腫瘤近紅外成像與化療-光熱協(xié)同治療的有機單分子納米平臺

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(zhàn)性的任務(wù)。受高溫可以增強某些烷化劑的細(xì)胞毒性的結(jié)果啟發(fā)，本文設(shè)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(jié)構(gòu)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(nèi)實驗研究表明，NM-NPs使血管清晰地顯示在NIR-II區(qū)，并通過化療-光熱協(xié)同治療實現(xiàn)腫瘤的完全消除。

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背景：氮芥作為烷化劑的發(fā)現(xiàn)促進了癌癥化療的發(fā)展。據(jù)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(jié)合在一起的聲學(xué)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(xué)窗口(NIR-II，1000-1700 nm)的熒光成像因其無創(chuàng)、高分辨率、無輻射、實時成像等突出優(yōu)點而受到極大的關(guān)注。由于單一PTT治療會留下殘留癌細(xì)胞，化療和光熱治療聯(lián)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(lián)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(fù)雜、重復(fù)性差、藥代動力學(xué)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(nèi)容：作者設(shè)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(tǒng)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(fù)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(fā)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(xié)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(fā)下，NM-NPs的熒光發(fā)射光譜在1100 nm處有一個峰值發(fā)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(wěn)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(wěn)定性（圖1E，F(xiàn)）。

Figure 1

 

接下來作者系統(tǒng)地研究了分散在水中的NM-NPs的光熱轉(zhuǎn)化能力。在808 nm激光連續(xù)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(dāng)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(chǎn)生的溫度與濃度有關(guān)(圖2C)。作者用ICG作為比較來評價NM-NPs的光熱穩(wěn)定性。如圖2D所示，激光開關(guān)加熱循環(huán)中，ICG溶液的溫度逐漸下降，表明ICG的光熱穩(wěn)定性較差。相反，即使在5次激光開關(guān)加熱循環(huán)后，NM-NPs的光熱性質(zhì)幾乎不變，表明NM-NPs具有很好的光熱穩(wěn)定性。圖2E和F表明NM-NPs的光熱轉(zhuǎn)換效率(PCE)為47.38%。

 

Figure 2

 

作者繼續(xù)驗證NM-NPs的體外抗癌性能�？寺⌒纬蓪嶒灡砻鳠o論有無激光照射，隨著濃度增加，A549細(xì)胞的集落數(shù)量都明顯減少。與NM-NPs單獨處理相比，放療聯(lián)合化療-光熱組增強了抗腫瘤細(xì)胞增殖的效果(圖3A)。隨后，MTT實驗結(jié)果表明NM-NPs以濃度依賴的方式抑制A549細(xì)胞的增殖（圖3B），激光照射后IC50值增加約3倍�？拱┧幈蕉∷岬�芥組對A549細(xì)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(jié)果顯示NM-NPs處理的細(xì)胞在激光照射下被有效抑制，表明化療-光熱聯(lián)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(fā)。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(biāo)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(dāng)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(shù)計算了血管直徑的半高全寬(FWHM)(圖4D-4F)。所有的成像結(jié)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(nèi)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(dá)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(xié)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(dǎo)致高水平的細(xì)胞凋亡和壞死。Ki67免疫染色結(jié)果顯示，NM-NPs+激光治療組Ki67蛋白表達(dá)水平較低，說明化療-光熱聯(lián)合治療有效地抑制了腫瘤細(xì)胞的增殖(圖5G)。
 

Figure 5

 

總結(jié)：作者成功設(shè)計并合成了小分子NM，它將近紅外-II熒光、化療和光熱治療功能整合到一個單分子體系中。作者構(gòu)建了一種基于D-A-D電子結(jié)構(gòu)的NM-NPs納米平臺，對A549荷瘤小鼠取得了良好的近紅外成像效果和化療-光熱治療效果。NM-NPs在近紅外成像和協(xié)同化療-光熱治療方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

 

參考文獻(xiàn)

doi.org/10.1016/j.biomaterials.2022.121670

 

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