文献发表 | 南京邮电大学唐玉富教授、南京工业大学卢晓梅教授团队《JACS》:“零开启”NIR-II光声纳米探针实现精准癌症免疫治疗伴随诊断

《Journal of the American Chemical Society》（IF=15.6）近日，西北工业大学黄维院士、南京邮电大学唐玉富教授、南京工业大学卢晓梅教授团队在《Journal of the American Chemical Society》上发表了题为“Zero-On” NIR-II Photoacoustic Organic Nanoprobes for Ultra-Accurate Companion Diagnostics of Cancer Immunotherapy Response”的研究成果。该研究创新性地提出“零开启” NIR-II 光声探针策略，通过设计一种生物标志物触发的 π-共轭可切换半导体聚合物纳米探针（SPCDx），实现了背景信号与纯水无统计学差异的“零”背景状态，并在免疫相关次氯酸（ClO⁻）存在下恢复 π-共轭，开启高达 40.6 倍的 NIR-II 光声信号。在 1064 nm 激光激发下，该探针实现了超精准的免疫治疗伴随诊断，能够以 100% 的准确率区分低效免疫应答小鼠，并比临床标准流式细胞活检提前 42 小时、比肿瘤体积收缩观察提前 6 天检测到早期免疫应答。本研究首次将非共轭-共轭转换机制与 NIR-II 光声成像相结合，解决了传统“off-on”探针因非零背景信号在肿瘤内蓄积后产生假阳性而导致的伴随诊断准确性不足的瓶颈问题，为个性化免疫治疗指导、免疫药物疗效筛选及治疗结局预测提供了全新的分子设计思路，展现出重要的临床转化前景。

癌症免疫治疗虽已革新肿瘤治疗范式，但临床获益率仍较低，主要归因于肿瘤异质性与个体差异导致的应答不佳或免疫相关不良事件。当前临床伴随诊断（CDx）主要依赖有创、静态的组织活检，无法实时反映动态的免疫应答过程。现有 CDx 中广泛采用的“off-on”探针，其“off”态背景信号虽弱但显著高于纯水，经瘤内被动靶向蓄积后产生的非特异性信号与真正生物标志物激活信号难以区分，严重限制了低疗效免疫应答和早期免疫应答的检测准确性。巨噬细胞 M2-to-M1 重极化作为免疫治疗起效的关键机制之一，其释放的次氯酸（ClO⁻）等介质是理想的动态、特异性生物标志物。因此，如何设计一种背景信号与纯水无统计学差异、仅由免疫应答生物标志物触发开启 NIR-II 光声信号的“零开启”有机纳米探针，以实现超精准的免疫治疗伴随诊断、患者分层及早期疗效预测，是目前该领域亟待解决的核心科学问题。

本研究中以半导体聚合物（SP）为光声信号核心，通过将非共轭的 10H-吩噻嗪结构引入聚合物主链，设计了一种生物标志物激活的 π-共轭调制策略。在未激活状态下，SPCDx 处于非 π-共轭结构，其 NIR-II 吸收与纯水无统计学差异，实现了真正的“零”背景光声信号。在免疫应答相关次氯酸存在下，吩噻嗪单元由开环非共轭结构转变为闭环共轭结构，恢复 π-共轭主链，产生高达 40.6 倍开启比的 NIR-II 光声信号，远超传统“off-on”探针。在 1064 nm 激光激发下，SPCDx 实现了对免疫治疗过程中巨噬细胞 M2-to-M1 重极化的实时精准成像。在 4T1 荷瘤小鼠模型中，SPCDx 能够区分高（R848）、低（Motolimod）、超低（Dasatinib）三种不同重极化效能的免疫药物；在盲测中，SPCDx 以 100% 的准确率识别低效免疫应答小鼠。此外，SPCDx 可早于临床流式细胞活检 42 小时、早于肿瘤体积变化 6 天检测到 Motolimod 诱导的早期免疫应答。本研究成功突破了传统“off-on”探针因非零背景信号在瘤内蓄积后无法区分真伪信号的瓶颈，为肿瘤免疫治疗的超精准伴随诊断、患者分层、药物筛选及早期疗效预测提供了基于“零开启”机制的全新分子设计范式。

