NIR-II 染料應(yīng)用：熒光 / 光聲成像引導(dǎo)下的光熱和光動(dòng)力協(xié)同療法

本文要點(diǎn)：本文開發(fā)了一種在近紅外區(qū)域具有較強(qiáng)光收集能力的“A-D-A′−D-A”結(jié)構(gòu)有機(jī)光劑（Y16-Pr）。用聚乙二醇（PEG）修飾得到的生物相容性納米顆粒（Y16-Pr-PEG NPs）可以進(jìn)行NIR-II熒光成像（FLI）和光聲成像（PAI），并同時(shí)進(jìn)行光熱療法（PTT）和光動(dòng)力療法（PDT）。在808 nm激光激發(fā)下，Y16-Pr-PEG NPs有82.4%的光熱轉(zhuǎn)換效率（PCE）。輻照后的NPs可產(chǎn)生羥基自由基（•OH）和單線態(tài)氧（1O2）分別進(jìn)行I型和II型PDT的。體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)表明，Y16-Pr-PEG NPs在激光照射下顯著抑制腫瘤細(xì)胞生長并且無明顯的毒副作用。雖然NIR-ⅡFLI在疾病診斷領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，但了解腫瘤環(huán)境等信息需要多種成像模式進(jìn)行檢測。因此NIR-II FLI和PAI的集成對生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用更具優(yōu)勢。在本文中，作者開發(fā)了一種“A-D-A′−D-A”結(jié)構(gòu)化有機(jī)光療劑（Y16-Pr），用于NIR-II FLI-和PAI引導(dǎo)的光熱和光動(dòng)力協(xié)同治療（Scheme 1）。

 

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Y16-Pr是一種多環(huán)結(jié)構(gòu)分子，可以形成剛性共軛分子平面，有利于強(qiáng)光吸收和分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移。增加分子內(nèi)推拉效應(yīng)可顯著降低單線態(tài)-三重態(tài)之間的能量間隙，提高光動(dòng)力治療療效。疏水性Y16-Pr通過納米沉淀與兩親性聚合物DSPE-PEG-NH2組裝，得到水溶性納米顆粒（Y16-Pr-PEG NPs，F(xiàn)igure 1a）。掃描電子顯微鏡（SEM）和動(dòng)態(tài)光散射（DLS）結(jié)果顯示了平均直徑為126 nm的均勻球形貌（Figure 1b），這有利于它們在腫瘤區(qū)域的被動(dòng)積累。Y16-Pr-PEG NPs具有高度的光穩(wěn)定性和生物相容性（Figure 1c,d）。Y16-Pr-PEG NPs在600−900 nm的范圍內(nèi)顯示出廣泛的吸收，相應(yīng)的FL光譜顯示發(fā)射峰值為920 nm，并一直持續(xù)到1100 nm。

 

 

Y16-Pr-PEG NPs在NIR區(qū)域的強(qiáng)吸收可能導(dǎo)致高的非輻射躍遷速率，從而為它們提供出色的光熱轉(zhuǎn)換能力。正如預(yù)期的那樣，作者觀察到激光功率密度與NP水溶液的溫度之間存在正相關(guān)關(guān)系。在1 W/cm2激光功率下，3.6 μM Y16-Pr-PEG NP水溶液的溫度可以在短時(shí)間內(nèi)（5 min）迅速升高至50°C（Figure 2a），10 min后，溫度升高超過60°C，這足以有效地消融癌細(xì)胞。2.4 μM Y16-Pr-PEG NP溶液的溫度在不到300s的時(shí)間內(nèi)從25°C升高到50°C（Figure 2b）。作者根據(jù)冷卻曲線和冷卻的時(shí)溫關(guān)系（Figure 2c），計(jì)算出時(shí)間常數(shù)（τ）為464 s，光熱轉(zhuǎn)換效率η為82.4%，明顯高于先前報(bào)道的PTT試劑。與ICG（Figure 2e,f）相比，Y16-PrPEG NPs在五個(gè)連續(xù)加熱和冷卻循環(huán)后仍能保持光穩(wěn)定性（Figure 2d），可以反復(fù)使用而不影響其治療效果。

使用SOSG作為1O2捕獲劑檢測其ROS產(chǎn)生能力。如Figure 3a所示，在808 nm激光照射，氧化的SOSG熒光強(qiáng)度在與Y16-Pr-PEG NPs溶液混合后隨時(shí)間增加，表明Y16-Pr-PEG NPs可有效生成1O2。Figure 3b中羥基化產(chǎn)物2-羥基-亞苯二酸的熒光強(qiáng)度隨時(shí)間的增加證明了Y16-Pr-PEG NPs也能夠產(chǎn)生•OH。綠色和紅色熒光只能從NPs +激光照射組中觀察到，合并的圖像表明Y16-Pr-PEG NPs可以在細(xì)胞內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生•OH和1O2（Figure 3c），因此可以進(jìn)行I型和II型PDT。
 

