近紅外二區(qū)的雙模態(tài)乳腺癌成像：可被肝臟快速清除的稀土核殼納米探針

本文要點(diǎn)：相較受限于傳統(tǒng)的低穿透力、低信噪比和高背景自熒光干擾的基于紫外(UV,200-400 nm)和可見(jiàn)光(Vis, 400-650 nm)的光學(xué)方法，近紅外二區(qū) (NIR-II 1000-1700 nm)納米探針的研究在體內(nèi)成像領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。遺憾的是，大多數(shù)NIR-II熒光探針，尤其是無(wú)機(jī)物的納米顆粒，幾乎不能從網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)(RES)中排泄，從而產(chǎn)生了潛在的長(zhǎng)期循環(huán)安全問(wèn)題。
 

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作者開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單的熒光成像策略：合成了在NIR-II窗口中具有強(qiáng)烈發(fā)射的Nd3+摻雜稀土核殼納米顆粒（Nd-RENPs），NaGdF4:5%Nd@NaLuF4。更重要的是，Nd-RENPs可以從肝膽通路中迅速消除，從而降低RES長(zhǎng)期保留的潛在風(fēng)險(xiǎn)。此外，研究者將Nd-RENPs成功用于NIR-II成像和磁共振成像（MRI）造影劑，從而能夠精確檢測(cè)乳腺癌。

 

研究者首先利用LSS合成法合成了NaGdF4:5%Nd核心與NaLuF4殼層，隨后用兩端分別為甲氧基和二磷酸基的聚乙二醇（PEG）進(jìn)行表面改性。材料合成后，對(duì)之進(jìn)行了一系列表征（圖1）。

圖1: NaGdF4:5%Nd@NaLuF4NP的表征。a Nd-RENP合成的示意圖。b NaGdF4:5%Nd核心的透射電鏡圖像（比例尺100nm）。c NaGdF4:5%Nd@NaLuF4NP的透射電鏡圖像（比例尺100 nm）。d 核心和核殼RENPs的直徑分布。e 在808 nm激發(fā)激光下，核心（NaGdF4:5%Nd）和核-殼RENPs（NaGdF4：5%Nd@NaLuF4）的下轉(zhuǎn)換光致發(fā)光光譜。f 使用808 nm激發(fā)激光獲得H2O、核和核殼RENPs的熒光成像（1000 nm長(zhǎng)通濾光片）。g 808 nm激光下OA修飾的Nd-RENPs和PEGylated Nd-RENPs的熒光發(fā)射光譜。

 

核心RENP（NaGdF4:5%Nd）和核殼RENP（NaGdF4:5%Nd@NaLuF4）的平均直徑分別約為14.7±1.9和25.7±2.3 nm（圖1b-d）。如圖1e光譜所示，在808nm激光激發(fā)下，NaGdF4:5%Nd RENPs和NaGdF4:5%Nd@NaLuF4 RENPs在NIR-II區(qū)域具有兩個(gè)發(fā)射峰（1060和1340 nm）。在1060 nm下，同濃度的NaGdF4:5%Nd@NaLuF4的熒光強(qiáng)度比NaGdF4:5%Nd高3.4倍，可歸因于NaLuF4外殼有效降低Nd3+離子的非輻射轉(zhuǎn)變過(guò)程。相同結(jié)果也通過(guò)熒光成像得以證實(shí)（圖1f）。然而，RENPs表面的油酸酯配體（OA）導(dǎo)致顆粒在水中的溶解度很低，這不利于其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。于是研究者采用了兩端分別為甲氧基和二磷酸基的聚乙二醇代替油酸酯配體，提高Nd-RENPs的水溶性和生物相容性。圖1g熒光光譜結(jié)果表明，表面改性后，1060 nm處的熒光強(qiáng)度降低了近4.2倍。這可能是配體交換過(guò)程破壞鈍化效果并暴露更多的表面缺陷，從而導(dǎo)致PL淬滅。

 

生物相容性對(duì)于成像探針的應(yīng)用至關(guān)重要。本研究通過(guò)MTT和溶血率測(cè)定法研究了PEGylated NaGdF4:5%Nd@NaLuF4的潛在細(xì)胞毒性。圖2a和b顯示，即使Gd3+濃度高達(dá)200μg/mL，用Nd-RENPs處理24小時(shí)后，細(xì)胞存活（4T1和MCF-7細(xì)胞）也超過(guò)80%。此外，紅細(xì)胞的溶血率顯著低于5%，表明Nd-RENP具有顯著的血液相容性（圖2c,d）。

