利用放射性標(biāo)記AIE探針作為PET/NIR-II熒光引導(dǎo)光熱治療的雙模成像劑

本文要點(diǎn)：本文設(shè)計(jì)并制備了一種放射性標(biāo)記的基于聚集誘導(dǎo)發(fā)光光源（AIEgens）的有機(jī)光熱劑（OPTAs），用于PET/熒光成像引導(dǎo)的雙峰乳腺腫瘤光熱治療。制備的多功能納米粒子(68Ga-TPA-TTINC NPs)具有NIR-II熒光、γ輻射和光熱轉(zhuǎn)化特性，在體外可被腫瘤細(xì)胞有效吸收并誘導(dǎo)活性氧爆發(fā)，能進(jìn)一步促進(jìn)體內(nèi)腫瘤的光熱治療。更重要的是，該納米探針可以通過PET和NIR-II熒光成像靶向并清晰地顯示4T1腫瘤異種移植物，瘤肌比高達(dá)4.8，為乳腺腫瘤治療提供了一種很有前景的工具和解決方案。

 

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引言：

近年來，光熱療法(photothermal therapy, PTT)作為一種依靠光激活引起腫瘤組織熱療的療法受到了廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的OPTAs相比，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，AIEgens具有優(yōu)越的光穩(wěn)定性和高光熱轉(zhuǎn)換效率（PCE）。此外，基于AIEgens 的有機(jī)光熱機(jī)可以被封裝到兩親性聚合物中，形成水溶性納米顆粒(NPs)，供體外和體內(nèi)使用。AIEgens通常在可見光(400-700 nm)和近紅外一區(qū)(NIR-I, 700-900nm)區(qū)域發(fā)出明亮的熒光。

 

然而，通過在特定的共軛結(jié)構(gòu)中引入強(qiáng)電子供體(D)和受體(A)單元，具有D-A-D和A-D-A結(jié)構(gòu)的AIEgens表現(xiàn)出很強(qiáng)的光敏能力。這些AIEgens可以通過偶極子輻射躍遷將部分光子能量從激發(fā)光轉(zhuǎn)化為NIR-II熒光(1000-1700 nm)，從而實(shí)現(xiàn)更深的組織穿透和高分辨率成像。最近報(bào)道的采用D-π-A結(jié)構(gòu)的NIR-II型AIEgens具有優(yōu)異的熒光發(fā)射和PCE，為設(shè)計(jì)具有平衡熒光和PTT效率的AIEgens提供了很好的例子。此外，這些AIEgens用于NIR-II熒光成像引導(dǎo)的乳腺腫瘤PTT，治療效果良好。

 

特異性放射性示蹤劑的正電子發(fā)射斷層掃描(PET)是一種非常靈敏的臨床疾病診斷成像技術(shù)，具有無限的組織穿透性。我們開發(fā)了一種具有NIR-I發(fā)射的放射性標(biāo)記AIEgen，用于具有有效細(xì)胞攝取的乳腺腫瘤細(xì)胞的PET/熒光成像。

 

結(jié)果與討論：

1：有機(jī)光熱劑TPA-TTING合成路線如圖1所示

圖1

 

圖2

 

為了評(píng)估TPA-TTINC的物理性質(zhì)，圖2各圖分別測(cè)量了(A)TPA-TTINC在DMSO中的吸收光譜。(B) TPA-TTINC在不同甲苯組分的DMSO/甲苯混合物中的發(fā)射光譜。λex = 615 nm。(C) 750 nm激光(0.5 W/cm2)照射27 min，自然冷卻后，TPA-TTINC在DMSO中的溫度分布。(D) DLS和TEM分析TPATTINC NPs的大小分布。比例尺:50 nm。(E) TPA-TTING在水中的吸收和發(fā)射光譜。(F) 750 nm激光(0.5 W/cm2)照射22 min后水中TPA-TTINC NPs的溫度分布，隨后自然冷卻，冷卻時(shí)間與TPA-TTINC NPs驅(qū)動(dòng)力溫度負(fù)自然對(duì)數(shù)的線性擬合。圖2C表明其光熱轉(zhuǎn)換效率較強(qiáng)。

圖3

 

團(tuán)隊(duì)針對(duì)AIEgen TPA-TTINC水溶性差和腫瘤靶向能力不足的問題，采用納米沉淀法將其封裝為兩親性聚合物DSPE−mPEG2k，形成水溶性納米顆粒（NPs），通過增強(qiáng)的滲透和保留EPR效應(yīng)，可有效被腫瘤攝取。

 

然后，通過共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)成像評(píng)估TPA-TTINC NPs在4T1細(xì)胞中的細(xì)胞成像性能和細(xì)胞攝取。如圖3A所示，Lyso-Tracker Green的綠色發(fā)射揭示了溶酶體的位置，紅色發(fā)射顯示了線粒體的位置，而TPA-TTINC NPs的藍(lán)色發(fā)射與綠色發(fā)射和紅色發(fā)射重疊，系數(shù)分別為0.75和0.58。結(jié)果表明，AIE NPs被4T1細(xì)胞有效攝取，主要積累在4T1細(xì)胞的溶酶體和線粒體中。細(xì)胞成像顯示溶酶體和線粒體可能是腫瘤治療的有用靶標(biāo)。

 

如圖3B顯示在AIE NPs孵育4小時(shí)后，激光照射4T1細(xì)胞10分鐘后，4T1細(xì)胞出現(xiàn)強(qiáng)烈的紅光發(fā)射，并且隨著激光功率密度的增加，4T1細(xì)胞中紅光發(fā)射的比例增加，這表明TPA-TTINNC NPs對(duì)癌細(xì)胞具有良好的光消融能力。

 

