肿瘤免疫治疗虽能激活宿主免疫系统并建立长期免疫记忆,但实体瘤异质性和免疫抑制微环境仍限制其疗效。光动力治疗可通过ROS介导的免疫原性细胞死亡重塑肿瘤免疫微环境,NIR-II发光和AIE活性光敏剂因穿透深、抗π-π堆积而更具潜力;然而现有体系仍受大共轭骨架成本高、ROS生成与细胞摄取有限、主要经光热诱导凋亡而导致免疫沉默等问题制约。坏死性凋亡和铁死亡可释放免疫原性信号、增强抗肿瘤免疫,但能同时激活二者且具AIE活性的NIR-II光敏剂仍稀缺;阴离子-π⁺相互作用和氟原子带来的范德华作用、抑制非辐射衰减等优势尚未在阴离子调控层面充分用于此类光敏剂。
为此,内蒙古大学王建国教授、香港中文大学(深圳)唐本忠院士合作,提出全氟烷基阴离子策略:以单侧全氟烷基链的PFB和双侧全氟烷基链的BPFB替换A/HFA与TPQ/HFA中的HFA反离子,得到A/PFB、TPQ/PFB、A/BPFB和TPQ/BPFB。BPFB通过阴离子-π⁺和范德华相互作用更有效限制分子内运动,使A/BPFB NPs和TPQ/BPFB NPs荧光强度分别较HFA类似物提高50.8倍和4.2倍;TPQ/BPFB NPs兼具NIR-II发射、优异线粒体靶向、强ROS生成和抗光漂白能力,光照下同时激活坏死性凋亡与铁死亡,触发系统性免疫,并借BPFB赋予的亲脂性加深肿瘤穿透,实现95%的肿瘤抑制率,免疫记忆还显著减少肺转移。相关论文以“Perfluoroalkyl Anion Strategy to Construct Anion–π+ Type NIR-II Phototheranostic Agents for Enhanced Tumor Immunotherapy via Necroptosis/Ferroptosis”为题,发表在JACS上。
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研究首先以A/HFA和TPQ/HFA为起点,用PFB和BPFB替换HFA并制备纳米颗粒,形成从HFA到PFB再到BPFB的阴离子演变序列(图1a);随全氟烷基链由单侧变为双侧,体系朝增强荧光和ROS生成方向变化,并赋予NIR-II发射、线粒体靶向、I型ROS生成、坏死性凋亡/铁死亡诱导和抗转移等特征;在660 nm光照下,ROS参与GPX4相关铁死亡和RIPK1/RIPK3/MLKL相关坏死性凋亡,释放DAMPs并推动免疫激活,最终抑制原发肿瘤和肺转移(图1b)。
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图1:(a)全氟烷基阴离子策略增强荧光强度和ROS产生性能。(b)坏死性凋亡和铁死亡激活强大免疫,抑制原发肿瘤和肺转移(由Figdraw创建)。
为在分子层面验证阴离子策略,研究测定了A系列和TPQ系列在PBS中的吸收/发射光谱,并用等温滴定量热和分子动力学模拟解析阴离子与π⁺核心的结合。引入PFB、尤其BPFB后,体系吸收红移、荧光显著增强(图2a-d);BPFB与A/HFA强结合,与TPQ/HFA的解离常数低至3.41×10⁻⁶ M,结合过程自发(图2e-h);模拟显示BPFB与π⁺核心及含硫芳环的范德华作用更强,离子对更紧密,MSD明显降低(图2i-l)。这表明全氟烷基阴离子尤其BPFB能与π⁺核心形成更紧密的离子对,通过阴离子-π⁺和范德华作用限制分子内运动、抑制非辐射耗散,从而增强荧光。
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图2:(a)A/HFA、A/PFB和A/BPFB在PBS中的吸收光谱;(b)其光致发光(PL)光谱。(c)TPQ/HFA、TPQ/PFB和TPQ/TPQ/BPFB在PBS中的吸收光谱;(d)其PL光谱。25 °C下(e-f)PFB阴离子或(g-h)BPFB阴离子滴定TPQ/HFA的等温滴定量热数据。(i)100个BPFB阴离子与100个π⁺核心形成紧密结构的分子动力学模拟。(j)阴离子(HFA、PFB和BPFB)与π⁺核心之间随时间变化的范德华相互作用能。(k)阴离子(HFA、PFB和BPFB)与π⁺核心中含硫芳环之间随时间变化的范德华相互作用能。(l)均方位移(MSD)随时间的变化。
在纳米颗粒层面,研究比较了A系列和TPQ系列NPs的吸收/发射光谱、平均荧光强度、DCFH探针ROS生成和飞秒瞬态吸收。BPFB取代后NPs荧光显著增强(图3a-f),TPQ/BPFB NPs的ROS生成更快更强,仅4 min即达平台(图3g);瞬态吸收显示聚集后激发态寿命延长、慢组分幅度增加、基态漂白恢复更慢(图3h、i)。这说明BPFB NPs的荧光和ROS生成能力同步提升,聚集可抑制非辐射衰减、促进ISC和三重态生成,从而提高ROS产生效率。
