Sci. China Chem. | 多功能糖簇纳米颗粒递送近红外光敏剂实现增强细胞成像和光动力治疗

2025-05-14 16:43

近日，烟台新药创制山东省实验室韩海浩课题组联合山东第二医科大学董磊、公锦、张丽平等研究团队报道了一种新型多功能糖簇纳米颗粒递送近红外光敏剂实现增强细胞成像和光动力治疗（PDT）。相关成果以“Smart Formation of Multifunctional Glyco-nanoparticles: Glycoclusters Delivering NIR Photosensitizers for Enhanced Cell Imaging and Photodynamic Therapy”为题发表于化学权威杂志Sci. China Chem.。

在医学领域，肿瘤和细菌感染一直是困扰人类健康的重大难题。传统治疗方法，像手术、化疗、抗生素治疗等，在应对这些问题时存在诸多局限，比如手术创伤大、化疗和抗生素易产生耐药性等。因此，科学家们一直在积极探寻更高效、低副作用的治疗策略，在此背景下，光动力疗法（PDT）应运而生。

光动力疗法借助光敏剂，在特定光照下产生具有细胞毒性的活性氧（ROS），这些ROS能精准地诱导肿瘤细胞凋亡或使细菌死亡，还能凭借光敏剂自身的荧光特性，为生物成像和疾病诊断提供助力。但是，目前光敏剂在实际应用中困难重重，水溶性差就是其中一大阻碍，它会导致细胞对光敏剂的摄取效率低下，生物相容性也大打折扣，极大地限制了PDT的治疗效果。因此，如何提升光敏剂的生物相容性和细胞摄取能力，成为实现高效PDT亟待解决的关键科学问题。

为解决以上科学问题，研究团队提出了一种创新策略——构建多功能糖纳米颗粒（KL1-G和KL2-G，图1）。原理是利用团队自主开发的基于“D-π-A”结构的光敏剂（KL1和KL2）与四苯乙烯基糖簇（TPE-Glc4）进行自组装。其中，光敏剂结构中三氰基呋喃（TCF）作为电子受体，四苯乙烯（TPE）作为电子供体，二者通过噻吩衍生物相连，这种独特结构使得KL1和KL2具备近红外荧光发射和聚集诱导产生活性氧的能力。此外，TPE-Glc4有着特殊的两亲性结构，它的疏水扭曲TPE空腔能够容纳光敏剂，而亲水的PEG链和葡萄糖苷则能与水相互作用，不仅解决了光敏剂水溶性差的问题，还促进了其在细胞中的内吞作用。

研究人员首先对合成化合物展开全面溶液表征。光物理性质上，KL1和KL2在不同有机溶剂有400-700 nm宽吸收带，近红外窗口荧光发射与大斯托克斯位移性质，这源于分子内显著的电荷转移（ICT）效应，通过密度泛函理论（DFT）计算也证实了电荷转移过程。对纳米颗粒自组装及特性研究发现，KL1和KL2在PBS缓冲液中形成无定形聚集体，光谱改变。与TPE-Glc4自组装形成的糖纳米颗粒KL1-G和KL2-G水稳定性提升、粒径减小、形态收缩短粗，内部发生Förster共振能量转移（FRET）使TPE-Glc4荧光猝灭。在活性氧生成能力测试中，结果发现KL1、KL2聚集态及糖纳米颗粒KL1-G、KL2-G都能产生活性氧，包括单线态氧和超氧自由基，但几乎不产生羟基自由基，且KL1-G和KL2-G光稳定性良好。在细胞水平生物学评价中，细胞摄取实验显示，糖纳米颗粒KL1-G和KL2-G比单独光敏剂或与F127形成的纳米颗粒细胞摄取效率更高，推测是其表面葡萄糖苷与癌细胞葡萄糖转运蛋白结合促进了摄取。光动力治疗效果评估表明，黑暗中糖纳米颗粒无细胞毒性，光照下糖纳米颗粒细胞毒性随浓度增加，且KL2-G表现突出，低浓度（1 μM）下便显著降低细胞活力，且相比F127纳米颗粒，具有更高的PDT效率，科研人员在多种肿瘤细胞系中验证了其光谱性。最后，在对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的光动力抗菌研究发现，糖纳米颗粒KL2-G对大肠杆菌PDT效果显著，在光照下MIC80值可降至4 μM，表明了糖纳米颗粒KL2-G在光动力抗菌方面的应用潜力。

图1 多功能糖纳米颗粒（KL1-G和KL2-G）的构建及其用于肿瘤细胞和细菌的增强近红外成像及光动力治疗机理图

本研究成功开发了一种简便高效的自组装策略，该策略显著提高了光敏剂的生物摄取效率。此研究成果为肿瘤与细菌感染PDT治疗领域提供了新的方向与思路；同时，也促进了生物成像和光疗领域的发展。

烟台新药创制山东省实验室韩海浩与山东第二医科大学董磊、公锦、张丽平为本论文的共同通讯作者。山东第二医科大学何开丽与烟台新药创制山东省实验室孙璐璐为本论文第一作者，省实验室研究生李文嘉等人对本论文的完成提供了支持和帮助。

本工作得到了国家自然科学基金项目，泰山学者项目，中国化学会青年人才托举工程项目，山东省自然科学基金项目，山东省青创团队计划，山东省实验室项目以及烟台市科技创新发展计划项目等基金项目的资助。

全文链接：

https://www.sciengine.com/SCC/doi/10.1007/s11426-025-2730-2

https://doi.org/10.1007/s11426-025-2730-2