本文要点：在近红外-IIb窗口(1500-1700nm)发射的高量子产率量子点(QDs)可以提供更高的分辨率、更深的穿透深度的生物成像。然而，低肿瘤积累，快速的肾脏清除和潜在的毒性阻碍了其生物医学应用。作者报道了一种响应肿瘤微环境的仿生病毒中空二氧化锰纳米壳，在腔内装载IR1061，并将量子点(PbS@CdS)锚定在表面，用于NIR-IIb荧光成像引导肿瘤手术和NIR-II光热治疗。这种基于量子点的纳米探针可以有效地粘附在肿瘤细胞上，实现肿瘤组织的高效积累。细胞外弱酸环境触发二氧化锰生物降解并释放IR1061，可显著描绘肿瘤边缘，用于肿瘤手术。此外，通过NIR-II光热效应可消除肿瘤的微转移。
由于潜在的毒性、被动靶向效果不佳和血液循环半衰期短，肾脏清除较快等劣势，量子点在肿瘤成像中的临床应用受到严重阻碍。本文作者研发了具有核壳结构的NIR-IIb量子点(PbS@CdS，1670nm发射)，偶联在一个中空的仿生病毒二氧化锰纳米壳表面。病毒仿生纳米壳具有强大的细胞膜粘附和生物降解能力。为了获得更高的SBR，将有机探针IR1061被封装到中空的空腔中(HvMnO2@QDs-IR1061)（Fig.2）。因此，在正常组织下，HvMnO2@QDs-IR1061中的NIR-IIb荧光信号可以通过吸收竞争诱导发射(ACIE)机制被完全猝灭。在肿瘤微环境的细胞外弱酸性条件下，pH触发HvMnO2生物降解，控制IR1061释放，NIR-IIb荧光恢复，可以获得高达25.0的SBR。
图2
制备得到量子点之后，作者仔细评估了量子点荧光的穿透深度。量子点的穿透深度明显高于镧系纳米晶体(图3a），SBR也更高（图3b）,展示了量子点在1670nm发射下深层组织成像的高分辨率优势。然后作者测试了在808nm激光照射下量子点的光稳定性。量子点的NIR-IIb荧光信号照射240 min下保持相同的强度，而ICG的NIR-II信号在连续照射15 min后逐渐减少(图3c)。在PBS、血液、血清等不同的生物缓冲液中重新分散量子点后，进一步研究它的光稳定性。所有样品下NIR-IIb信号强度变化都可忽略（图3d）。纳米探针HvMnO2@QDs-IR1061在正常中性条件(pH=7.4)下表现极为稳定，仍保持球形形态，在弱酸性缓冲液（pH=6.5）下迅速分解，孵育8h后完全坍塌（图3e）。动态激光扫描结果检测到，在酸缓冲处理8h后，我们的纳米探针的尺寸从135nm明显下降到10nm，表明HvMnO2对酸性肿瘤微环境具有较高的敏感性(图3f)。酸性pH使纳米探针释放IR1061后NIR-IIb荧光随着孵育时间的变化而逐渐恢复(图3g，h)，使制备的HvMnO2@QDsIR1061成为肿瘤组织中良好的细胞外pH敏感量子点载体。
图3
用4T1细胞检测HvMnO2的细胞内化，以中空介孔二氧化硅纳米颗粒(HSiO2)作为对照。如图4a所示，HvMnO2在30 min到120 min的孵育过程中表现出更快的内化速度，光滑的HSiO2胞内含量更低(图4a，c)。此外，细胞内锰的浓度在每个时间点都高于Si，进一步揭示了细胞对病毒仿生纳米颗粒的有效摄取。HvMnO2可以有效地逃脱正常细胞的捕获，特别是吞噬细胞富集网状内皮系统(RES)，同时保持对肿瘤细胞强大的细胞内化。接下来，在1064nm激光照射下，作者评价了HvMnO2@QDs-IR1061的光热效应。在1064nm激光照射5 min后，HvMnO2@QDs-IR1061(1 mg/mL)的温度从21◦C显著上升到72◦C，而HvMnO2@QDs组仅记录到33◦C(图4e）。即使在4个激光照射的开/关周期后，纳米探针仍可保持初始光热转变效率(图4f）。这归因于IR1061的中空纳米壳免受其受到光加速氧化。激光照射下的HvMnO2@QDs-IR1061可产生比对照组更好的杀灭细胞作用。此外，通过AnnexinV-FITC/PI检测评估的细胞凋亡分析也证实了HvMnO2@QDs-IR1061联合NIR-II激光照射的热疗诱导的细胞凋亡最为明显（图4i，j）。这些结果足以证明病毒仿生空心HvMnO2@QDs-IR1061能够增强NIR-II光热剂的递送，从而实现有效的抗肿瘤治疗。
