFNZs具有24.9 μs的荧光寿命。同时，分子动力学模拟显示，在水环境中AFNZs单体发生明显聚集，二面角分布收窄表明分子内运动受限（RIM），这可能是荧光增强的关键因素。溶剂和浓度依赖性荧光测试进一步支持了这一机制：随着水含量增加，NIR-II荧光逐渐增强；浓度从20 μg/mL增至200 μg/mL时，荧光强度持续上升，未观察到浓度猝灭。这一特性克服了传统有机染料在聚集状态下荧光猝灭的局限。这些结果揭示了AFNZs的荧光增强源于聚集诱导发光（AIE）机制。

图1. NIR-II自荧光纳米酶（AFNZs）的设计与表征

二、高分辨的近红外二区（NIR-II）成像

图2结果表明：IS-AFNZs在鸡胸肉组织中的荧光穿透深度可达8 mm，信噪比（SBR）达63.7，显著优于前驱体IR-1048（SBR=1.2）和临床造影剂ICG（SBR=2.4）。在活体血管成像中，IS-AFNZs在1064 nm激发下清晰勾勒出腹部、后肢和脑部血管网络。后肢血管成像的空间分辨率达0.67 mm（半高宽），脑部血管成像的SBR达4.8。在4T1皮下瘤模型中，IS-AFNZs经静脉注射后24小时在肿瘤部位实现最大富集。在NIR-II荧光引导下，成功实现了微小肿瘤（<5 mm）的精准切除，术后未见残留荧光信号。该成像策略还可拓展至多种花菁类前驱体（IR-1061、IR-26、IR-140、FD-1080），证实了方法的普适性（图3）。

图2. 用于体内高对比度 NIR -II荧光成像的AFNZs

图3. 该策略在花青素衍生的 NIR -II AFNZs中的适用性

三、多重类酶活性与催化机制

图4结果表明：AFNZs展现出过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）和氧化酶（OXD）等多重类酶活性，其中IS-AFNZs表现出最优的催化性能：POD样活性的最大反应速率为1.79×10⁻⁷ M s⁻¹，较I-AFNZs提高2.06倍；CAT样活性的米氏常数（Kₘ）为51.47 mM，对H₂O₂的亲和力优于其他AFNZs。电子自旋共振谱进一步证实了·OH、¹O₂和O₂·⁻的生成。在POD样路径中，H₂O₂在IS-AFNZs上吸附后解离为·OH，所有反应步骤均为放热且能量有利；在CAT样路径中，H₂O₂被活化为·OH中间体，随后与另一H₂O₂反应生成H₂O和O₂；对于OXD样路径，O₂吸附是决速步骤，IS-AFNZ的吸附能垒（0.21 eV）远低于I-AFNZ（0.74 eV），反映了其对O₂的高亲和力。

图4. AFNZs的酶模拟活性及催化动力学

四、催化治疗与免疫激活机制

图5结果表明：IS-AFNZs的细胞实验表明，在100 μg/mL浓度下联合超声和1064 nm激光处理，细胞抑制率达83.2%。在机制层面，持续生成的ROS触发BNIP3上调，BNIP3通过其BH3结构域竞争性结合Bcl-2，释放Beclin1启动线粒体自噬。然而，持续的ROS造成溶酶体严重损伤，阻断自噬小体-溶酶体融合，表现为LC3-II/LC3-I比值升高和p62累积。过度的线粒体自噬导致线粒体膜电位丧失、细胞色素C释放和Caspase-6激活，最终引发细胞凋亡。转录组学分析证实了自噬流阻断、凋亡通路激活和免疫相关基因上调。在原位胶质瘤模型中（图6），IS-AFNZs联合超声和激光治疗组实现了100%的90天生存率，该治疗显著促进树突状细胞成熟（从11.6%提升至53.3%），增强CD4⁺/CD8⁺ T细胞浸润，并降低调节性T细胞比例。

图5. AFNZs诱导的细胞死亡

图6. IS-AFNZs在原位胶质母细胞瘤小鼠模型中的治疗效果及免疫激活作用

论文信息

该成果发表在Angewandte Chemie International Edition（DOI: 10.1002/anie.3521141）上。南京邮电大学青年教师杨方麒博士为文章第一作者，南京邮电大学范曲立教授、吴鲁艳教授和湖南大学林会会教授为共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等支持。

课题组简介

吴鲁艳，教授，博士生导师。2020年博士毕业于南京大学，2020–2022年在南京大学从事博士后研究工作，2022年入职南京邮电大学，作为高层次人才引进（第四层次）开展科研工作。吴鲁艳教授长期致力于智能响应型生物医学成像探针与精准诊疗技术研究，围绕病微环境中生物标志物的精准识别与信号调控，发展新型荧光、长余辉发光及光声成像分子探针，实现疾病早期诊断、动态监测及精准治疗。课题组融合分析化学、化学生物学、功能材料与生物医学工程等多学科交叉优势，重点探索高选择性、高时空分辨率及智能响应型分子影像技术，推动疾病的精准检测。近年来，吴鲁艳教授以第一作者或通讯作者（含共同）在国际学术期刊发表研究论文24篇，包括Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition等。围绕智能成像探针及诊疗一体化技术，已申请中国发明专利9件、澳大利亚专利1件，授权专利4件。主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等科研项目14项。目前，课题组主要开展三个方向研究：（1）智能响应型分子影像探针的设计及生物医学应用；（2）药物智能递送与疾病精准诊疗策略开发；（3）新型纳米酶的设计与疾病诊疗应用。

课题组坚持面向生命健康领域重大科学问题，围绕“疾病微环境感知—智能信号放大—精准诊断与治疗”这一核心理念，开展化学、材料与医学交叉创新研究。现诚邀对分析化学、化学生物学、功能材料、生物医学成像及纳米医学等方向感兴趣的本科生、研究生及青年学者加入，共同探索智能生物医学成像与精准诊疗技术的新方法和新策略。

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