唐本忠院士團隊AM：雙增強聲動力療法：協同空化放大與高效聲致發光-ROS轉換，助力原位乳腺癌治療取得突破

聲動力療法（SDT）作為一種具有優越組織穿透深度的非侵入性治療手段，近年來備受關注。目前，SDT中產生活性氧（ROS）的機制普遍被認為是聲空化觸發聲致發光（SL），再由SL激活聲敏劑。然而，現有研究大多聚焦于提升聲敏劑的SL-to-ROS轉換效率，卻忽視了空化過程這一關鍵環節。這種片面的優化策略，限制了SDT潛力的充分發揮。

針對這一挑戰，香港中文大學（深圳）唐本忠院士、深圳大學王東特聘教授、康苗苗助理教授和許改霞教授合作創新性地提出了一種雙重增強策略，首次通過同時增強空化過程以產生更多SL，并提升SL-to-ROS的轉換效率，來實現SDT的全面增效。作為概念驗證，他們設計了一種名為MeTTh-PAE NPs的納米聲敏劑。該納米系統能夠在腫瘤酸性微環境中釋放出具有粗糙表面的疏水性MeTTh聚集體，從而顯著增強超聲下的空化效應及其觸發的SL。同時，MeTTh作為一種典型的聚集誘導發光分子，在其聚集態下能高效進行系間竄越，從而將SL高效轉化為ROS。這種協同作用在體內外均展現出了優異的聲動力抗腫瘤效果，為深度腫瘤治療提供了新思路。相關論文以“Dual-Enhanced Sonodynamic Therapy: Synergizing Cavitation Amplification and Efficient Sonoluminescence-to-ROS Conversion for Orthotopic Breast Cancer Treatment”為題，發表在

Advanced Materials

研究人員首先成功設計并合成了MeTTh-PAE NPs。如示意圖1所示，該策略的核心在于“雙管齊下”：一方面，利用納米顆粒的酸響應特性，在腫瘤部位釋放出具有粗糙疏水表面的MeTTh聚集體，為增強空化效應奠定結構基礎；另一方面，借助MeTTh聚集態下極低的單重態-三重態能隙和高效的系間竄越過程，保證SL-to-ROS的高效轉換。體內治療過程則通過增強的滲透和滯留效應使納米顆粒在腫瘤部位富集，在酸性條件下形成大尺寸聚集體，最終在超聲觸發下通過增強的空化及ROS轉換實現腫瘤細胞凋亡。

示意圖 1. MeTTh-PAE NPs增強聲動力效應的機制及體內聲動力治療示意圖。 a) 增強聲動力效應機制：通過納米沉淀法制備MeTTh-PAE NPs。在酸性條件下，MeTTh聚集體被釋放，其粗糙疏水表面增強了聲空化（氣泡成核、空化、SL產生），同時聚集體誘導的低ΔEST實現了強的SL-to-ROS轉換，從而共同提升聲動力效果。 b) 體內聲動力治療：采用雙管齊下的策略推進SDT。① EPR效應介導的MeTTh-PAE NPs腫瘤滯留；② 形成具有粗糙表面的大尺寸MeTTh聚集體；③ 增強的聲空化與強效的SL-to-ROS轉換；④ SDT誘導乳腺癌細胞凋亡。

對MeTTh-PAE NPs的表征證實了其優異性能（圖1）。光譜分析顯示MeTTh具有明顯的聚集誘導發光特性。納米顆粒粒徑均一，約48.5納米，且其發射光譜位于近紅外一區，有利于熒光成像。關鍵的功能實驗表明，在酸性條件下釋放出的MeTTh聚集體，其光動力和聲動力效應均顯著增強。電子順磁共振譜證實了超聲處理后能產生多種ROS。分子動力學模擬和透射電鏡結果直接表明，在酸性條件下，MeTTh聚集體與水分子的接觸更充分，形成的納米結構更粗糙、尺寸更大，這正是增強空化的關鍵。通過高速成像觀察到的更強烈、更大量的微泡以及更強的聲致發光信號，直接驗證了空化效應的增強。此外，對比實驗凸顯了SDT在穿透組織方面的巨大優勢，即使有雞胸肉屏障，其產生的ROS信號仍遠高于受光穿透限制的光動力療法。

