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研究背景

光学成像具有高灵敏度、高时空分辨率和实时动态监测等优势，在肿瘤早期诊断、术中导航及疗效评估等领域具有重要应用价值。然而，传统荧光探针主要工作于可见光和近红外一区（NIR-I，700–900 nm），其活体成像性能易受到组织散射、自发荧光背景和有限穿透深度的制约。相比之下，近红外二区（NIR-II，1000–1700 nm）具有更低的组织散射和背景干扰，可显著提升深层组织成像的空间分辨率与信背比，因此被认为是高精度活体光学成像的重要发展方向。尽管如此，现有NIR-II荧光材料仍普遍存在发光效率不足、结构设计复杂和功能相对单一等问题，如何进一步兼顾高性能成像与治疗功能仍具有挑战。

纳米酶是一类具有类天然酶催化活性的人工纳米材料，具有稳定性高、组成和活性可调以及易于功能集成等特点，在肿瘤催化治疗中受到广泛关注。现有用于成像-治疗一体化的纳米酶体系往往需要金属元素掺杂、异质结构组装或外源荧光分子标记，这不仅增加了体系复杂度，也可能带来组分泄漏、结构稳定性下降和成像性能受限等问题。尤其是，大多数纳米酶缺乏本征NIR-II发光能力，难以在治疗过程中同时实现高分辨、实时的可视化追踪。

针对上述挑战，南京邮电大学范曲立教授、吴鲁艳教授与湖南大学林会会教授团队合作，以花菁染料IR-1048为分子前驱体，通过元素组成与局域化学结构调控，构建了具有本征NIR-II荧光的AFNZs，并进一步将NIR-II成像、多重类酶催化和外场增强治疗功能集成于同一纳米平台，为肿瘤精准成像、治疗导航及催化免疫治疗提供了新的材料设计思路。

研究内容

一、分子前驱体调控构筑本征NIR-II荧光纳米酶

研究团队以IR-1048为分子前驱体，引入谷胱甘肽（GSH）或支化聚乙烯亚胺（BPEI）分别作为硫源和氮源，通过溶剂热过程调控材料中的S/N元素组成，获得了一系列不同化学组成的AFNZs（图1）。透射电子显微镜（TEM）显示，AFNZs呈均一纳米点形貌，平均尺寸约4.8 nm，并具有石墨化晶格特征；X射线光电子能谱（XPS）和拉曼光谱进一步证实了硫、氮元素的成功引入。通过优化S/N比例及局域功能结构，研究团队获得了性能最佳的IS-AFNZs。当引入磺酸基和吡咯氮结构，并将S/N比例调控至约1.2时，IS-AFNZs表现出显著增强的NIR-II荧光：发射峰位于1138 nm，较原始IR-1048红移26 nm，荧光量子产率超过1.4%，发光强度提升约20倍。密度泛函理论（DFT）计算表明，IS-AFNZs具有较低的HOMO–LUMO能隙（0.51 eV），有利于长波长发射。进一步的分子动力学模拟显示，AFNZs在水相中形成更有序的聚集结构，二面角分布明显收窄，提示分子内运动受到限制（restriction of intramolecular motion, RIM）。溶剂依赖性和浓度依赖性实验进一步发现，随着水相比例和材料浓度升高，AFNZs荧光持续增强，而未出现传统有机染料常见的聚集诱导猝灭（ACQ）。这些结果共同表明，AFNZs的NIR-II荧光增强主要与聚集诱导发光（aggregation-induced emission, AIE）机制相关。

图1. NIR-II自荧光纳米酶（AFNZs）的设计与表征。

二、高对比度NIR-II活体成像与肿瘤荧光导航

基于优异的光学性能，研究团队进一步评估了IS-AFNZs的深层组织成像能力（图2）。在鸡胸肉组织模拟实验中，IS-AFNZs可实现8 mm深度的荧光成像，并获得高达63.7的信背比（SBR），明显优于IR-1048（SBR=1.2）和临床常用造影剂ICG（SBR=2.4）。在1064 nm激发下，IS-AFNZs能够清晰显示小鼠腹部、后肢和脑部血管网络，其中后肢血管成像空间分辨率达到0.67 mm，脑部血管成像SBR达到4.8，体现出良好的深层组织成像性能。进一步在4T1乳腺癌模型中，IS-AFNZs静脉注射后可在肿瘤区域有效富集，并于24 h达到最大荧光信号。借助NIR-II荧光导航，研究团队实现了小尺寸肿瘤（<5 mm）的精准定位与切除，术后未观察到明显残留荧光信号。值得注意的是，该分子前驱体构筑策略还可拓展至IR-1061、IR-26、IR-140和FD-1080等多种商业化花菁染料（图3），显示出良好的普适性。

