用于前列腺癌光熱治療具有AIE特性的超均質(zhì)NIR-II熒光自組裝納米探針

本文要點(diǎn)：近紅外二區(qū)（NIR-II）熒光成像作為一種提供厘米級深度和微米級分辨率的無創(chuàng)成像技術(shù)，已引起人們的關(guān)注。然而，在兼顧體內(nèi)代謝的同時，制備出具有均勻尺寸、高生物等效能力和熒光強(qiáng)度的NIR-II熒光納米探針仍然是一個挑戰(zhàn)。本文中作者使用DSPE-PEG封裝具有AIE性質(zhì)的二區(qū)熒光分子構(gòu)建出了一種具有優(yōu)異水溶性和生物安全性的超均質(zhì)NIR-II熒光納米探針。該納米探針具有高效的熱轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性，作者應(yīng)用其進(jìn)行NIR-II熒光成像，發(fā)現(xiàn)該納米探針可以在體內(nèi)有效代謝并在前列腺癌腫瘤組織中有效聚集，應(yīng)用激光介導(dǎo)的光熱療法治療前列腺癌腫瘤時可以顯著抑制腫瘤組織的生長。此外，由于快速代謝，探針在體內(nèi)的滯留減少，有利于該探針的進(jìn)一步臨床應(yīng)用。最終，作者認(rèn)為該納米探針在前列腺癌的準(zhǔn)確診斷和治療方面具有廣泛的臨床應(yīng)用潛力。
 

 

---

該納米熒光探針是一種新的基于NDI的NIR-II熒光納米探針，設(shè)計和制備示意圖如下（圖1）。
 

圖1：NIR-II納米探針的設(shè)計和制備示意圖。

 

為了制備具有良好水溶性和生物相容性的NIR-II熒光分子，作者使用DSPE-PEG對熒光分子進(jìn)行封裝，以制備NIR-II納米探針。如透射電子顯微鏡圖所示（圖2c），在DSPE-PEG封裝后，獲得了NIR-II熒光納米探針（直徑：138.6±6.2 nm）。此外，NIR-II熒光分子以聚集的形式封裝在DSPE-PEG中，如冷凍電子顯微鏡圖所示（圖2d）。NIR-II納米探針的紫外-可見吸收光譜顯示在400–700 nm吸收帶處最大吸收波長為575nm（圖2e）。NIR-II分子的熒光發(fā)射光譜顯示，在THF溶液中在808nm激光激發(fā)下，發(fā)射波長峰值為1060nm（圖2f）。接下來，作者通過改變四氫呋喃（THF）/水混合物中的水分?jǐn)?shù)（f w），研究了聚集狀態(tài)下基于NDI的NIR-II分子5的發(fā)射特性（圖2g）。隨著向THF中逐漸添加水，熒光強(qiáng)度降低，直到f w =48%，這可能是由于溶劑極性效應(yīng)和由此產(chǎn)生的TICT狀態(tài)轉(zhuǎn)變。f w從48%增加到96%熒光發(fā)射強(qiáng)度逐漸增加，顯示出典型的AIE特征。AIE活性分子允許有效的固體/聚集發(fā)射（圖2h），這對生物醫(yī)學(xué)成像有用。為了檢測制備的納米探針的熱生產(chǎn)能力，作者使用近紅外熱成像來監(jiān)測探針在633nm激光照射下的熱轉(zhuǎn)換效率。在連續(xù)633nm輻射下，納米探針的溫度持續(xù)升高，240 s后達(dá)到60℃，而在類似條件下，去離子水的溫度僅達(dá)到38℃，表明納米探針具有高效的熱轉(zhuǎn)換效率（圖2i）。
 

