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纳米探针 | 肿瘤近红外成像与化疗-光热协同治疗的有机单分子纳米平台

发布时间:2022-12-07 13:41

本文要点:将近红外第二窗口荧光成像(NIR-II FLI)、化疗和光热治疗(PTT)的多种功能集中到单个分子中仍然是一个极具挑战性的任务。受高温可以增强某些烷化剂的细胞毒性的结果启发,本文设计并合成了新型化合物NM。将氮芥的活性基团双(2-氯乙基)氨基引入供体-受体-供体(D-A-D)电子结构中,用DSPE-PEG2000对疏水剂NM进行修饰,制备纳米平台NM-NPs。体外和体内实验研究表明,NM-NPs使血管清晰地显示在NIR-II区,并通过化疗-光热协同治疗实现肿瘤的完全消除。


背景:氮芥作为烷化剂的发现促进了癌症化疗的发展。据报道,高温可增强烷化剂马法兰的化疗效果。将诊断和治疗结合在一起的声学探针是潜在的癌症治疗工具。与MRI和PA成像方式相比,近红外(NIR)荧光成像具有更高的成像分辨率。第二近红外光学窗口(NIR-II,1000-1700 nm)的荧光成像因其无创、高分辨率、无辐射、实时成像等突出优点而受到极大的关注。由于单一PTT治疗会留下残留癌细胞,化疗和光热治疗联合治疗是建立多功能光疗最常用的方法。以往报道的化疗、光热联合治疗的光疗药物的制备主要是通过将光热剂、荧光团和抗肿瘤药物包裹在一个纳米平台上,其成分复杂、重复性差、药代动力学不确定,因此将NIR-II成像、化疗和PTT功能整合到单个分子中是很好的策略。


研究内容:作者设计并合成了一种新的化合物NM,它将NIR-II FLI、化疗和PPT的功能整合到单分子系统中。利用纳米颗粒疏水性强的特点,将纳米颗粒与两亲聚合物DSPE-PEG2000复合,制备了水溶性纳米颗粒(NM-NPs)。该纳米粒子不仅具有超过1100 nm的发射波长,是一种穿透深度和时空分辨率都很高的近红外成像纳米探针,还可以作为一种有效的制剂协同化疗-光热疗法来治疗恶性肿瘤。生物相容性实验证明了纳米粒的生物毒性可以忽略不计,具有良好的临床应用前景。(Scheme 1)


NM-NPs的合成及表征如图1所示。作者将氮芥的活性基团双(2-氯乙基)氨基引入供体-受体-供体(D-A-D)电子结构中,并将DSPE-PEG2000修饰在疏水性小分子NIR-II探针表面(图1a)。TEM和DLS显示NM-NPs平均粒径为110 nm(图1B,1C)。图1D显示NM(溶剂:四氢呋喃)和NM-NPs水溶液的吸收光谱相同,吸收峰在850 nm。在808 nm激光激发下,NM-NPs的荧光发射光谱在1100 nm处有一个峰值发射波长,与NM相比红移了约50 nm。作者还比较了NM-NPs与吲哚青绿(ICG)的光稳定性。在功率密度为0.5W cm−2的808 nm激光照射下,ICG的荧光强度在前10min显著降低,1h后ICG的吸收完全衰减。而NM-NPs几乎保持不变,表明NM-NPs具有显著的光稳定性(图1E,F)。

Figure 1


接下来作者系统地研究了分散在水中的NM-NPs的光热转化能力。在808 nm激光连续照射5 min后(0.5 Wcm-2),NM-NPs(80 μM)的温度也可以提高到47℃以上(图2a)。当NM-NPs的浓度从10 μM增加到80 μM时,,808 nm激光照射5min(1 Wcm-2),溶液的温度从27.6℃上升到74.8℃。(图2B)。红外热像图显示产生的温度与浓度有关(图2C)。作者用ICG作为比较来评价NM-NPs的光热稳定性。如图2D所示,激光开关加热循环中,ICG溶液的温度逐渐下降,表明ICG的光热稳定性较差。相反,即使在5次激光开关加热循环后,NM-NPs的光热性质几乎不变,表明NM-NPs具有很好的光热稳定性。图2E和F表明NM-NPs的光热转换效率(PCE)为47.38%。


Figure 2


作者继续验证NM-NPs的体外抗癌性能。克隆形成实验表明无论有无激光照射,随着浓度增加,A549细胞的集落数量都明显减少。与NM-NPs单独处理相比,放疗联合化疗-光热组增强了抗肿瘤细胞增殖的效果(图3A)。随后,MTT实验结果表明NM-NPs以浓度依赖的方式抑制A549细胞的增殖(图3B),激光照射后IC50值增加约3倍。抗癌药苯丁酸氮芥组对A549细胞的增殖抑制作用不明显。钙黄绿素AM和碘化丙啶PI共染色结果显示NM-NPs处理的细胞在激光照射下被有效抑制,表明化疗-光热联合治疗将有效地治疗肿瘤。

Figure 3


随后,作者研究了NM-NPs的NIR-II成像性能。采用不同的长通滤光片(1000 nm、1250 nm、1400 nm)对雌性BALB/c小鼠的全身血管进行NIR-II荧光成像。通过尾静脉注射PBS溶液中的NM-NPs。然后分别用1000LP、1250LP和1400LP滤光片对小鼠进行160mW cm−2808 nm激光激发。如图4A所示,腹部血管清晰可见。使用1400LP滤光片后,NIR-II荧光成像的空间分辨率明显提高,血管的清晰度显著提高。橙色虚线上的荧光强度曲线表明,目标血管的清晰度随着波长的增加而直接提高(图4B)。小鼠后肢的放大图像如图4C所示。当波长在1000~1400 nm之间变化时,后肢血管的清晰度明显提高。作者量化了橙色虚线的荧光强度,并用高斯函数计算了血管直径的半高全宽(FWHM)(图4D-4F)。所有的成像结果都显示了NM-NPs作为NIR-II成像纳米探针的潜力。

Figure 4


最后作者进行了NM-NPs的体内治疗实验。用红外热像仪(图5A)拍摄小鼠的热像,并记录肿瘤部位的温度。NM-NPS+激光组肿瘤部位温度迅速升高,达到53℃的平台期,而PBS+激光组仅升高3.3℃(图5B)。小鼠体重和肿瘤体积如图5C和5D所示,NM-NPs+激光组的相对肿瘤体积显著减少,甚至一些小鼠肿瘤消失。从所有组切除的肿瘤重量和肿瘤代表性照片显示,化疗-光热协同治疗是治疗肿瘤的有效策略(图5e,5F)。肿瘤的H&E染色表明,NM-NPs+激光治疗组导致高水平的细胞凋亡和坏死。Ki67免疫染色结果显示,NM-NPs+激光治疗组Ki67蛋白表达水平较低,说明化疗-光热联合治疗有效地抑制了肿瘤细胞的增殖(图5G)。

Figure 5


总结:作者成功设计并合成了小分子NM,它将近红外-II荧光、化疗和光热治疗功能整合到一个单分子体系中。作者构建了一种基于D-A-D电子结构的NM-NPs纳米平台,对A549荷瘤小鼠取得了良好的近红外成像效果和化疗-光热治疗效果。NM-NPs在近红外成像和协同化疗-光热治疗方面具有广阔的应用前景。


参考文献

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2022.121670



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