用于NIR-II熒光生物成像及光學相關治療的仿半導體聚合物納米顆粒

本文要點：半導體聚合物因其優(yōu)良的光學特性，在癌癥光療方面具有廣闊的應用前景；然而，其低生物降解性阻礙了臨床應用。本文報道了一種用于NIR-II熒光生物成像、光動力免疫治療和光活化化療的可生物降解仿半導體聚合物PSP。以及另一個對活性氧(ROS)有響應，側鏈連有阿霉素的聚合物PEDOX。兩個聚合物共組裝為NP@PEDOX/PSP。NP@PEDOX/PSP可以在腫瘤部位積累，808nm激光照射下產生ROS。ROS可以破壞PEDOX中的硫縮酮鍵，導致PEDOX快速釋放阿霉素。PEDOX和PSP都被細胞內谷胱甘肽牲降解，導致NP@PEDOX/PSP的解離。

 

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背景：半導體聚合物（SP）具有良好的光學性質,能產生ROS。但生物難以降解SP，使其生物相容性不高。為解決這個問題，SP經常與其他生物可降解聚合物進行物理共組裝，或在其側鏈上用生物相容性聚合物進行化學修飾。雖然該策略通過減少SP的數量，提高了SP的兼容性，但仍不能避免不可降解SP的使用，使得長期的生物安全問題尚未得到解決。另一方面，SP單獨依賴ROS的PDT作用，對殺死腫瘤細胞效果不佳。所以，目前迫切需要具有生物降解性，且具有多種治療作用的SP替代品。

 

研究內容：作者通過將帶有熒光探針的聚合物PSP和阿霉素聚合物PEDOX組裝成納米顆粒，實現(xiàn)NIR-II區(qū)熒光成像，PDT治療，免疫治療和光激活化療。PSP的主鏈上有BODIPY為母核的熒光探針以及二硫鍵，通過GSH破壞二硫鍵，實現(xiàn)生物降解。而PEDOX的側鏈上有化療藥物阿霉素(DOX)，對ROS響應的硫縮酮鍵把它連接到主鏈上，當PSP產生ROS時ROS破壞硫縮酮鍵，釋放DOX產生化療作用。而根據報道，PDT可激活體內的腫瘤免疫效應，實現(xiàn)免疫治療。（Figure1）

Figure1

 

PSP的合成路線如Fig.2A所示。作者合成了含有雙硫鍵的PSP和不含有雙硫鍵的PSP-C，對比二者的光學性質。它們的吸收和發(fā)射曲線區(qū)別不大（Figure.2BC），但是PSP-C的吸光吸收更高。作者還評價了兩者產生ROS的速度，利用DPBF接觸ROS后，415nm上的吸收峰降低的性質，通過評價吸光度降低的速度評價ROS產生的速度。如Figure.2DE所示，PSP-C的斜率更高，ROS產生速度更快，這可能與其吸光系數更大有關。

Figure2

 

作者繼續(xù)驗證聚合物與硫醇的反應性。如Figure.3AB所示，通過ESI-MS結果可得，M3a與GSH孵育得到了GSH加合物，說明GSH可成功打斷雙硫鍵，對聚合物有生物降解作用。為了進一步驗證，作者將M3a與另一種硫醇分子，巰基乙酸(MCA)反應，ESI-MS和H-NMR 結果顯示兩者可以加合(Figure.3CD)。通過將PSP與GSH孵育，PSP在凝膠滲透色譜中的洗脫時間從18.88 min逐漸增加到22.93 min(Figure3.E)，表明GSH可以降解PSP。

Figure3

 