圖2：（a）基于NDI的NIR-II分子5的合成步驟和（b）MALDI-TOF-MS。（c）磷鎢酸負(fù)染NIR-II納米探針的TEM顯微照片。（d）納米探針的冷凍TEM顯微照片。（e）NIR-II納米探針在去離子水中的紫外-可見吸收光譜。I：NIR-II分子，II：納米探針。（f）純THF中NIR-II納米探針的熒光發(fā)射光譜。（g）NIR-II納米探針在不同水組分（f w）的THF/H2O混合物中的光致發(fā)光（PL）光譜。（h）NIR-II納米探針的PL峰值強(qiáng)度與THF/水混合物的fw的關(guān)系圖。I0和I分別是純THF（fw=0）和具有特定fws的THF/水混合物中NIR-II納米探針的PL峰值強(qiáng)度。（i）NIR-II納米探針在633nm激光照射不同時間間隔后的近紅外熱成像結(jié)果。

 

接下來，基于該納米探針良好的生物相容性，作者進(jìn)行了細(xì)胞攝取實(shí)驗，以觀察PC-3細(xì)胞對納米探針的攝取。在PC-3細(xì)胞與納米探針孵育1、6和12小時后，在細(xì)胞質(zhì)中觀察到來自納米探針的雙光子熒光，其中熒光強(qiáng)度隨孵育時間增加而增加，證明納米探針被PC-3細(xì)胞有效吸收（如圖3a和b）。接下來，將PC-3細(xì)胞與納米探針孵育12小時，并用633 nm激光照射6分鐘，隨后使用流式細(xì)胞術(shù)和活/死細(xì)胞雙重染色評估納米探針的治療效果。結(jié)果表明，在激光照射后（圖3c），納米探針組有58.5%的細(xì)胞出現(xiàn)早期萎縮，而PBS組為3.22%，與未輻射的PC-3細(xì)胞相比無顯著差異。流式細(xì)胞術(shù)結(jié)果通過活/死雙重染色進(jìn)一步驗證。在沒有激光照射的情況下，PBS和納米探針組出現(xiàn)分散的死細(xì)胞（圖3d）。PBS組的死亡細(xì)胞數(shù)量在照射后沒有增加，但是，納米探針組的大多數(shù)細(xì)胞死亡，只有少數(shù)細(xì)胞存活。這些結(jié)果證實(shí)了納米探針在體外具有良好的光熱轉(zhuǎn)換效率。

 

圖3：（a）含有納米探針的PC-3細(xì)胞培養(yǎng)不同時間后的雙光子熒光顯微照片。（b）熒光信號強(qiáng)度統(tǒng)計分析。（c） PC-3細(xì)胞和納米探針孵育12h，然后進(jìn)行633nm激光照射的流式細(xì)胞術(shù)分析（d）PC-3細(xì)胞與納米探針共孵育12小時，然后用633 nm激光照射（紅色熒光表示死細(xì)胞細(xì)胞核的PI染色，黃綠色熒光表示活細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)）的雙染色熒光顯微照片。

 

為了獲得理想的治療效果，必須在腫瘤組織中有效積累納米探針。因此，作者使用納米探針的NIR-II熒光成像來觀察它們在荷瘤小鼠腫瘤組織中的分布和代謝，以指導(dǎo)光熱治療。圖4a顯示了荷瘤小鼠NIR-II熒光的實(shí)時成像結(jié)果。盡管熒光信號在尾靜脈注射30分鐘后分布于荷瘤小鼠全身，但在肝臟中該信號明顯較弱，但在注射12小時后腫瘤組織中信號顯著增強(qiáng)。此外，注射后48小時，肝臟中的熒光信號進(jìn)一步減弱，表明納米探針具有良好的腫瘤靶向特性，并且在肝臟中代謝。此外，我們還觀察了靜脈注射納米探針12和48小時后荷瘤小鼠主要器官和腫瘤組織中的體外熒光分布。這些熒光信號主要分布在血液供應(yīng)豐富的器官，以及注射后12小時的肝臟和脾臟（圖4b和d），但注射后48小時顯著減少（圖4c和d）。然而，腫瘤組織中的熒光信號并未顯著減少，這表明納米探針不僅具有良好的腫瘤聚集特性，而且還可以被生物體有效代謝。

 

