文献发表 | 南京工业大学卢晓梅、新加坡国立大学唐玉富团队:超低背景NIR-II光声探针实现免疫治疗相关巨噬细胞重编程的高保真成像

《Biomaterials》（IF=12.9）近日，南京工业大学卢晓梅教授、新加坡国立大学唐玉富教授团队联合西北工业大学黄维院士团队在其上发表了题为“Conjugated polymer intrachain donor-acceptor reconfiguration-tailored off-on NIR-II photoacoustic probes with ultralow background for high-fidelity imaging of immunotherapy-associated macrophage reprogramming”的研究成果。该研究创新性地提出“共轭聚合物链内给体-受体重构”策略，通过设计一氧化氮（NO）响应的半导体聚合物 BDP 并自组装为 BDPNP 纳米探针，实现了超低背景的“关-开” NIR-II 光声成像，用于免疫治疗中 M2-to-M1 巨噬细胞重编程的高保真监测。本研究首次通过链内给体-受体重构设计，解决了传统“关-开”探针背景干扰的难题，结合 NIR-II 光声成像的高灵敏度和深组织穿透性，为癌症免疫治疗反应的实时、无创评估提供了强大工具，展现出重要的临床转化前景。

现有“关-开”探针的背景信号过高，导致生物标志物触发信号与探针本底信号难以区分，易造成假阳性诊断。传统“关-开”探针通常依赖多组分设计，在肿瘤富集后即便未经生物标志物激活，其“关”态信号也会因大量蓄积而被放大，产生显著的背景噪声。此外，多组分体系在血液循环中存在响应元件泄漏的风险，进一步损害成像可靠性。一氧化氮 NO 作为 M2-to-M1 巨噬细胞重编程的关键生物标志物，其实时、原位检测对评估免疫治疗响应至关重要。因此，如何通过创新的分子设计构建超低背景、高特异性、单组分的“关-开” NIR-II 光声探针，实现肿瘤免疫微环境中巨噬细胞重编程的高保真可视化，对于指导个性化免疫治疗、提高临床响应率具有重要的科学意义。

本研究提出了一种基于共轭聚合物链内给体-受体重构的超低背景 NIR-II 光声探针设计策略。通过设计含有邻苯二胺单元的半导体聚合物 BDP，并将其自组装为 BDPNP 纳米探针，利用巨噬细胞 M2-to-M1 重编程过程中产生的 NO 作为特异性激活开关。在 NO 作用下，聚合物链内的邻苯二胺基团转化为吸电子能力更强的苯并三唑衍生物，引发链内给体-受体重新配置，驱动吸收光谱从短波长区域大幅红移至 NIR-II 窗口，实现从“关”到“开”的显著转变。该单组分设计避免了传统多组分探针中响应元件泄漏的问题，即使在肿瘤内大量蓄积而未激活时也呈现与 PBS 无异的超低背景信号。在 4T1 荷瘤小鼠模型中，该探针在 R848 诱导的免疫治疗后显示出 21.4 倍的信号增强，能够清晰区分生物标志物触发信号与探针本底噪声，实现了对肿瘤免疫微环境中巨噬细胞重编程的高保真、实时、无创 NIR-II 光声成像，为癌症免疫治疗反应的精准评估提供了全新工具。

本研究评估了 BDPNP 纳米探针在体外对 NO 的光学响应性能。实验结果表明，随着 NO 浓度的增加，BDPNP 在 1064 nm 处的吸收强度呈浓度依赖性增强；反应动力学测试显示 BDPNP 在 10 分钟内即可快速响应 NO。特异性实验表明，仅 NO 能显著增强 BDPNP 在 1064 nm 处的吸收，且该响应在生理温度范围（25-45°C）内保持稳定。进一步的光声成像验证显示，BDPNP 在 1064 nm 激光激发下，其光声信号随 NO 浓度升高而增强，且未加 NO 时信号与纯 PBS 无显著差异，同时仅 NO 处理组产生强烈光声信号，其他干扰物质组无明显变化。该实验证实了 BDPNP 具有超低背景、高灵敏度、高选择性以及快速响应的 NIR-II 光声成像性能，为后续细胞和活体水平的巨噬细胞重编程成像奠定了坚实基础。

本研究系统评估了利用 BDPNP 探针在 4T1 荷瘤小鼠模型中实时监测 R848 诱导的巨噬细胞重编程的体内光声成像。将荷瘤小鼠分为四组进行 NIR-II 光声成像，在注射后不同时间点采集肿瘤部位的光声信号。实验结果：仅 BDPNP 组的肿瘤光声信号与生理盐水组几乎无差异，呈现超低背景；而 R848 + BDPNP 组的肿瘤光声信号随时间逐渐增强，在 48 小时达到峰值，信号强度显著提高了 21.4 倍；M5049 + R848 + BDPNP 组的光声信号则被明显抑制，证实了信号增强依赖于 NO 的产生。该结果表明 BDPNP 能够在活体内实现超低背景、高保真地实时监测免疫治疗相关的巨噬细胞重编程动态。

通过 ELISA、免疫荧光染色、流式细胞术和组织学分析，系统验证了体内光声成像结果与巨噬细胞重编程及免疫激活的相关性。可以看到 R848 + BDPNP 组小鼠血清中 IL-6 和 TNF-α 水平显著高于生理盐水和仅 BDPNP 组；免疫荧光显示该组中 F4/80 + CD80 +共染的 M1 巨噬细胞明显增多，而 F4/80 + CD206 +共染的 M2 巨噬细胞减少，同时 CD4+ 和 CD8+ T 细胞浸润显著增强；流式定量分析进一步证实，R848 + BDPNP 组 M2 巨噬细胞比例从 25.9% 降至 16.2%，M1 比例从 5.9% 升至 13.2%，M1/M2 比值从 0.32 升至 0.80，而 M5049 预处理组则逆转了这些变化；H&E 染色显示各组主要器官均无明显病理损伤。这些结果直接证明了 R848 成功诱导了 M2-to-M1 巨噬细胞重编程及适应性免疫激活，且与 BDPNP 增强的 NIR-II 光声信号高度一致，同时验证了 BDPNP 良好的生物安全性。本研究通过开发首例超低背景的“关-开”型 NIR-II 光声探针，成功解决了传统探针因肿瘤蓄积产生高背景信号而难以区分生物标志物触发信号的难题，为癌症免疫治疗中巨噬细胞重编程的高保真、实时、无创成像提供了创新工具。