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图3:(a)A/HFA NPs、A/PFB NPs和A/BPFB NPs(10 μM)在PBS中的吸收光谱;(b)其PL光谱。(c)TPQ/HFA NPs、TPQ/PFB NPs和TPQ/BPFB NPs(10 μM)在PBS中的吸收光谱;(d)其PL光谱。(e)A/HFA NPs、A/PFB NPs和A/BPFB NPs(20 μM)在PBS中的平均荧光强度。数据以均值±SD表示,每组n=3,p<0.001。(f)TPQ/HFA NPs、TPQ/PFB NPs和TPQ/BPFB NPs(20 μM)在PBS中的平均荧光强度。数据以均值±SD表示,每组n=3,p<0.01,**p<0.001。(g)在TPQ/HFA NPs、TPQ/PFB NPs和TPQ/BPFB NPs存在下,DCFH在660 nm激光照射(0.1 W cm⁻²)不同时间后PL强度的相对变化。(h)TPQ/BPFB在水中的飞秒瞬态吸收及激发态动力学分析。(i)TPQ/BPFB在583 nm处的光诱导吸收动力学。
在细胞层面,研究用MitoTracker Green共定位、连续激光照射、DCFH-DA染色、MTT和Calcein-AM/PI评价线粒体靶向、抗光漂白、胞内ROS与光毒性。A/BPFB NPs和TPQ/BPFB NPs与线粒体的Pearson相关系数超过0.84(图4a),而与溶酶体和脂滴的相关系数分别低于0.23和0.25;500 s连续照射后TPQ/BPFB NPs仍保留69%荧光,优于TPQ/HFA NPs的32%和TPQ/PFB NPs的43%(图4b、c);TPQ/BPFB NPs在胞内产生最强ROS信号(图4d、e),TPQ/BPFB NPs在3 μM光照下使HeLa细胞存活率降至7.0%,暗毒性很小、存活率>95%(图4h),活/死染色亦显示光照后几乎全部为红色死细胞信号(图4i)。
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图4:(a)A/BPFB NPs和TPQ/BPFB NPs与MitoTracker Green的共定位图像。比例尺=5 μm。(b)连续激光照射下A/HFA NPs、A/PFB NPs和A/BPFB NPs的信号变化。(c)连续激光照射下TPQ/HFA NPs、TPQ/PFB NPs和TPQ/BPFB NPs的信号变化。(d)A/HFA NPs、A/PFB NPs、A/BPFB NPs(4 μM)在HeLa细胞中使用DCFH-DA作为总ROS荧光指示剂的ROS生成。比例尺=20 μm。(e)TPQ/HFA NPs、TPQ/PFB NPs和TPQ/BPFB NPs(4 μM)在HeLa细胞中使用DCFH-DA作为总ROS荧光指示剂的ROS生成。比例尺=20 μm。(f)图4e中DCFH-DA相应荧光信号分析。(g)A/BPFB NPs和(h)TPQ/BPFB NPs处理HeLa细胞在有或无660 nm激光照射(0.25 W cm⁻²,10 min)下的活力。数据以均值±SD表示,每组n=3,***p<0.001。(i)不同实验组HeLa细胞活/死细胞染色结果。比例尺=100 μm。
机制上,研究通过TEM、细胞死亡抑制剂、Western blot、LDH释放、胞外ATP和CRT/HMGB1免疫荧光判断死亡方式与免疫原性信号。TPQ/BPFB NPs光照组出现细胞膜破坏、细胞器肿胀和线粒体空泡化等坏死性凋亡特征(图5a),凋亡、自噬和焦亡抑制剂不能挽救细胞,而坏死性凋亡抑制剂NSA、Nec-1和铁死亡抑制剂Fer-1可提高存活(图5b);P-RIPK1、P-RIPK3和P-MLKL升高、GPX4下调(图5c),GSH降至16.4%,NADPH/(NADP⁺+NADPH)比值降至0.39,LDH释放达对照17.0倍(图5d),胞外ATP增加(图5e)并伴随CRT暴露和HMGB1核外转位(图5f),表明坏死性凋亡与铁死亡共同诱导ICD和DAMPs释放。