圖4：（a）經(jīng)尾靜脈注射納米探針后不同時間點(diǎn)PC-3荷瘤小鼠的NIR-II熒光圖像。（b）通過尾靜脈注射納米探針后12和48小時荷瘤小鼠主要器官和腫瘤組織的亮場圖像。（c）與圖像b對應(yīng)的主要器官和腫瘤組織的NIR-II熒光圖像。（d）熒光信號強(qiáng)度的統(tǒng)計分析。

 

最后，作者在PC-3荷瘤小鼠上進(jìn)行了633nm激光介導(dǎo)的光熱治療。荷瘤小鼠隨機(jī)分為四組：生理鹽水組；生理鹽水激光組；納米探針組；納米探針激光組。靜脈注射生理鹽水或納米探針用或不用激光照射腫瘤8min，在激光照射期間，通過近紅外熱像儀監(jiān)測腫瘤的溫度。納米探針組腫瘤部位的溫度顯著升高，降低激光照射（溫度達(dá)到43.6℃）。相比之下，生理鹽水組的體溫只升高了3.6°C，并且沒有增加到足以有效殺死腫瘤細(xì)胞的溫度（42°C）；（圖5a和b）。此外，納米探針激光照射組的腫瘤體積在激光照射后14天內(nèi)沒有增加；其他三組的腫瘤體積顯著增加（圖5c和d），表明納米探針注射結(jié)合激光治療的光熱療法顯著抑制腫瘤生長。此外，所有組的動物體重都具有可比性（圖5e），這表明光熱療法不會對動物造成任何明顯的毒性副作用。從各組收集治療小鼠的主要器官和腫瘤組織，切片，分別進(jìn)行蘇木精和伊紅（H&E）染色和TUNEL免疫熒光染色。結(jié)果顯示，不同治療組動物的器官中沒有明顯的病理變化，如細(xì)胞水腫和壞死（圖5f）。H&E和TUNEL圖像顯示，經(jīng)納米探針和光熱療法治療的動物腫瘤組織中有大量死亡細(xì)胞，但在其他三個治療組的動物腫瘤中沒有。這些結(jié)果表明，光熱療法結(jié)合納米探針注射有效抑制腫瘤生長，具有高度的生物安全性。
 

圖5：納米探針在PC-3荷瘤小鼠體內(nèi)的光熱治療。（a）633nm激光照射各治療組荷瘤小鼠的近紅外熱成像。（b）不同組荷瘤小鼠腫瘤組織溫度變化的曲線。（c） 不同治療組小鼠腫瘤體積變化的數(shù)據(jù)（治療后21天）。（d）各治療組荷瘤小鼠腫瘤的照片（治療后21天）。（e）從每個治療組的荷瘤小鼠身上切除的腫瘤組織的數(shù)據(jù)。（f）各治療組荷瘤小鼠主要器官和腫瘤組織H&E染色和Ki-67免疫染色的圖像。

 

參考文獻(xiàn)

Cui Sheng sheng, Fan Shanshan, Tan Hai song, Lu Yi, Zha Yi qian, Xu Bin... & Cui Da xiang.(2021).Ultra-homogeneous NIR-II fluorescent self-assembled nanoprobe with AIE properties for photothermal therapy of prostate cancer.. Nanoscale(2021), doi:10.1039/D1NR04227K.

⭐️ ⭐️ ⭐️

 

近紅外二區(qū)小動物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS 

NIR-II in vivo imaging system 

高靈敏度 - 采用Princeton Instruments深制冷相機(jī)，活體穿透深度高于15mm

高分辨率 - 定制高分辨大光圈紅外鏡頭，空間分辨率優(yōu)于3um

熒光壽命 - 分辨率優(yōu)于 5us

高速采集 - 速度優(yōu)于1000fps （幀每秒）

多模態(tài)系統(tǒng) - 可擴(kuò)展X射線輻照、熒光壽命、一區(qū)熒光成像、原位成像光譜，CT等

顯微鏡 - 近紅外二區(qū)高分辨顯微系統(tǒng)，兼容成像型光譜儀