光聲應(yīng)用：腎小管間質(zhì)纖維化診斷
背景
慢性腎病，以其高發(fā)生率和強(qiáng)大的潛伏性，已越來(lái)越成為一種常見(jiàn)的疾病。如果能夠及時(shí)地檢測(cè)到該疾病的發(fā)生進(jìn)程，將大大改善后續(xù)的治療效果。在眾多病理特征中，腎小管間質(zhì)纖維化（Tubulointerstitial fibrosis）作為眾多腎臟疾病發(fā)展進(jìn)程中的常見(jiàn)中間體，是反映腎臟狀態(tài)的重要指標(biāo)。目前，臨床治療方法仍然只能做到減緩病程，并不能阻止或者扭轉(zhuǎn)疾病對(duì)于組織的破壞。因此，醫(yī)療和科研工作人員將注意力放在了疾病的早期階段——如果能在該階段確定病變，則有更大的幾率阻止疾病惡化。
研究思路
在此背景下，Dingyuan等人嘗試對(duì)腎小管間質(zhì)纖維化進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。傳統(tǒng)的方法使用的腎活組織切片（Kidney biopsy）容易導(dǎo)致大量出血，因而作者更偏向于非接觸式檢測(cè)。而在該領(lǐng)域，通常選用CT、核磁共振等方式，但這些方式輻射風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大，因此作者最終選擇了光聲/熒光成像方式。而在顯影劑的選擇上，相對(duì)于無(wú)機(jī)材料，有機(jī)材料具有更好的生物降解能力、純度以及聚集誘導(dǎo)發(fā)光效應(yīng)（Aggregation-induced emission, AIE）——一種在溶液中分散時(shí)幾乎不發(fā)光，但在聚集狀態(tài)時(shí)發(fā)光大大增強(qiáng)的現(xiàn)象——因而被作者看中。同時(shí)，現(xiàn)有的大部分具有AIE的光聲顯影劑為疏水性材料，不利于均勻分散和體內(nèi)代謝，因此作者開(kāi)發(fā)了一款水溶性AIE腎小管間質(zhì)纖維化檢測(cè)顯影劑。
顯影劑設(shè)計(jì)及表征
作者首先獲得的是AIE-4COOH分子——一個(gè)攜帶4個(gè)羧基的具有AIE效應(yīng)的分子。為了增加其水溶性，作者將4個(gè)羧基全部PEG化，成為AIE-4PEG550。AIE-4PEG550在DMSO/水體系中溶解良好，并能夠自組裝形成納米粒子（AIE-4PEG550 NPs，圖1）。表征結(jié)果顯示該粒子有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一、粒徑約26 nm，質(zhì)量約3.3 kDa，能夠有效通過(guò)腎臟的濾過(guò)作用（截留質(zhì)量通常為30-50 kDa）；二、光穩(wěn)定性好：在660 nm波長(zhǎng)持續(xù)照射30 min后，僅有微小強(qiáng)度下降，而作為對(duì)照的顯影劑ICG則已完全猝滅。在645 nm處具有最強(qiáng)吸收峰，而發(fā)射峰則在893 nm。
圖1 AIE-4PEG550納米粒子設(shè)計(jì)思路
體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)
體外實(shí)驗(yàn)著眼于該有機(jī)分子的生物兼容性。在0 – 100 μg/mL該分子溶液中孵育24 h后，HK-2細(xì)胞（Human kidney -2，人腎皮質(zhì)近曲小管上皮細(xì)胞）的存活率仍在95%以上（圖3）。
在正常體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，作者同時(shí)進(jìn)行了熒光和光聲成像，相互驗(yàn)證了該顯影劑主要聚集于腎臟而非肝臟（圖4），隨著時(shí)間流逝，腎臟中的含量逐漸降低，膀胱中的含量逐漸增加，表明該顯影劑可由腎臟代謝，并由尿液排出。測(cè)得的24 h清除效率為93.1 ± 1.7%（圖5）。
圖4 在注射顯影劑后，腎臟的熒光（A）和光聲（B）、膀胱的熒光（C）和光聲（D）隨時(shí)間的成像效果變化。在腎臟中，4 min達(dá)到頂峰，而在膀胱中，60 min達(dá)到頂峰。E和F分別為相應(yīng)的數(shù)值變化柱狀圖
而在腎病模型小鼠上，同樣的劑量表現(xiàn)出截然不同的結(jié)果：直到180 min之前，腎臟中的顯影劑含量一直在增加，說(shuō)明腎臟代謝功能降低，本該快速代謝到膀胱的化合物積聚在腎臟中（圖6），這一現(xiàn)象也在相應(yīng)的熒光信號(hào)強(qiáng)度上有所驗(yàn)證（圖7）。通過(guò)這種區(qū)別，能夠較為直觀地評(píng)估腎臟代謝功能。
小結(jié)
慢性腎病，以其高發(fā)生率和強(qiáng)大的潛伏性，已越來(lái)越成為一種常見(jiàn)的疾病。如果能夠及時(shí)地檢測(cè)到該疾病的發(fā)生進(jìn)程，將大大改善后續(xù)的治療效果。在眾多病理特征中，腎小管間質(zhì)纖維化（Tubulointerstitial fibrosis）作為眾多腎臟疾病發(fā)展進(jìn)程中的常見(jiàn)中間體，是反映腎臟狀態(tài)的重要指標(biāo)。目前，臨床治療方法仍然只能做到減緩病程，并不能阻止或者扭轉(zhuǎn)疾病對(duì)于組織的破壞。因此，醫(yī)療和科研工作人員將注意力放在了疾病的早期階段——如果能在該階段確定病變，則有更大的幾率阻止疾病惡化。
研究思路