如圖3C所示，AIE+激光組可見明顯的綠色熒光，而其他組未見明顯的熒光。AIE+激光組熒光更亮，激光功率更強(qiáng)。結(jié)果顯示，激光照射或單獨(dú)AIE NPs處理的4T1細(xì)胞大部分保持正常狀態(tài)，而隨著激光功率密度的增加，凋亡和壞死細(xì)胞的比例顯著升高，說明TPA-TTINC NPs在激光照射下可有效誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡和壞死。

圖4

 

如圖4A所示，靜脈注射TPA-TTINC NPs后，腫瘤部位的熒光信號(hào)在5小時(shí)內(nèi)穩(wěn)步增強(qiáng)，并逐漸減弱。腫瘤/肌肉熒光信號(hào)比在注射后5小時(shí)呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，最大值為~4.8，可視為進(jìn)一步治療電導(dǎo)的理想時(shí)間點(diǎn)(圖4B),離體組織成像顯示，TPA-TTINC NPs主要聚集在肝臟、脾臟、肺、腎臟和腫瘤(圖4C), H&E染色進(jìn)一步證實(shí)了腫瘤組織的病理組織學(xué)改變，紅色染色的膠原纖維包裹著致密的4T1腫瘤細(xì)胞，有絲分裂核仁(圖4D)。如圖3E所示，注射68Ga-TPA-TTINC NPs后，主要器官的γ信號(hào)在3小時(shí)內(nèi)保持穩(wěn)定，而腫瘤部位的γ信號(hào)在0.5 - 3小時(shí)內(nèi)逐漸增強(qiáng)，說明68Ga-TPA-TTINC NPs具有腫瘤蓄累性和靶向性。生物分布分析顯示，放射性標(biāo)記的NPs主要積聚在肝、肺、腎和腫瘤中(圖4F)，這與熒光成像結(jié)果一致。腫瘤/肌肉比從0.5 h時(shí)的1.37±0.16迅速增加到1 h時(shí)的1.97±0.56，并在隨后的2 h內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定(圖4G)，表明注射的NPs對(duì)腫瘤有有效的吸收和保留。

圖5

 

如圖5A所示，注射PBS(第一行)或TPATTINC NPs(第三行)后，腫瘤表面溫度保持穩(wěn)定，而激光單獨(dú)照射(第二行)時(shí)，腫瘤表面溫度在10分鐘內(nèi)從29.4℃緩慢升高到38.1℃，TPA-TTINC NPs聯(lián)合激光照射(第四行)時(shí)，腫瘤表面溫度在10分鐘內(nèi)從28.4℃迅速升高到55℃左右。不同組溫度隨時(shí)間的變化如圖5B所示。3個(gè)對(duì)照組的腫瘤體積穩(wěn)步增大，而“AIE+激光”組的腫瘤在觀察期內(nèi)受到明顯抑制和明顯縮小(圖5C)。如圖4E所示，對(duì)照組腫瘤大小相似，而“AIE+激光”治療的實(shí)驗(yàn)組腫瘤大小要小得多，說明TPA-TTINC NPs光熱治療效果強(qiáng)。H&E染色進(jìn)一步顯示“AIE+激光”組對(duì)腫瘤組織的治療效果，組織損傷較大，而其他組的形態(tài)和細(xì)胞核(藍(lán)色染色)保持正常(圖5F)。

圖6

 

圖6的AB證明了證實(shí)了經(jīng)TPA-TTINC NPs擴(kuò)增的PTT對(duì)腫瘤破壞的有效性和體內(nèi)使用的良好生物相容性。

 

討論：

文獻(xiàn)報(bào)道了一種基于NIR-II AIEgen的納米探針，用68Ga進(jìn)行放射性標(biāo)記，用于熒光/PET雙峰成像引導(dǎo)的乳腺癌光熱治療。利用甲氧基取代的TPA基團(tuán)和吲哚基團(tuán)作為強(qiáng)電子給體和受體構(gòu)建了AIEgen (TPA-TTING)，其獨(dú)特的D-π-A結(jié)構(gòu)使其在1000 nm處具有較強(qiáng)的紅/近紅外光吸收和NIR- II發(fā)射。過納米沉淀法形成聚合物包封納米粒子(TPA-TTINC NPs)后，AIE NPs的光物理性質(zhì)保持不變。為了增強(qiáng)對(duì)深層組織的穿透能力，納米探針與放射性核素68Ga進(jìn)行了螯合，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的生物成像功能和較強(qiáng)的光熱轉(zhuǎn)換效率。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TPA-TTINC NPs在激光照射下可被腫瘤細(xì)胞有效攝取，誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡和壞死。另一方面，體內(nèi)PET/NIR-II成像研究證實(shí)，TPATTINC NPs具有較強(qiáng)的腫瘤靶向性和蓄積能力，腫瘤/肌比高達(dá)4.8。經(jīng)過關(guān)鍵性和系統(tǒng)性的生物安全性研究，激光照射下注射TPA-TTINC NPs后，4T1荷瘤小鼠腫瘤體積大幅縮小95.5%，顯示出較強(qiáng)的光熱治療效果。因此，PET/NIR-II AIEgen納米探針用于4T1腫瘤小鼠模型的雙峰成像和光熱治療，可能會(huì)激發(fā)更多的研究進(jìn)展，開發(fā)多峰、多功能AIE探針用于臨床治療。

 

參考文獻(xiàn)

Yu, K.; Huang, H.; Zhang, H.; He, Q.; Fu, Z.; Zhang, H.; Zhang, Q.; Mao, Z.; Tian, M., Radiolabeled AIE Probes as Dual-modality Imaging Agents for PET/NIR-II Fluorescence-Guided Photothermal Therapy. Chem Asian J 2023, 18 (11), e202300189.

 

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