圖3: 基于NIR-II的Nd-RENPs體內(nèi)成像。a,b Nd-RENP給藥后4T1荷瘤小鼠在1060和1340nm處的NIR-II成像。c,d通過(guò)1060和1340 nm處小鼠的NIR-II 熒光成像計(jì)算TBR和LBR。TBR=[（腫瘤平均熒光強(qiáng)度）-（背景平均熒光強(qiáng)度）]/[（正常組織的平均熒光強(qiáng)度）-（背景的平均熒光強(qiáng)度）]。LBR=[（肝臟平均熒光強(qiáng)度）-（背景平均熒光強(qiáng)度）]/[（正常組織的平均熒光強(qiáng)度）-（背景的平均熒光強(qiáng)度）] （n=3）

 

光學(xué)成像是一種很有前途的診斷方法，因?yàn)闆](méi)有輻射和高時(shí)間分辨率。因此，研究者構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的皮下荷瘤模型來(lái)評(píng)估Nd-RENPs在NIR-II區(qū)的成像性能。通過(guò)尾靜脈將Nd-RENPs（每Kg體重15mgGd3+）注射到含腫瘤小鼠體內(nèi)后，在不同的時(shí)間點(diǎn)（15min，2，4，8和24h）獲取NIR-II熒光成像。圖3a和b表示注射后15分鐘后的熒光信號(hào)。注射后第4 h時(shí)，NIR-II熒光信號(hào)增強(qiáng)并達(dá)到最大值（圖 3c,d）。
 

圖4: Nd-RENPs的體內(nèi)清除行為。Nd-REN給藥后仰臥裸鼠的NIR-II成像（比例尺：10 mm）。b肝臟中NIR-II熒光的定量分析（計(jì)算肝臟的半衰期為15.8小時(shí)）。c Nd-REN的血液循環(huán)行為（n=3）。

 

圖4a顯示了給藥后肝臟中熒光信號(hào)逐漸增加，并在4小時(shí)達(dá)到峰值。隨后，肝臟中的信號(hào)開(kāi)始減少，注射72小時(shí)后不可見(jiàn)，表明幾乎所有顆粒都從肝臟中清除。肝臟中Nd-RENPs的體內(nèi)半衰期計(jì)算為15.8小時(shí)（圖4b），這比以前報(bào)道的類似納米探針短得多。此外，圖4c揭示納米顆粒的血液半衰期約為10.5 min，這有助于體內(nèi)快速清除。

圖5: Nd-RENPs的生物分布。a 在靜脈給藥后1、24、48和72 h處，主要器官的NIR-Ⅱ成像。b主要器官1.心臟,2.肝臟,3.脾臟,4.肺,5.腎,6.小腸,7.大腸和9.胃）和8.不同時(shí)間點(diǎn)糞便的NIR-II熒光強(qiáng)度的定量分析。（比例尺：10 mm，n=3）

 

在NIR-II區(qū)域通過(guò)熒光定量法對(duì)Nd-RENPs進(jìn)行生物分布。結(jié)果表明，Nd-RENPs在給藥后主要分布在肝臟和脾臟中（圖5a,b）。肝臟和脾臟的信號(hào)隨著給藥時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著降低。注射后24 h肝臟的信號(hào)比1 h時(shí)低約5倍（圖5a，b）。

圖6: 荷瘤小鼠的體內(nèi)MRI。a Nd-RENPs注射后乳腺腫瘤的MRI T1加權(quán)像（0，5，15，30，60，90，120和240 min，腫瘤用箭頭標(biāo)注）

 

研究者獲得了載有乳腺腫瘤小鼠的MRI T1加權(quán)像，以評(píng)估Nd-RENPs在體內(nèi)的雙模態(tài)成像能力。結(jié)果顯示（圖6），皮下腫瘤的MRI信號(hào)逐漸增大并向病變中心移動(dòng)。

 

本研究開(kāi)發(fā)了一種具有較高的生物相容性且可排泄的NIR-II稀土納米顆粒Nd-RENPs （NaGdF4:5%Nd@NaLuF4）。在NIR-II成像的幫助下，該納米顆粒能夠以高時(shí)空分辨率輔助腫瘤檢測(cè)，以進(jìn)行術(shù)中識(shí)別和導(dǎo)航。同時(shí)，作為多功能納米探針，Nd-RENPs可以在術(shù)前提供全面的MRI信息。

 

參考文獻(xiàn)

Wei et al. Journal ofNanobiotechnology (2021) 19:369  https://doi.org/10.1186/s12951-021-01112-y

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