图4
作者继续探索该纳米探针在指导肿瘤手术上的可能性。HvMnO2@QDs和HvMnO2@QD-IR1061两组在注射后6小时均出现原发肿瘤积累。在注射后18小时达到最大含量（图5a）。切除6小时后两组的主要器官和肿瘤的体外NIR-IIb荧光图像显示出完全不同的信号。HvMnO2@QDs在肝中的信号更强而HvMnO2@QD-IR1061在肿瘤中的信号更强(图5b)。HvMnO2@QDs-IR1061中NIR-IIb荧光信号的SBR明显高于HvMnO2@QDs治疗的小鼠，表明肿瘤微环境敏感策略在成像引导的肿瘤手术中具有显著优势（Fig.5c）如图5d、e所示，在18h-20h时获得最高的肿瘤积累和SBR（高达25.0）,肿瘤组织在18-20h达到了可忽略的肝脏保留的峰值积累，这应该作为肿瘤手术的时间窗。2小时的肿瘤保留时间应归因于溶酶体在排出HvMnO2@QD-IR1061后持续释放量子点。在其指导下进行肿瘤切除，术后组织中未检测到NIR-IIb荧光(Fig5f-I、g-I、h-I)，随后用H&E染色对3例切除的荧光手术肿瘤进行分析。如预期的那样，注射18或20h后，正常和肿瘤组织边界清晰，癌旁组织无肿瘤残留，说明肿瘤被彻底切除。而注射纳米探针24h后，肿瘤与正常组织之间没有发现分界线(Fig.5h)，在主要肿瘤的手术切口组织中可以发现一些残留的肿瘤细胞，反映了此时肿瘤轮廓线的识别失败。20h组小鼠在手术20天后仍未发现肿瘤复发，但在14h和24h两组的大多数小鼠均有肿瘤复发。
图5
作者研究了尾静脉注射HvMnO2@QDs-IR106118h后的体内光热波动。研究发现，HvMnO2@QDs注射的对照组由于没有装载光热剂，肿瘤组织几乎没有温度变化。然而，HvMnO2@QDs-IR1061组在照射5 min后，温度显著升高至60◦C，表明其具有优越的光热效应(Fig.6b)。作者构建了淋巴结转移的癌细胞模型（Fig.6c），每间隔四天进行光热治疗，HvMnO2@QDs-IR1061组的转移肿瘤大小在18天以后是最小的(Fig.6d)。通过NIR-II区荧光检测也能看到HvMnO2@QDs-IR1061组的肿瘤荧光逐渐减小，在第16天时几乎不可见(Fig.6f)。HE染色也能看到IR1061组和HvMnO2@QDs-IR1061组细胞出现凋亡现象，而小鼠的重量不受影响，说明该纳米探针的安全性(Fig.6g,h)。
图6
总结：作者通过制造附有量子点的仿生病毒纳米颗粒1(HvMnO2@QDs-IR1061)，用于指导NIR-IIb荧光成像下精确的肿瘤切除和有效的光热治疗。纳米探针在静脉注射后表现出强大的肿瘤细胞粘附。探针可响应肿瘤微环境pH发生生物降解，释放有机探针IR1061，产生NIR-IIb信号，而且可勾画出肿瘤与正常组织之间的边界，从而帮助完全切除肿瘤。这种无机NIR-IIb造影剂没有表现出器官损伤毒性、急性毒性和繁殖毒性。
参考文献
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2022.121636
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