本研究使用 4T1 荷瘤 BALB/c 小鼠模型评估了 SPCDx 作为 CDx 工具动态追踪免疫治疗反应和筛选免疫药物的能力。分别静脉注射三种具有不同巨噬细胞重极化能力的免疫药物——Dasatinib（超低）、Motolimod（低）和R848（高），每日一次连续三天，随后注射 SPCDx 并进行 1064 nm 激发的 NIR-II 光声成像。结果显示，生理盐水组和仅注射 SPCDx 组的肿瘤 PA 信号几乎无变化，而其他三组的 PA 信号均迅速升高，分别在 24 小时（Dasatinib 和 Motolimod）或48小时（R848）达到峰值后逐渐下降。与仅注射 SPCDx 的对照组相比，三种药物处理组的最大肿瘤 PA 信号分别提高了 2.7 倍、5.7 倍和 22.4 倍，这一强度顺序与它们诱导 M2-to-M1 巨噬细胞重极化的能力完全一致；同时，使用 TLR7/8 拮抗剂 M5049 预处理的 R848 组 PA 信号显著降低，进一步证实了信号来源于药物诱导的免疫激活。以上结果表明，SPCDx 能够实时、无创地监测体内免疫治疗过程中巨噬细胞的重极化动态，并依据 PA 信号强度有效区分不同免疫药物的疗效。

本研究通过盲测实验对比了传统“off-on”探针（15% SPDCx）与所开发的“zero-on”探针（SPCDx）在免疫治疗患者分层与疗效预测中的准确性。实验首先基于两组各 9 只 4T1 荷瘤小鼠分别注射两种探针，计算肿瘤部位光声信号比值（PA_final/PA_initial），以均值加两倍标准差分别设定诊断阈值。随后进行盲测：每组 16 只小鼠（其中 8 只接受低效免疫药物 Motolimod，8 只接受生理盐水），由不知情的成像诊断师进行 NIR-II PA 成像并根据阈值判定“疑似免疫应答者”。结果显示，15% SPDCx 组中有 13 只小鼠的 PA 比值高于阈值而被判为“应答者”，但揭盲后发现实际只有 8 只给药小鼠，其中正确识别了 7 只，误将 5 只盐水小鼠判为应答、1 只给药小鼠判为非应答，准确率仅为 56.3%；而 SPCDx 组恰好有 8 只小鼠的 PA 比值显著高于阈值，揭盲后确认这 8 只全部为 Motolimod 给药小鼠，其余 8 只盐水小鼠均低于阈值，准确率达到 100%。后续肿瘤体积监测验证了 SPCDx 的预测完全正确，而 15% SPDCx 组错判 1 例。此外，传统通过肿瘤体积变化评估疗效需 6 天，而 SPCDx 可提前 6 天预测治疗结果，显著提升了早期判断能力。该实验充分证明了“零背景”探针在克服非特异性信号干扰、实现精准患者分层与疗效预测方面的显著优势。

本研究评估了 SPCDx 监测低剂量免疫药物诱导的早期免疫应答的能力。对 4T1 荷瘤 BALB/c 小鼠单次静脉注射低剂量 Motolimod 或生理盐水，随后立即注射 SPCDx，并在不同时间进行 NIR-II 光声成像，同时在不同时间点取肿瘤组织进行流式细胞术分析巨噬细胞 M2-to-M1 重极化状态作为临床金标准对照。结果显示，生理盐水+ SPCDx 组肿瘤 PA 信号始终维持在低水平；而 Motolimod + SPCDx 组在给药后 6 小时即可检测到 PA 信号的显著升高（PA_6h/PA_0h = 3.73），远超 SPCDx 的诊断阈值（1.10），并在随后的 48 小时内持续增强。相比之下，流式细胞术分析表明，肿瘤组织中 M1 型巨噬细胞（F4/80+CD80+）比例的显著升高直至给药后 48 小时才具有统计学意义，且 M2 型巨噬细胞（F4/80+CD206+）比例的显著下降同样出现在 48 小时之后。该结果证明，SPCDx 能够比临床标准的流式细胞活检方法提前至少 42 小时检测到低剂量免疫药物诱导的早期巨噬细胞重极化事件，实现了对早期免疫应答的高灵敏、实时、无创监测，为及时调整免疫治疗方案提供了关键的时间窗口。本研究首次提出了“零开启”NIR-II 光声有机纳米探针概念，通过非共轭到 π-共轭的生物标志物触发转换，彻底消除了探针背景信号干扰，实现了癌症免疫治疗应答的超精准伴随诊断、患者分层与早期疗效预测，为个性化免疫治疗提供了全新的分子设计范式。