Figure 4a表明Y16-Pr-PEG NPs具有良好的生物相容性。然而如Figure 4b所示，隨著Y16-Pr-PEG NPs的濃度從0.61 μM增加到2.4 μM，細(xì)胞存活率從93%下降到18%。為了進(jìn)一步觀察Y16-Pr-PEG NPs的細(xì)胞毒性，與Calcine AM和PI共染色（Figure 4c(i)）。用NPs或單獨(dú)激光處理的細(xì)胞表現(xiàn)出強(qiáng)烈的綠色熒光，這意味著使用的激光功率密度是安全的，并且Y16-Pr-PEG NPs在實(shí)驗(yàn)濃度下具有高度的生物相容性。相比之下，幾乎所有NPs+激光組的細(xì)胞都表現(xiàn)出紅色熒光，顯示出Y16-Pr-PEG NPs在NIR-II激光輔助下具有優(yōu)異的協(xié)同治療效果。用PBS，PBS +激光或NPs處理后，4T1細(xì)胞的細(xì)胞骨架仍然顯示出均勻且分布良好的形態(tài)，而NPs +Laser組具有細(xì)胞骨架絲解聚導(dǎo)致的明顯的絲狀細(xì)胞結(jié)構(gòu)片段（Figure 4c(ii)）。從Figure 4c(iii)中可以清楚地看出，所有對照組對細(xì)胞增殖沒有明顯影響，而NPs+激光可通過DNA合成抑制對細(xì)胞增殖有明顯影響。

 

注射Y16-Pr-PEG NPs的4T1腫瘤小鼠發(fā)出強(qiáng)烈的NIR-II熒光信號（Figure 5a），小鼠左側(cè)的PA信號也很明顯（Figure5b中的紅色圓圈）。體外PA信號（Figure 5c）說明了Y16-Pr-PEG NPs與PA強(qiáng)度之間的濃度依賴關(guān)系。在確認(rèn)了雙模成像能力后，作者進(jìn)行了體內(nèi)癌癥治療效果研究。如Figure 5d、e所示，NPs+激光組顯示出優(yōu)異的腫瘤消除效果，PDT和PTT聯(lián)合治療后腫瘤完全消失。此外，在14天的治療期間，小鼠的體重在所有組中均未顯示出任何顯著的下降（Figure 5f），這表明該治療方式對小鼠是安全的。

 

為了進(jìn)一步驗(yàn)證Y16-Pr-PEG NPs的抗腫瘤功效，作者通過蘇木精和曙紅（H&E）以及Ki67染色研究了腫瘤。只有NPs+激光組在腫瘤中誘導(dǎo)了更多的壞死區(qū)域以及明顯的腫瘤生長抑制，而其他組顯示出可以忽略不計(jì)的損傷（Figure 6a）。在尾靜脈注射24 h后，Y16-Pr-PEG NPs主要積累在肝臟和脾臟中（Figure 6b,c）。三組主要器官均未發(fā)現(xiàn)明顯的組織學(xué)變化（Figure 6d）。
 

 

綜上所述，作者合成了A-DA′D-A結(jié)構(gòu)的小分子納米Y16-Pr-PEG NPs，并將其應(yīng)用于腫瘤治療診斷學(xué)。Y16-Pr-PEG NPs表現(xiàn)出優(yōu)異的PTT效應(yīng)，PCE高達(dá)82.4%。此外，Y16-Pr-PEG NPs顯示出相對較高的1O2量子產(chǎn)率（8.3%），促進(jìn)了PTT。Y16-Pr-PEG NPs還具有罕見的I型PDT能力。由于PTT性能，Y16-Pr-PEG NPs可以應(yīng)用于PAI，NIR-II FLI/PAI的協(xié)同治療，以提供更準(zhǔn)確的腫瘤信息。最后，Y16-Pr-PEG NPs顯示出增強(qiáng)的體內(nèi)抗腫瘤效率，表明Y16-Pr-PEG NPs是FLI / PAI雙模成像引導(dǎo)的協(xié)同抗腫瘤治療的有希望的候選者。

 

參考文獻(xiàn)

ACS Applied Materials & Interfaces 2022 14 (16), 18043-18052. DOI: 10.1021/acsami.1c22444

 

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