本文要點:光熱療法(PTT)被認為是一種有效的腫瘤消融治療方法。光熱劑(PTA)將光子轉化為熱量,這種熱療可以快速消融實體腫瘤。近紅外(NIR)激光產生的光子能量較高,組織吸收/散射較低,導致組織穿透深度比在紫外可見區(qū)域的光更深,因此被認為適合PTT。NIR激光誘導的PTT是可控的,對幾種腫瘤類型的副作用可以忽略不計,包括前列腺癌、肝癌、腦癌等。在PTT過程中,病變區(qū)域被加熱到42℃或更高溫度,以誘導不可逆的細胞壞死。然而,PTA在病變中的不均勻分布有時會導致溫度不均勻,導致PTT期間區(qū)域溫度低于42℃,由此,腫瘤可能復發(fā),導致治療過程失敗。提高治療溫度可能是避免腫瘤復發(fā)的相關解決方案,盡管遺憾的是,這種方法可能刺激過度激活的炎癥反應。因此需要PTT與適當?shù)蜏夭僮鞯膮f(xié)同治療策略。
在本文中,作者設計并合成了一種帶有多酚部分的半導體聚合物CPPDA螯合高原子序數(shù)金屬 Hf離子,隨后用兩親性聚合物(Pluronic F127)包覆以形成110 nm的納米結構。CPPDA-Hf@Poloxamer在NIR-II區(qū)域內顯示熒光,用于病變部位精準成像的同時用于PTT具有合適的光熱轉換效應。對于Hf-多酚的螯合作用,高原子序數(shù) Hf離子賦予該納米系統(tǒng)放射增敏性能,從而中和PTT過程中腫瘤復發(fā)的缺陷。最終,當PTT與HF增敏放射治療相結合時,合理地獲得了顯著的治療效果。金屬-多酚納米系統(tǒng)利用第二近紅外(NIR-II)熒光引導協(xié)同PTT/RT示意圖如下(方案1)。
方案1:金屬-多酚納米系統(tǒng)用于NIR-II熒光引導PTT和RT(放射療法)聯(lián)合精準治療的示意圖
CPPDA與Hf離子螯合(圖1A),并用兩親性聚合物Pluronic F127包覆,形成納米顆粒(CPPDA-Hf@Poloxamer),利用透射電子顯微鏡(TEM)觀察核-殼顆粒結構,粒徑約為100 nm(圖1B)。對于金屬-多酚螯合,Hf離子在單個CPPDA-Hf@Poloxamer納米顆粒中的分布利用高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)證實了這一點(圖1C)。利用能量色散X射線光譜(EDX)分析確認Hf與CPPDA的準確螯合作用(圖1D)。CPPDA-Hf@Poloxamer中的Hf比率計算結果為通過電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)測定2.7 wt%。CPPDA-Hf@Poloxamer在808 nm激光(900–1500 nm)下具有寬吸收(600–1100 nm)和寬NIR-II發(fā)射(圖1E)。CPPDA-Hf@Poloxamer也可能被1064 nm激光激發(fā),并顯示出類似的NIR-II發(fā)射,表明CPPDA-Hf@Poloxamer可作為一種潛在的近紅外熒光顯像劑。CPPDA-Hf@Poloxamer的NIR-II熒光使用成像儀器(圖1F,λex=808 nm)進行了研究,并顯示了強度和濃度之間的線性關系(圖1G),這進一步證實了CPPDA-Hf@Poloxamer的良好成像特性. 量子產率(QY)計算為1.9%(λex=808nm,IR 1061作為標準參考,QY=1.8%)和0.57%(λex=1064nm,IR 26為標準參考,QY=0.05%)。在兩種不同波長的激光照射下,納米顆粒濃度與NIR-II熒光強度表現(xiàn)出良好的線性關系,證明了CPPDA-Hf@Poloxamer的光學穩(wěn)定性,由于其在600至1100 nm范圍內的廣泛吸收,CPPDA——Hf@Poloxamer應具有良好的光熱轉換性能。