應(yīng)用于近紅外二區(qū)熒光成像引導(dǎo)的腫瘤手術(shù)和NIR-II光熱治療

本文要點(diǎn)：在近紅外-IIb窗口(1500-1700nm)發(fā)射的高量子產(chǎn)率量子點(diǎn)(QDs)可以提供更高的分辨率、更深的穿透深度的生物成像。然而，低腫瘤積累，快速的腎臟清除和潛在的毒性阻礙了其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。作者報道了一種響應(yīng)腫瘤微環(huán)境的仿生病毒中空二氧化錳納米殼，在腔內(nèi)裝載IR1061，并將量子點(diǎn)(PbS@CdS)錨定在表面，用于NIR-IIb熒光成像引導(dǎo)腫瘤手術(shù)和NIR-II光熱治療。這種基于量子點(diǎn)的納米探針可以有效地粘附在腫瘤細(xì)胞上，實(shí)現(xiàn)腫瘤組織的高效積累。細(xì)胞外弱酸環(huán)境觸發(fā)二氧化錳生物降解并釋放IR1061，可顯著描繪腫瘤邊緣，用于腫瘤手術(shù)。此外，通過NIR-II光熱效應(yīng)可消除腫瘤的微轉(zhuǎn)移。
 

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圖1. NIR IIb量子點(diǎn)錨定和IR1061負(fù)載的中空病毒仿生二氧化錳，用于pH敏感的NIR IIb熒光成像引導(dǎo)實(shí)體腫瘤精確切除和NIR-II光熱治療。

 

由于潛在的毒性、被動靶向效果不佳和血液循環(huán)半衰期短，腎臟清除較快等劣勢，量子點(diǎn)在腫瘤成像中的臨床應(yīng)用受到嚴(yán)重阻礙。本文作者研發(fā)了具有核殼結(jié)構(gòu)的NIR-IIb量子點(diǎn)(PbS@CdS，1670nm發(fā)射)，偶聯(lián)在一個中空的仿生病毒二氧化錳納米殼表面。病毒仿生納米殼具有強(qiáng)大的細(xì)胞膜粘附和生物降解能力。為了獲得更高的SBR，將有機(jī)探針I(yè)R1061被封裝到中空的空腔中(HvMnO2@QDs-IR1061)（Fig.2）。因此，在正常組織下，HvMnO2@QDs-IR1061中的NIR-IIb熒光信號可以通過吸收競爭誘導(dǎo)發(fā)射(ACIE)機(jī)制被完全猝滅。在腫瘤微環(huán)境的細(xì)胞外弱酸性條件下，pH觸發(fā)HvMnO2生物降解，控制IR1061釋放，NIR-IIb熒光恢復(fù)，可以獲得高達(dá)25.0的SBR。

圖2

 

制備得到量子點(diǎn)之后，作者仔細(xì)評估了量子點(diǎn)熒光的穿透深度。量子點(diǎn)的穿透深度明顯高于鑭系納米晶體(圖3a），SBR也更高（圖3b）,展示了量子點(diǎn)在1670nm發(fā)射下深層組織成像的高分辨率優(yōu)勢。然后作者測試了在808nm激光照射下量子點(diǎn)的光穩(wěn)定性。量子點(diǎn)的NIR-IIb熒光信號照射240 min下保持相同的強(qiáng)度，而ICG的NIR-II信號在連續(xù)照射15 min后逐漸減少(圖3c)。在PBS、血液、血清等不同的生物緩沖液中重新分散量子點(diǎn)后，進(jìn)一步研究它的光穩(wěn)定性。所有樣品下NIR-IIb信號強(qiáng)度變化都可忽略（圖3d）。納米探針HvMnO2@QDs-IR1061在正常中性條件(pH=7.4)下表現(xiàn)極為穩(wěn)定，仍保持球形形態(tài)，在弱酸性緩沖液（pH=6.5）下迅速分解，孵育8h后完全坍塌（圖3e）。動態(tài)激光掃描結(jié)果檢測到，在酸緩沖處理8h后，我們的納米探針的尺寸從135nm明顯下降到10nm，表明HvMnO2對酸性腫瘤微環(huán)境具有較高的敏感性(圖3f)。酸性pH使納米探針釋放IR1061后NIR-IIb熒光隨著孵育時間的變化而逐漸恢復(fù)(圖3g，h)，使制備的HvMnO2@QDsIR1061成為腫瘤組織中良好的細(xì)胞外pH敏感量子點(diǎn)載體。

圖3

 