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图5:(a)不同处理后HeLa细胞的TEM分析。红箭头指向线粒体。(b)在TPQ/BPFB NPs(4 μM)和不同细胞死亡抑制剂存在下,HeLa细胞接受660 nm激光(0.25 W cm⁻²,10 min)后的活力。数据以均值±SD表示,每组n=3,p<0.05,p<0.01,p<0.001。(c)磷酸化RIPK1(P-RIPK1)、磷酸化RIPK3(P-RIPK3)、磷酸化MLKL(P-MLKL)和GPX4的表达水平。(d)不同实验组HeLa细胞的LDH泄漏实验。数据以均值±SD表示,每组n=3,p<0.01,p<0.001。(e)不同处理后培养液中细胞外ATP发光强度测量结果。数据以均值±SD表示,每组n=3,**p<0.001。(f)不同处理后HeLa细胞中CRT和HMGB1的免疫荧光成像。比例尺=20 μm。
体内治疗中,研究设计如图6a所示,采用瘤内注射、NIR-II成像、660 nm激光照射和肿瘤体积/重量监测,并以H&E、TUNEL、CD31、GPX4和P-RIPK3染色评价疗效与机制。TPQ/BPFB NPs的肿瘤荧光信号随时间下降,原文归因于BPFB增强亲脂性、促进更深穿透(图6b),光照后肿瘤生长显著受抑,离体肿瘤最小、重量最低,抑瘤效果最佳(图6c-e);H&E和TUNEL显示广泛肿瘤损伤和坏死,CD31显示血管生成受抑,免疫荧光显示GPX4信号消失、P-RIPK3信号增强(图6g),主要器官和血常规、肝肾功能未见明显异常。
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图6:(a)肿瘤植入、NPs注射、激光照射和肿瘤生长监测的时间安排示意图。(b)注射TPQ/HFA NPs或TPQ/BPFB NPs后不同时间肿瘤区域荧光强度的相对变化。(c)不同治疗后相对肿瘤体积变化。数据以均值±SD表示,每组n=5,p<0.001。(d)不同治疗后离体肿瘤照片。(e)离体肿瘤重量和(f)小鼠在不同治疗期间的相对体重变化。数据以均值±SD表示,每组n=5,p<0.05,*p<0.001。(g)不同治疗后小鼠肿瘤的H&E染色、TUNEL、CD31免疫组化染色以及GPX4、P-RIPK3免疫荧光染色。
免疫激活方面,研究以流式检测脾脏成熟DC和T淋巴细胞、以ELISA检测血清细胞因子。TPQ/BPFB NPs光照组成熟DC比例达46.9%,高于TPQ/HFA NPs光照组的41.7%(图7b);CD4⁺ T细胞比例达17.1%,CD8⁺比例达13.5%、为PBS光照组的4.64倍(图7c、d);肿瘤组织CD4⁺和CD8⁺ T细胞浸润最广泛,TNF-α、IL-6和IFN-γ分别达到PBS光照组的1.57、1.46和1.42倍(图7e-g),说明DC成熟、T细胞激活和促炎因子分泌共同增强。
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图7:(a)体内抗肿瘤研究的治疗时间表。(b)不同治疗后脾脏成熟DC的流式检测。(c)T淋巴细胞流式检测及相对群体,(d)不同治疗后脾脏CD4⁺、CD8⁺。数据以均值±SD表示,每组n=3,p<0.01,p<0.001。ELISA分析(e)TNF-α、(f)IL-6和(g)IFN-γ。数据以均值±SD表示,每组n=3,p<0.01,p<0.001。
抗转移评价中,研究在原发瘤治疗后48 h静脉注射4T1-Luc细胞模拟血行播散,15天后以肺生物发光和H&E评估转移负荷(图8a)。TPQ/BPFB NPs光照组肺荧光素酶信号最弱,生物发光强度降至PBS光照组的7%(图8b、c),肺切片中转移结节极少(图8d);TPQ/HFA NPs光照组降至19%,而对照组可见广泛肿瘤结节,表明该光免疫治疗不仅抑制原发瘤,还通过系统性免疫有效减少肺转移。
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图8:(a)TPQ/HFA NPs和TPQ/BPFB NPs介导治疗抗肺转移的时间安排。(b)检测4T1-Luc细胞荧光素酶信号以追踪不同组肺转移生长。(c)图8b中肺内荧光素酶信号强度分析。数据以均值±SD表示,每组n=4,*p<0.05。(d)H&E染色检查的肿瘤肺转移切片代表性图像。比例尺=1000 μm。
综上,该研究以全氟烷基阴离子替换反离子调控阴离子-π⁺型AIE光敏剂,BPFB凭借双侧全氟烷基链增强阴离子-π⁺和范德华作用、限制分子内运动,从而同步提升荧光、I型ROS生成、线粒体靶向和抗光漂白能力;TPQ/BPFB NPs在光照下同时激活坏死性凋亡和铁死亡,促进ICD、DC成熟和T细胞激活,并借助亲脂性实现更深肿瘤穿透,获得95%的原发瘤抑制率和显著降低的肺转移负荷。该策略为开发高效NIR-II阴离子-π⁺型光敏剂、克服肿瘤免疫抵抗和重塑肿瘤微环境提供了可行方向,也为实体瘤光动力免疫治疗提供了新思路。
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