CPPDA-Hf@Poloxamer的光熱容量在不同濃度(0.5~0.03125 mg/mL),在808 nm輻射(P=1 W c m-2)下測量。通常,CPPDA–Hf@泊洛沙姆的最大溫升為55℃,0.5 mg/mL(圖1H)。由于在1064 nm處的吸收(P=1 W c m-2),還測量了CPPDA–Hf@Poloxamer在1064 nm輻照下的光熱容量,最大溫升為44.9℃, 0.5 mg/mL (圖1I)。進行光熱成像以可視化溫度升高過程(圖1J)。然后,CPPDA-Hf@Poloxamer的冷卻曲線(0.5 mg/mL)在輻照(λex=1064 nm,P=1 W c m-2)下測得(圖1K)。因此,CPPDA-Hf@Poloxamer的光熱轉換效率計算了兩個輻射波長分別為808和1064 nm的輻射。CPPDA-Hf@Poloxamer的光熱轉換效率在1064nm照射下(45.5%)高于808nm照射下(33.3%)。因此,CPPDA-Hf@Poloxamer可作為一種具有近紅外II區(qū)熒光和光熱性質的良好顯像劑。根據(jù)CPPDA-Hf@Poloxamer的這些光物理性質,作者認為能夠使用808nm激光識別病變部位,并使用1064nm激光產生熱量消融實體瘤。
圖1 CPPDA-Hf@Poloxamer的表征. (A)金屬-多酚半導體聚合物CPPDA-Hf和兩親性聚合物Pluronic F127的化學結構。(B) CPPDA-Hf@Poloxamer納米顆粒核殼結構的TEM圖像。(C) CPPDA-Hf@Poloxamer納米顆粒(黃色點代表Hf)的HAADF-STEM圖像。(D) CPPDA-Hf@Poloxamer的EDX分析. (E) CPPDA-Hf@Poloxamer在808/1064nm激光照射下的吸收和發(fā)射光譜。(F) CPPDA-Hf@Poloxamer在808nm的輻射下不同濃度(范圍0.03125–1 mg/mL)的溶液的NIR-II熒光信號。(G)分別在808nm和1064nm輻射下NIR-II熒光與CPPDA-Hf@Poloxamer濃度之間的線性關系。CPPDA-Hf@Poloxamer的光熱效應(0.03125~0.5mg/mL)用1 W c m-2,808 nm激光(H)和1064 nm激光(I)照射。(J) CPPDA-Hf@Poloxamer的光熱圖像(0.5 mg/mL)在1064nm輻射下。(K) CPPDA-Hf@Poloxamer(0.5 mg/mL)的加熱和冷卻曲線和光熱轉換效率的分析
為了研究CPPDA–Hf@Poloxamer在體外的抗癌作用,隨后作者采用MTT法評估4T1乳腺癌細胞的生存能力。CPPDA-Hf@Poloxamer即使在相對較高的1 mg/mL 濃度下也沒有細胞毒性(圖2A)。在X射線(6 Gy)照射下,CPPDA-Hf@Poloxamer對細胞活力有明顯的抑制作用。與不含Hf的納米顆粒CPPDA@Poloxamer相比,CPPDA–Hf@Poloxamer在X射線照射下實現(xiàn)了細胞毒性的明顯增強,表明Hf離子的放射增敏效應。使用4–8 Gy范圍內的X射線輻照功率,CPPDA——Hf@Poloxamer細胞毒性逐漸增強(圖2B)。
圖2 CPPDA-Hf@Poloxamer的細胞試驗. (A)不同濃度納米顆粒(CPPDA-Hf@Poloxamer)與沒有Hf離子(CPPDA@Poloxamer)X射線照射下的(X:X射線,6Gy)細胞活力對比。(B)用CPPDA-Hf@Poloxamer(0.015625–1 mg/mL)納米顆粒在不同的X射線輻照功率(4、6和8Gy)處理時的細胞活力。
