单光纤集成多模态传感技术实现肿瘤光热治疗闭环反馈

癌症已成为全球公共卫生的重大挑战，2022年全球新增病例约2000万，死亡近1000万。尽管诊疗一体化（Theranostics）将诊断与治疗结合于同一平台，成为精准医疗的重要方向，但其在临床转化中仍面临两大瓶颈：一是光在组织中的穿透深度有限（通常小于10毫米），二是纳米材料在非靶器官的蓄积可能引发系统性毒性。光纤与光热诊疗剂的结合被视为突破这些限制的理想方案，因其可实现低损耗的光传输并局部固定诊疗剂，从而减少脱靶效应。

波分复用破解多参数监测难题

然而，现有光纤探针往往受限于“单功能单光纤”模式，或存在功能间光谱串扰，导致需要多根光纤并行操作。这不仅增加了设备的刚性及尺寸，降低了介入手术的兼容性，还提高了组织损伤和术后炎症的风险。受通信领域波分复用（WDM）技术启发，研究团队提出了一种基于模块化波长分配的光纤多功能集成方案。通过为不同光指示剂和敏化剂分配互不重叠的激发波段，该方案在充分利用光谱资源的同时，有效抑制了功能间的相互干扰。

具体而言，该探针利用紫外-可见光波段进行常规荧光探针的激发与发射，匹配传统荧光团的特性；同时利用近红外（NIR）波段作为光敏剂激发源，确保与现有临床治疗激光器的兼容性。研究团队将pH指示剂（HPTS-IP）、温度指示剂（LnMOF，镧系金属有机框架材料）和光热剂（ICG，吲哚菁绿）共封装于水凝胶基质中，并固定于锥形光纤表面。这三种试剂的激发波段互不重叠，使得探针功能可根据激发波长的不同按需切换。

锥形光纤实现高精度原位传感

该多功能光纤探针的核心在于其锥形结构的设计与制造。研究选用多模光纤末端经蚀刻形成的锥形光纤，其长度为5毫米，直径为100微米。这一尺寸经过优化：过短的锥体易因全反射条件不满足导致光泄漏，激发组织自发荧光并降低信噪比；而过长的锥体则不利于局部传感与治疗。100微米的直径在增强倏逝场效率与提供足够的固定表面积之间取得了平衡。

为确保探针在体内的稳定性和生物相容性，研究团队采用四乙基正硅酸酯（TEOS）和GLYMO作为前驱体构建溶胶-凝胶基质。纯TEOS薄膜易开裂且泄漏率高，加入含长碳链的GLYMO可有效抑制裂纹，并引入表面活性剂Triton X-100进一步降低表面张力。扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）分析证实，功能化涂层均匀无裂纹，平均粗糙度为26.7纳米，且Eu、Tb等元素分布均匀，表明修饰成功。

闭环治疗验证临床转化潜力

在性能测试中，该探针展现了卓越的多参数监测能力。针对肿瘤微环境（TME）典型的细胞外酸化特征，HPTS-IP指示剂在405 nm和450 nm双激发下表现出显著的比率荧光响应，实现了0.013 pH单位的高分辨率检测，且响应时间仅为秒级。对于温度监测，LnMOF利用Tb3+到Eu3+的热增强能量转移机制，在30-100°C范围内呈现S型荧光强度变化，在生理相关区间（34.5-39°C）具有0.3°C的温度分辨率。

动物实验验证了该探针在闭环肿瘤光热治疗中的有效性。治疗前，探针通过揭示肿瘤pH梯度实现肿瘤边缘识别；治疗中，ICG将光能转化为热能进行光热治疗（PTT），同时实时温度监测确保的热剂量控制，避免正常组织损伤；治疗后，通过实时监测酸性微环境的逆转快速评估疗效。这一研究不仅证明了探针良好的生物相容性和治疗效果，更为多功能光纤诊疗平台提供了可定制、微创介入及反馈监控的新范式。