在此背景下，Dingyuan等人嘗試對(duì)腎小管間質(zhì)纖維化進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。傳統(tǒng)的方法使用的腎活組織切片（Kidney biopsy）容易導(dǎo)致大量出血，因而作者更偏向于非接觸式檢測(cè)。而在該領(lǐng)域，通常選用CT、核磁共振等方式，但這些方式輻射風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較大，因此作者最終選擇了光聲/熒光成像方式。而在顯影劑的選擇上，相對(duì)于無(wú)機(jī)材料，有機(jī)材料具有更好的生物降解能力、純度以及聚集誘導(dǎo)發(fā)光效應(yīng)（Aggregation-induced emission, AIE）——一種在溶液中分散時(shí)幾乎不發(fā)光，但在聚集狀態(tài)時(shí)發(fā)光大大增強(qiáng)的現(xiàn)象——因而被作者看中。同時(shí)，現(xiàn)有的大部分具有AIE的光聲顯影劑為疏水性材料，不利于均勻分散和體內(nèi)代謝，因此作者開(kāi)發(fā)了一款水溶性AIE腎小管間質(zhì)纖維化檢測(cè)顯影劑。
顯影劑設(shè)計(jì)及表征
作者首先獲得的是AIE-4COOH分子——一個(gè)攜帶4個(gè)羧基的具有AIE效應(yīng)的分子。為了增加其水溶性，作者將4個(gè)羧基全部PEG化，成為AIE-4PEG550。AIE-4PEG550在DMSO/水體系中溶解良好，并能夠自組裝形成納米粒子（AIE-4PEG550 NPs，圖1）。表征結(jié)果顯示該粒子有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一、粒徑約26 nm，質(zhì)量約3.3 kDa，能夠有效通過(guò)腎臟的濾過(guò)作用（截留質(zhì)量通常為30-50 kDa）；二、光穩(wěn)定性好：在660 nm波長(zhǎng)持續(xù)照射30 min后，僅有微小強(qiáng)度下降，而作為對(duì)照的顯影劑ICG則已完全猝滅。在645 nm處具有最強(qiáng)吸收峰，而發(fā)射峰則在893 nm。
圖1 AIE-4PEG550納米粒子設(shè)計(jì)思路圖2 AIE-4PEG550 NPs的左）吸收、發(fā)射圖譜；右）粒徑檢測(cè)（溶液均為水）
體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)
體外實(shí)驗(yàn)著眼于該有機(jī)分子的生物兼容性。在0 – 100 μg/mL該分子溶液中孵育24 h后，HK-2細(xì)胞（Human kidney -2，人腎皮質(zhì)近曲小管上皮細(xì)胞）的存活率仍在95%以上（圖3）。
圖3 在不同濃度AIE-4PEG550 NPs環(huán)境下孵育的HK-2細(xì)胞存活率
在正常體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，作者同時(shí)進(jìn)行了熒光和光聲成像，相互驗(yàn)證了該顯影劑主要聚集于腎臟而非肝臟（圖4），隨著時(shí)間流逝，腎臟中的含量逐漸降低，膀胱中的含量逐漸增加，表明該顯影劑可由腎臟代謝，并由尿液排出。測(cè)得的24 h清除效率為93.1 ± 1.7%（圖5）。
圖4 在注射顯影劑后，腎臟的熒光（A）和光聲（B）、膀胱的熒光（C）和光聲（D）隨時(shí)間的成像效果變化。在腎臟中，4 min達(dá)到頂峰，而在膀胱中，60 min達(dá)到頂峰。E和F分別為相應(yīng)的數(shù)值變化柱狀圖圖5 腎臟清除效率隨注射后時(shí)間變化曲線（每只小鼠200 μg劑量，n = 3）
而在腎病模型小鼠上，同樣的劑量表現(xiàn)出截然不同的結(jié)果：直到180 min之前，腎臟中的顯影劑含量一直在增加，說(shuō)明腎臟代謝功能降低，本該快速代謝到膀胱的化合物積聚在腎臟中（圖6），這一現(xiàn)象也在相應(yīng)的熒光信號(hào)強(qiáng)度上有所驗(yàn)證（圖7）。通過(guò)這種區(qū)別，能夠較為直觀地評(píng)估腎臟代謝功能。
圖6 在注射顯影劑后，腎臟的熒光（A）和光聲（B、C）、膀胱的熒光（D）和光聲（E、F）隨時(shí)間的成像效果變化。
圖7 腎病模型小鼠注射顯影劑后180 min的熒光信號(hào)強(qiáng)度變化（紅：腎臟；藍(lán)：膀胱）
小結(jié)
作者設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種新型熒光/光聲顯影劑，其優(yōu)點(diǎn)主要有：一、體積小，可通過(guò)腎臟過(guò)濾；二、高效的腎臟清除效率；三、得益于AIE效應(yīng)，成像效果優(yōu)異；四、良好的生物兼容性；五、優(yōu)良的光穩(wěn)定性。在文獻(xiàn)中，作者將其應(yīng)用于非侵入式地診斷腎小管間質(zhì)纖維化情況，祝愿在不久的將來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)可以用于臨床，幫助醫(yī)生快速診斷腎臟功能，從而幫助患者更好地恢復(fù)。
參考文獻(xiàn)
[1] Yan, D., Li, T., Yang, Y., Niu, N., Wang, D., Ge, J., Wang, L., Zhang, R., Wang, D. and Tang, B.Z. (2022), A Water-soluble AIEgen for Noninvasive Diagnosis of Kidney Fibrosis via SWIR Fluorescence and Photoacoustic Imaging. Adv. Mater.. Accepted Author Manuscript 2206643. https://doi.org/10.1002/adma.202206643
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