為了評估CPPDA-Hf@Poloxamer在體內的可追溯性和累積性,作者對攜帶4T1腫瘤的小鼠進行NIR-II區(qū)域內全身成像。在808nm照射下,腫瘤區(qū)域內的熒光強度逐漸增加(圖3A)。CPPDA-Hf@Poloxamer累積在腫瘤中,熒光強度在24小時達到峰值,之后熒光強度降低到該值的77%左右,表明一個代謝過程(圖3B)。注射CPPDA–Hf@ Poloxamer 24小時后,在1064 nm輻射(1 W cm-2)下,腫瘤區(qū)域的溫度在120秒內迅速升高至56 ℃(圖3C和D)。這種產生的熱量足以用于PTT,表明CPPDA-Hf@Poloxamer具有潛在光熱治療性能。
圖3 CPPDA-Hf@Poloxamer在體內的成像特性。腫瘤區(qū)域用白色圓圈標記。(A)靜脈注射CPPDA-Hf@Poloxamer(1 mg/mL)治療后4T1荷瘤小鼠的NIR-II熒光成像;λex =808納米。(B)腫瘤區(qū)域的平均熒光強度(MFI)曲線。(C)注射CPPDA-Hf@Poloxamer 24小時后4T1荷瘤小鼠的光熱成像(1 mg/mL);λex=1064納米。(D)腫瘤區(qū)域內的溫度變化曲線。
為了研究CPPDA–Hf@Poloxamer的抗癌作用,通過靜脈注射CPPDA–Hf@Poloxamer對4T1荷瘤小鼠進行了不同的治療. 經(jīng)過各種處理后,發(fā)現(xiàn)沒有明顯的重量損失,這表明納米材料具有合理的生物安全性(圖4A)。注射CPPDA-Hf@Poloxamer后產生腫瘤抑制效應(圖4B),在1064 nm激光(L)和X射線(X)的聯(lián)合照射下顯示出最有效的腫瘤抑制效應。在第6天終止治療后,腫瘤體積開始逐漸增大,這表明CPPDA-Hf@Poloxamer對腫瘤生長的抑制有限。由于X射線在CPPDA-Hf@Poloxamer中的參與(L/X)激光組腫瘤生長停止。因此,放療與PTT的聯(lián)合應用可以有效地最大限度地提高抗腫瘤療效。在病灶中能觀察到腫瘤抑制的這種差異(圖4C)。此外,我們還通過比較CPPDA-Hf@Poloxamer(X)組和PBS(X)組,進一步證實了Hf離子的放射增敏作用。治療后,處死小鼠,剝離腫瘤稱量并成像(圖4D)。在蘇木精-伊紅(H&E)染色的腫瘤切片中,在CPPDA-Hf@Poloxamer(L/X)中觀察到明顯的膜溶解和細胞壞死,CPPDA-Hf@Poloxamer(L)和CPPDA-Hf@Poloxamer(X)組(圖4E)最終證明聯(lián)合PTT/RT具有令人欽佩的抗腫瘤作用,CPPDA-Hf@Poloxamer使用NIR-II激光和X射線照射呈現(xiàn)出良好的腫瘤消退特性。這些結果表明治療過程中所有材料的系統(tǒng)安全性。
圖4 CPPDA-Hf@Poloxamer的治療效果(L:1064nm激光,1Wcm-2;X:X射線,6Gy)。不同治療方法下的體重(A)和腫瘤體積(B)變化曲線。(C)第15天接受CPPDA-Hf@Poloxamer治療后采用1064nm激光照射的腫瘤區(qū)域照片(L:1064nm激光照射;L/X:1064nm激光/X射線照射;紅色虛線圓圈表示腫瘤復發(fā)區(qū)域)。(D)不同治療后的腫瘤重量和相應的腫瘤照片。(E)通過H&E染色檢查腫瘤切片。
參考文獻
Li Jie, etal."A metal-polyphenolic nanosystem with NIR-II fluorescence-guidedcombined photothermal therapy and radiotherapy.." Chemical communications(Cambridge, England) .(2021): doi:10.1039/D1CC04628D.
⭐️ ⭐️ ⭐️
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,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