图2. AFNZs用于高对比度NIR-II活体荧光成像。

图3. 基于花菁染料前驱体构建NIR-II AFNZs平台的普适性验证。

三、多重类酶催化活性及反应机制解析

除本征NIR-II荧光外，AFNZs表现出过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）和氧化酶（OXD）等多重类酶催化活性（图4）。其中，IS-AFNZs的综合催化性能最为突出：其POD样催化最大反应速率达到1.79×10-7 M s^-1，较I-AFNZs提高2.06倍；CAT样催化的米氏常数为51.47 mM，表明其对H₂O₂具有较高亲和力。电子自旋共振（ESR）实验进一步证实，IS-AFNZs能够催化产生羟基自由基（•OH）、单线态氧（¹O₂）和超氧自由基（O2^•-）等多种活性氧物种。理论计算从分子尺度揭示了相应催化过程：在POD样反应中，H₂O可在IS-AFNZs表面吸附并解离生成•OH，反应在热力学上具有优势；在CAT样反应中，H₂O₂首先被活化形成中间态，随后与另一分子H₂O₂反应生成H₂O和O₂；在OXD样反应中，O₂吸附是关键步骤，IS-AFNZs对O₂的吸附能垒仅为0.21 eV，明显低于I-AFNZs（0.74 eV），说明其具有更优异的氧活化能力。

图4. AFNZs多重类酶活性分析及催化机制。

四、肿瘤催化与免疫治疗

基于AFNZs持续产生活性氧（ROS）的能力，研究团队进一步探索了其肿瘤治疗效果。细胞实验表明（图5），在100 μg mL^-1浓度下，IS-AFNZs联合超声和1064 nm激光照射可实现83.2%的肿瘤细胞抑制率。机制研究显示，AFNZs产生的ROS可上调Bcl-2/腺病毒 E1B 19 kDa相互作用蛋白3（BNIP3）表达，并通过其BH3结构域竞争性结合Bcl-2、释放Beclin1，从而启动线粒体自噬；与此同时，过量ROS进一步损伤溶酶体功能，阻断自噬小体与溶酶体融合，导致LC3-II/LC3-I比例升高和p62积累，最终形成自噬流阻滞。持续的线粒体损伤还可引起线粒体膜电位下降、细胞色素C释放及Caspase-6激活，进一步诱导程序性细胞死亡。转录组分析显示，IS-AFNZs治疗可显著调控与凋亡、自噬和免疫响应相关的通路与基因表达。在原位胶质母细胞瘤模型中（图6），IS-AFNZs联合超声/激光治疗显著抑制肿瘤进展，实现100%的90天生存率；同时促进树突状细胞成熟（由11.6%提高至53.3%），增强CD4⁺和CD8⁺ T细胞浸润，并降低免疫抑制性调节性T细胞比例，表明该体系能够进一步激活抗肿瘤免疫响应。

图5. AFNZs介导的ROS增强型细胞死亡机制。

图 6. IS-AFNZs在原位胶质母细胞瘤小鼠模型中的治疗效果和免疫反应。

总体而言，该研究构建了一类兼具本征NIR-II荧光与多重类酶催化活性的纳米酶平台，在单一材料体系中实现了深层组织高分辨成像、肿瘤荧光导航、ROS增强型催化治疗及免疫激活。其基于花菁分子前驱体的构筑策略还表现出良好的可拓展性，为开发结构更简洁、功能高度集成的成像-治疗一体化纳米材料提供了新的思路。

期刊介绍

Angewandte Chemie是全球化学领域最具影响力的顶级期刊之一，由德国化学会（German Chemical Society, GDCh）出版，创刊于1887年，最新影响因子为16.9。