用4T1細(xì)胞檢測HvMnO2的細(xì)胞內(nèi)化，以中空介孔二氧化硅納米顆粒(HSiO2)作為對照。如圖4a所示，HvMnO2在30 min到120 min的孵育過程中表現(xiàn)出更快的內(nèi)化速度，光滑的HSiO2胞內(nèi)含量更低(圖4a，c)。此外，細(xì)胞內(nèi)錳的濃度在每個時間點(diǎn)都高于Si，進(jìn)一步揭示了細(xì)胞對病毒仿生納米顆粒的有效攝取。HvMnO2可以有效地逃脫正常細(xì)胞的捕獲，特別是吞噬細(xì)胞富集網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)(RES)，同時保持對腫瘤細(xì)胞強(qiáng)大的細(xì)胞內(nèi)化。接下來，在1064nm激光照射下，作者評價了HvMnO2@QDs-IR1061的光熱效應(yīng)。在1064nm激光照射5 min后，HvMnO2@QDs-IR1061(1 mg/mL)的溫度從21◦C顯著上升到72◦C，而HvMnO2@QDs組僅記錄到33◦C(圖4e）。即使在4個激光照射的開/關(guān)周期后，納米探針仍可保持初始光熱轉(zhuǎn)變效率(圖4f）。這歸因于IR1061的中空納米殼免受其受到光加速氧化。激光照射下的HvMnO2@QDs-IR1061可產(chǎn)生比對照組更好的殺滅細(xì)胞作用。此外，通過AnnexinV-FITC/PI檢測評估的細(xì)胞凋亡分析也證實(shí)了HvMnO2@QDs-IR1061聯(lián)合NIR-II激光照射的熱療誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡最為明顯（圖4i，j）。這些結(jié)果足以證明病毒仿生空心HvMnO2@QDs-IR1061能夠增強(qiáng)NIR-II光熱劑的遞送，從而實(shí)現(xiàn)有效的抗腫瘤治療。

圖4

 

作者繼續(xù)探索該納米探針在指導(dǎo)腫瘤手術(shù)上的可能性。HvMnO2@QDs和HvMnO2@QD-IR1061兩組在注射后6小時均出現(xiàn)原發(fā)腫瘤積累。在注射后18小時達(dá)到最大含量（圖5a）。切除6小時后兩組的主要器官和腫瘤的體外NIR-IIb熒光圖像顯示出完全不同的信號。HvMnO2@QDs在肝中的信號更強(qiáng)而HvMnO2@QD-IR1061在腫瘤中的信號更強(qiáng)(圖5b)。HvMnO2@QDs-IR1061中NIR-IIb熒光信號的SBR明顯高于HvMnO2@QDs治療的小鼠，表明腫瘤微環(huán)境敏感策略在成像引導(dǎo)的腫瘤手術(shù)中具有顯著優(yōu)勢（Fig.5c）如圖5d、e所示，在18h-20h時獲得最高的腫瘤積累和SBR（高達(dá)25.0）,腫瘤組織在18-20h達(dá)到了可忽略的肝臟保留的峰值積累，這應(yīng)該作為腫瘤手術(shù)的時間窗。2小時的腫瘤保留時間應(yīng)歸因于溶酶體在排出HvMnO2@QD-IR1061后持續(xù)釋放量子點(diǎn)。在其指導(dǎo)下進(jìn)行腫瘤切除，術(shù)后組織中未檢測到NIR-IIb熒光(Fig5f-I、g-I、h-I)，隨后用H&E染色對3例切除的熒光手術(shù)腫瘤進(jìn)行分析。如預(yù)期的那樣，注射18或20h后，正常和腫瘤組織邊界清晰，癌旁組織無腫瘤殘留，說明腫瘤被徹底切除。而注射納米探針24h后，腫瘤與正常組織之間沒有發(fā)現(xiàn)分界線(Fig.5h)，在主要腫瘤的手術(shù)切口組織中可以發(fā)現(xiàn)一些殘留的腫瘤細(xì)胞，反映了此時腫瘤輪廓線的識別失敗。20h組小鼠在手術(shù)20天后仍未發(fā)現(xiàn)腫瘤復(fù)發(fā)，但在14h和24h兩組的大多數(shù)小鼠均有腫瘤復(fù)發(fā)。

圖5

 

作者研究了尾靜脈注射HvMnO2@QDs-IR106118h后的體內(nèi)光熱波動。研究發(fā)現(xiàn)，HvMnO2@QDs注射的對照組由于沒有裝載光熱劑，腫瘤組織幾乎沒有溫度變化。然而，HvMnO2@QDs-IR1061組在照射5 min后，溫度顯著升高至60◦C，表明其具有優(yōu)越的光熱效應(yīng)(Fig.6b)。作者構(gòu)建了淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的癌細(xì)胞模型（Fig.6c），每間隔四天進(jìn)行光熱治療，HvMnO2@QDs-IR1061組的轉(zhuǎn)移腫瘤大小在18天以后是最小的(Fig.6d)。通過NIR-II區(qū)熒光檢測也能看到HvMnO2@QDs-IR1061組的腫瘤熒光逐漸減小，在第16天時幾乎不可見(Fig.6f)。HE染色也能看到IR1061組和HvMnO2@QDs-IR1061組細(xì)胞出現(xiàn)凋亡現(xiàn)象，而小鼠的重量不受影響，說明該納米探針的安全性(Fig.6g,h)。

圖6

 

總結(jié)：作者通過制造附有量子點(diǎn)的仿生病毒納米顆粒1(HvMnO2@QDs-IR1061)，用于指導(dǎo)NIR-IIb熒光成像下精確的腫瘤切除和有效的光熱治療。納米探針在靜脈注射后表現(xiàn)出強(qiáng)大的腫瘤細(xì)胞粘附。探針可響應(yīng)腫瘤微環(huán)境pH發(fā)生生物降解，釋放有機(jī)探針I(yè)R1061，產(chǎn)生NIR-IIb信號，而且可勾畫出腫瘤與正常組織之間的邊界，從而幫助完全切除腫瘤。這種無機(jī)NIR-IIb造影劑沒有表現(xiàn)出器官損傷毒性、急性毒性和繁殖毒性。

 

參考文獻(xiàn)

doi.org/10.1016/j.biomaterials.2022.121636

 

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