隨后，PSP和PEDOX通過以1：10的比例自組裝成NP@PEDOX/PSP。利用TEM進一步觀察NP@PEDOX/PSP的形態(tài)（Figure.4A)。NP@PEDOX/PSP分布均勻，呈球形形態(tài)。DLS進一步表征結果表明，NP@PEDOX/PSP的平均水動力直徑為70nm。相比之下，作者制備了僅用PEDOX自組裝的納米顆粒(NPPEDOX)和用PSP自組裝的納米顆粒(NP-PSP)。NP-PEDOX和NP-PSP的平均水動力直徑分別為74和103nm(Figure.4B)。光學性質測定結果表明，NP@PEDOX/PSP在504nm和607nm處有兩個顯著的吸收峰，分別歸屬于DOX和PSP的吸收峰(Figure.4C)，在1050和1054nm處均有主要的發(fā)射峰(Figure.4D)。此外，DOX和NP-PEDOX具有相似的吸收光譜，表明自組裝對NP-PEDOX的吸收光譜的影響可以忽略不計。采用ESR對光激發(fā)產生的單線氧進行監(jiān)測，使用TEMP作為探針，與單獨的NP@PEDOX/PSP相比，光照射下NP@PEDOX/PSP的峰值強度增加了59.3%(Figure.4E)，表明激光照射下ROS生成。作者使用ESI-MS來監(jiān)測釋放的DOX，在NP@PEDOX/PSP+L的混合物中發(fā)現(xiàn)了一個m/z 543.31的典型峰，可以歸值給釋放的DOX(Figure.4F)。說明單線氧可以通過破壞NP@PEDOX/PSP中的硫縮酮鍵來進一步觸發(fā)DOX的釋放。用HPLC進一步監(jiān)測DOX的累積釋放量，在48 h達到最大值65%(Figure.4G)。為了證明PEDOX對GSH響應性，作者采用凝膠滲透色譜(GPC)來監(jiān)測分子量的變化。結果顯示，PEDOX的洗脫時間逐漸增加(Figure.4H)，說明GSH孵育后PEDOX的分子量降低，PEDOX可受GSH降解。隨后，用DLS監(jiān)測GSH孵育后NP@PEDOX/PSP直徑的變化。如Figure.4I所示，孵育24h后NP@PEDOX/PSP的直徑逐漸增大，表明了GSH誘導NP@PEDOX/PSP的解離。

Figure4

 

接下來作者檢測納米粒子的抗癌作用。MTT實驗發(fā)現(xiàn)，NP@PEDOX/PSP+L對4T1和A549癌細胞具有顯著的細胞殺傷作用，生長抑制率為84.67%和79.39%，分別是單獨的NP@PEDOX/PSP的2.54倍和2.35倍(Figure.5A)。作者還使用DCFH-DA檢測納米粒子產生的ROS，如果有ROS產生，DCFH-DA會產生綠色，從Figure.5B中可看出，808nm激光處理下NP-PSP+L和NP@PEDOX/PSP+L處理的細胞顯示出強烈的綠色熒光，表明PSP能有效地生成ROS(Figure.5B)。通過CLSM檢測，進一步觀察了NP@PEDOX/PSP的抗癌效果。結果表明，NP-PSP處理后的細胞具有較強的綠色熒光(Calcein-AM，細胞存活)而幾乎沒有紅色熒光（碘化丙啶，細胞死亡），說明NP-PSP沒有明顯的毒性。當PEDOX存在時可看到少許紅色熒光，這是因為DOX的化學作用。光照后NP-PSP+L和NP@PEDOX/PSP+L組都出現(xiàn)大量紅色熒光，說明光照后對癌細胞的殺傷力大幅提升(Figure.5C)。

Figure5

 

最后作者進行了納米粒子的體內實驗。注射24h后腫瘤部位的熒光強度達到最大，NP@PEDOX/PSP+L組可成功抑制腫瘤的生長。HE染色后發(fā)現(xiàn)NP-PSP+L和NP@PEDOX/PSP+L組都出現(xiàn)細胞壞死（Figure.6）。作者為了證明PDT可引發(fā)腫瘤免疫反應，利用流式細胞儀檢測腫瘤組織微環(huán)境的免疫細胞種類，發(fā)現(xiàn)PDT后樹突狀細胞增多，CD8T細胞增多，巨噬細胞從M2的免疫抑制狀態(tài)轉向M1的免疫激活狀態(tài)，脾和淋巴結中的樹突狀細胞和T細胞也有所增加（Figure.7）。

Figure6

 

Figure7

 

總結：作者開發(fā)了自犧牲可生物降解的NP@PEDOX/PSP，可以觸發(fā)ROS的產生和DOX的釋放，用于聯(lián)合NIR-II熒光生物成像、光動力刺激的免疫治療和光激發(fā)的化學治療。GSH可以有效地降解PEDOX和PSP。NP@PEDOX/PSP+L能產生單線氧，誘導DOX的快速釋放。作者發(fā)現(xiàn)，經NP@PEDOX/PSP+L處理后的4T1細胞和A549細胞可以被有效殺死。在體內，NP@PEDOX/PSP在NIR-II生物成像中表現(xiàn)出良好的NIR-II熒光信號，可有效抑制4T1腫瘤的生長，且無明顯副作用。NP@PEDOX/PSP+L的PDT作用可招募樹突狀細胞，促進抗原特異性的CTLs到腫瘤組織微環(huán)境，以激活抗腫瘤免疫反應。

 

 

參考文獻

doi.org/10.1002/adma.202203820.

 

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