腫瘤近紅外成像與化療-光熱協同治療的有機單分子納米平臺

瀏覽次數：1006　發布日期：2022-12-7　來源：恒光智影

本文要點：將近紅外第二窗口熒光成像(NIR-II FLI)、化療和光熱治療(PTT)的多種功能集中到單個分子中仍然是一個極具挑戰性的任務。受高溫可以增強某些烷化劑的細胞毒性的結果啟發，本文設計并合成了新型化合物NM。將氮芥的活性基團雙（2-氯乙基）氨基引入供體-受體-供體（D-A-D）電子結構中，用DSPE-PEG2000對疏水劑NM進行修飾，制備納米平臺NM-NPs。體外和體內實驗研究表明，NM-NPs使血管清晰地顯示在NIR-II區，并通過化療-光熱協同治療實現腫瘤的完全消除。

背景：氮芥作為烷化劑的發現促進了癌癥化療的發展。據報道，高溫可增強烷化劑馬法蘭的化療效果。將診斷和治療結合在一起的聲學探針是潛在的癌癥治療工具。與MRI和PA成像方式相比，近紅外(NIR)熒光成像具有更高的成像分辨率。第二近紅外光學窗口(NIR-II，1000-1700 nm)的熒光成像因其無創、高分辨率、無輻射、實時成像等突出優點而受到極大的關注。由于單一PTT治療會留下殘留癌細胞，化療和光熱治療聯合治療是建立多功能光療最常用的方法。以往報道的化療、光熱聯合治療的光療藥物的制備主要是通過將光熱劑、熒光團和抗腫瘤藥物包裹在一個納米平臺上，其成分復雜、重復性差、藥代動力學不確定，因此將NIR-II成像、化療和PTT功能整合到單個分子中是很好的策略。

研究內容：作者設計并合成了一種新的化合物NM，它將NIR-II FLI、化療和PPT的功能整合到單分子系統中。利用納米顆粒疏水性強的特點，將納米顆粒與兩親聚合物DSPE-PEG2000復合，制備了水溶性納米顆粒(NM-NPs)。該納米粒子不僅具有超過1100 nm的發射波長，是一種穿透深度和時空分辨率都很高的近紅外成像納米探針，還可以作為一種有效的制劑協同化療-光熱療法來治療惡性腫瘤。生物相容性實驗證明了納米粒的生物毒性可以忽略不計，具有良好的臨床應用前景。（Scheme 1）

NM-NPs的合成及表征如圖1所示。作者將氮芥的活性基團雙（2-氯乙基）氨基引入供體-受體-供體（D-A-D）電子結構中，并將DSPE-PEG2000修飾在疏水性小分子NIR-II探針表面（圖1a）。TEM和DLS顯示NM-NPs平均粒徑為110 nm（圖1B，1C）。圖1D顯示NM（溶劑：四氫呋喃）和NM-NPs水溶液的吸收光譜相同，吸收峰在850 nm。在808 nm激光激發下，NM-NPs的熒光發射光譜在1100 nm處有一個峰值發射波長，與NM相比紅移了約50 nm。作者還比較了NM-NPs與吲哚青綠(ICG)的光穩定性。在功率密度為0.5W cm−2的808 nm激光照射下，ICG的熒光強度在前10min顯著降低，1h后ICG的吸收完全衰減。而NM-NPs幾乎保持不變，表明NM-NPs具有顯著的光穩定性（圖1E，F）。

Figure 1

接下來作者系統地研究了分散在水中的NM-NPs的光熱轉化能力。在808 nm激光連續照射5 min后（0.5 Wcm-2），NM-NPs（80 μM）的溫度也可以提高到47℃以上(圖2a)。當NM-NPs的濃度從10 μM增加到80 μM時，，808 nm激光照射5min（1 Wcm-2），溶液的溫度從27.6℃上升到74.8℃。(圖2B)。紅外熱像圖顯示產生的溫度與濃度有關(圖2C)。作者用ICG作為比較來評價NM-NPs的光熱穩定性。如圖2D所示，激光開關加熱循環中，ICG溶液的溫度逐漸下降，表明ICG的光熱穩定性較差。相反，即使在5次激光開關加熱循環后，NM-NPs的光熱性質幾乎不變，表明NM-NPs具有很好的光熱穩定性。圖2E和F表明NM-NPs的光熱轉換效率(PCE)為47.38%。

Figure 2

作者繼續驗證NM-NPs的體外抗癌性能。克隆形成實驗表明無論有無激光照射，隨著濃度增加，A549細胞的集落數量都明顯減少。與NM-NPs單獨處理相比，放療聯合化療-光熱組增強了抗腫瘤細胞增殖的效果(圖3A)。隨后，MTT實驗結果表明NM-NPs以濃度依賴的方式抑制A549細胞的增殖（圖3B），激光照射后IC50值增加約3倍。抗癌藥苯丁酸氮芥組對A549細胞的增殖抑制作用不明顯。鈣黃綠素AM和碘化丙啶PI共染色結果顯示NM-NPs處理的細胞在激光照射下被有效抑制，表明化療-光熱聯合治療將有效地治療腫瘤。

Figure 3

隨后，作者研究了NM-NPs的NIR-II成像性能。采用不同的長通濾光片(1000 nm、1250 nm、1400 nm)對雌性BALB/c小鼠的全身血管進行NIR-II熒光成像。通過尾靜脈注射PBS溶液中的NM-NPs。然后分別用1000LP、1250LP和1400LP濾光片對小鼠進行160mW cm−2808 nm激光激發。如圖4A所示，腹部血管清晰可見。使用1400LP濾光片后，NIR-II熒光成像的空間分辨率明顯提高，血管的清晰度顯著提高。橙色虛線上的熒光強度曲線表明，目標血管的清晰度隨著波長的增加而直接提高(圖4B)。小鼠后肢的放大圖像如圖4C所示。當波長在1000~1400 nm之間變化時，后肢血管的清晰度明顯提高。作者量化了橙色虛線的熒光強度，并用高斯函數計算了血管直徑的半高全寬(FWHM)(圖4D-4F)。所有的成像結果都顯示了NM-NPs作為NIR-II成像納米探針的潛力。

Figure 4

最后作者進行了NM-NPs的體內治療實驗。用紅外熱像儀(圖5A)拍攝小鼠的熱像，并記錄腫瘤部位的溫度。NM-NPS+激光組腫瘤部位溫度迅速升高，達到53℃的平臺期，而PBS+激光組僅升高3.3℃(圖5B)。小鼠體重和腫瘤體積如圖5C和5D所示，NM-NPs+激光組的相對腫瘤體積顯著減少，甚至一些小鼠腫瘤消失。從所有組切除的腫瘤重量和腫瘤代表性照片顯示，化療-光熱協同治療是治療腫瘤的有效策略(圖5e，5F)。腫瘤的H&E染色表明，NM-NPs+激光治療組導致高水平的細胞凋亡和壞死。Ki67免疫染色結果顯示，NM-NPs+激光治療組Ki67蛋白表達水平較低，說明化療-光熱聯合治療有效地抑制了腫瘤細胞的增殖(圖5G)。