圖 1. MeTTh-PAE NPs的表征。 a) 相對發射強度與含水量關系圖。插圖照片顯示MeTTh在0%和95%混合溶劑中的熒光。b) MeTTh-PAE NPs的粒徑分布和TEM圖像。比例尺：200 nm。c) MeTTh-PAE NPs在水中的歸一化吸收和熒光光譜。d) MeTTh-PAE NPs在pH 5.0條件下、MeTTh在pH 7.4條件下以及PBS的光動力效應。e) MeTTh-PAE NPs、MeTTh-DSPE NPs、MeTTh和PBS在pH 7.4和pH 5.0環境中的聲動力效應。f) MeTTh-PAE NPs經超聲輻照產生的?OH、O2??、1O2的ESR譜圖。g), h) MeTTh-PAE NPs在不同pH環境中孵育后的分子動力學模擬。i) MeTTh的均方位移值和 j) 不同條件下MeTTh與水分子間的氫鍵數量。k) MeTTh-PAE和MeTTh-DSPE NPs在不同pH環境中孵育后的TEM圖像。比例尺：200 nm。l) MeTTh-PAE NPs在不同pH環境中孵育后超聲輻照期間的典型圖像。m) 計算得出的由MeTTh-PAE和MeTTh-DSPE NPs在不同pH環境中孵育后誘導的空化平均強度。n) MeTTh-PAE NPs在不同pH環境中孵育后產生的微泡。比例尺：500 μm。o) MeTTh-PAE NPs在不同pH環境中孵育后空化誘導的SL。p) 以雞胸肉作為光屏障時，MeTTh樣品的聲動力和光動力效應對比。

在體外研究中（圖2），MeTTh-PAE NPs展現出高效的細胞攝取和溶酶體共定位。在超聲作用下，該納米顆粒能誘導細胞產生活性氧，造成顯著的細胞死亡。流式細胞術和蛋白質印跡分析進一步證實，其治療引發了以Bcl-2蛋白下調為標志的細胞凋亡。CCK-8實驗表明，經超聲處理的MeTTh-PAE NPs在低濃度下即可實現高比例的癌細胞殺傷，而單獨的納米顆粒則顯示出良好的生物安全性。

圖 2. MeTTh-PAE NPs的體外實驗。 a) MeTTh-PAE NPs和MeTTh-DSPE NPs細胞攝取的流式細胞術分析。b) MeTTh-PAE NPs和MeTTh-DSPE NPs的細胞內定位。c) 不同處理后4T1細胞內由DCFH指示的ROS生成，d) 活/死細胞染色，和 e) 細胞凋亡分析。f) 不同處理后Bcl-2蛋白的蛋白質印跡分析。g) 不同處理后4T1細胞的活力。

基于出色的體外效果，團隊在原位乳腺癌小鼠模型中評估了MeTTh-PAE NPs的體內療效（圖3）。熒光成像顯示納米顆粒能有效靶向腫瘤，并因酸響應釋放和聚集導致的熒光猝滅，呈現出獨特的藥代動力學特征。治療實驗發現，在注射后24小時進行超聲治療的效果最佳，能顯著抑制腫瘤生長，腫瘤體積和重量均遠小于其他對照組。對腫瘤組織的切片分析顯示，治療組出現了空泡化和細胞核固縮等嚴重損傷，TUNEL染色顯示大范圍細胞凋亡，Ki67和CD31染色則表明細胞增殖和血管生成被顯著抑制。

圖 3. MeTTh-PAE NPs介導的體內聲動力治療。 a) 原位乳腺腫瘤的熒光成像和 b) 歸一化熒光強度。c) 注射納米顆粒48小時后分離的器官和腫瘤的熒光圖像。經不同處理的小鼠的相對腫瘤體積：d) PBS, e) US, f) MeTTh-PAE NPs, g) MeTTh-PAE NPs + US（注射后12小時），和 h) MeTTh-PAE NPs + US（注射后24小時）。i) 14天治療期間各組腫瘤的生長曲線。j) 第14天各組分離腫瘤的圖像和 k) 重量。l) 14天內不同處理后小鼠的體重。m) 不同處理組乳腺腫瘤切片的代表性H&E、TUNEL、Ki67和CD31染色。

任何新型療法邁向臨床都必須經過嚴格的安全性評估（圖4）。研究人員通過細胞毒性、溶血實驗、以及小鼠體內系統性毒性測試，全面考察了MeTTh-PAE NPs的生物安全性。結果表明，該納米顆粒對多種細胞系無明顯毒性，不引起溶血，對小鼠的主要臟器指數、組織形態、血液學及生化指標均無顯著影響，證明了其良好的生物相容性和臨床應用潛力。

圖 4. MeTTh-PAE NPs的生物安全性評估。 a) 4T1、MCF-10A、Hela和Bend.3細胞與MeTTh-PAE NPs孵育24小時后的活力。b) 紅細胞與MeTTh-PAE NPs孵育后的溶血率。c) 注射PBS或MeTTh-PAE NPs的健康Balb/C小鼠的體重。d) 注射PBS或MeTTh-PAE NPs的健康Balb/C小鼠主要器官的臟器系數。e) 注射PBS或MeTTh-PAE NPs的健康Balb/C小鼠主要器官的H&E染色。f) 血液常規和 g) 血液生化指標。

綜上所述，該研究通過協同增強聲空化與聲致發光-ROS轉換過程，開創了一種提升SDT療效的新范式。所研發的MeTTh-PAE NPs兼具酸響應釋放優化空化、以及聚集態高效產生活性氧的雙重優勢，在深層腫瘤模型中取得了卓越的治療效果，且安全性良好。這項工作不僅為高性能聲敏劑的設計提供了全新思路，也為實現更精準、高效的深部惡性腫瘤治療帶來了新的希望。