開發(fā)喹喔啉酰亞胺基半導體聚合物納米粒子的近紅外二區(qū)診療試劑

本文要點：多功能治療診斷學在提高光熱治療和腫瘤熒光成像的療效方面起著關鍵作用；然而，它們需要將復雜的組分集成到單個治療診斷系統(tǒng)中，同時在第二個近紅外（NIR-II）區(qū)域的響應受到光敏劑波長的限制。為了解決這個問題，我們開發(fā)了一種新型多功能噻唑-熔融喹喔啉酰亞胺半導體聚合物納米粒子（稱為PQIA-BDTT），其具有NIR-II熒光和光熱特性。PQIA-BDTT納米顆粒在激光（1064 nm）誘導的光熱治療中在安全的最大允許曝光下實現(xiàn)了高效的高光熱轉換效率（72.6%），證明了具有光熱劑的能力。此外，PQIA-BDTT納米粒子可作為低激光通量下NIR-II熒光成像的參考。通過NIR-II熒光成像可以精確識別靜脈注射PQIA-BDTT納米顆粒的4T1小鼠的腫瘤大小和位置，通過體外和體內治療也表現(xiàn)出顯著的光熱抗腫瘤功效�？傮w而言，本研究表明，將噻唑稠合喹喔啉酰亞胺受體單元引入供體-受體共軛聚合物是合成新型多功能治療診斷系統(tǒng)的有效策略，為設計用于生物醫(yī)學應用的治療診斷劑提供了新的平臺。

 

 

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近紅外（NIR）光因其無創(chuàng)性、高靈敏度和深層組織穿透性而被廣泛用于醫(yī)療領域的治療診斷應用。特別是，波長在近紅外二區(qū)（NIR-II，1000−1700 nm）的近紅外光表現(xiàn)出中等的光子散射，其特征在于相對較高的最大允許暴露（MPE）值。因此，NIR-II光在光熱治療（PTT）和熒光成像（FLI）中具有廣泛的潛在應用前景，可有效、安全地診斷和治療腫瘤。光熱治療是一種有效的光子觸發(fā)治療策略，其通過由近紅外光照射的光熱劑產生的局部熱殺死腫瘤細胞。

 

半導體聚合物納米粒子（NPs）已被用作光敏劑，并且由于其優(yōu)異的生物相容性、精細調諧的光學性質和高吸收系數(shù)而在癌癥診斷和治療中表現(xiàn)出顯著的功效。半導體聚合物近紅外二區(qū)熒光吸收和發(fā)射性質的構建已經(jīng)得到了廣泛的研究。

 

多功能診療試劑在提高光熱治療和腫瘤熒光成像的療效方面起著至關重要的作用。然而，它們需要將復雜的部件集成到單個治療診斷系統(tǒng)中，并且它們在NIR-II區(qū)域中的響應受到光敏劑的波長的限制。為了解決這個問題，作者開發(fā)了一種新型的喹喔啉酰亞胺半導體聚合物（命名為PQIA-BDTT）。

 

首先，作者經(jīng)一系列步驟合成了PQIA-BDTT。隨后，為了使PQIA-BDTT更適合于生物應用，通過傳統(tǒng)的納米沉淀法將其制成水分散性NPs，使用兩親性三嵌段共聚物（Pluronic F-127）作為封裝基質。PQIA-BDTT NPs表現(xiàn)出球形形態(tài)，如透射電子顯微鏡所示（圖1b）。

 

接著，作者探究了PQIA−BDT的光學性質。PQIA−BDTT NPs在水中表現(xiàn)出從NIR-I到NIR-II區(qū)域的相對寬范圍的吸收光譜（圖1c）。PQIA-BDTT NPs的吸收特征以及在水中的質量消光系數(shù)分別表明其在水溶液中具有強烈的聚集傾向并且在NIR-II窗口中具有很大的應用潛力。此外，在980 nm激發(fā)時，PQIA-BDTT NPs在1135 nm處表現(xiàn)出最大峰，并且發(fā)射尾延伸至1400 nm的NIR-II區(qū)域（圖1c）。發(fā)射光譜主要位于NIR-II區(qū)域，表明大部分發(fā)射光子參與了NIR-II FLI。

圖1. (a) PQIA-BDTT NPs的制備示意圖。(b) PQIA-BDTT NPs的透射電子顯微鏡圖像和動態(tài)光散射曲線。(c) PQIA-BDTT NPs在水中的歸一化吸收和發(fā)射光譜

 

同時，作者發(fā)現(xiàn)PQIA-BDTT NPs也表現(xiàn)出廣泛的NIR-II吸收和熒光，為了評估PQIA-BDTT NPs的光熱性質，作者使用1064 nm激光（1 W cm-2）照射各種濃度的PQIA-BDTT NPs水性分散體6分鐘（圖2a），并用紅外照相機記錄溫度。PQIA-BDTT NPs在激光（1064 nm）誘導的光熱治療中以安全的最大允許暴露值（MPE）實現(xiàn)了72.6%的高光熱轉換效率（PCE），證明了它們用作光熱劑的能力（圖2d）。

圖2. PQIA-BDTT NPs的光熱性質。(a) 在激光照射（1064 nm，1.0W cm-2）下在各種濃度下持續(xù)6分鐘和(b) 在50 μg mL-1濃度下在各種激光功率密度下持續(xù)6分鐘。(c) 輻照和五次冷卻運行后PQIA-BDTT NPs的循環(huán)溫度變化。(d) PQIA-BDTT NPs（50 μg mL-1）在激光照射（1064 nm）下6分鐘的加熱和冷卻曲線，以及冷卻期的線性時間數(shù)據(jù)與−ln（θ）。

 

除此之外，作者為探索PQIA− BDTT在無輻射躍遷過程中的能量消耗途徑，研究了PQIA−BDTT在基態(tài)（S0）和激發(fā)態(tài)（S1）的簡化重復單元的分子幾何結構。計算了最佳結構的重組能（Er），并分析了優(yōu)化的S0和S1幾何結構的振動頻率（圖3b）。模擬了S0和S1中的最佳結構（圖3c），其中，在兩種狀態(tài)下最佳結構之間顯示出相當大的差異（均方根偏差= 0.485 Å）。這表明激發(fā)態(tài)PQIA-BDTT主要通過結構振動弛豫返回到基態(tài)。因此，PQIA-BDTT共聚物主鏈的扭曲構型和振動弛豫賦予了共聚物優(yōu)異的光熱轉換能力。

圖3. (a) PQIA−BDTT的簡化重復單元（n = 3）的優(yōu)化構象。(b) 計算的重組能（Er）與最佳結構的正常模式波數(shù)。插圖：鍵長、鍵角和二面角對總Er的貢獻。(c) 密度泛函理論計算的S0（黑色）和S1（紅色）電子狀態(tài)的最小能量幾何。

 

其次，作者評估了PQIA-BDTT NPs對活細胞的PTT功效，對于PQIA-BDTT NPs，在不存在激光的情況下，在兩種細胞系中均未觀察到細胞毒性（圖4a，b），表明這些納米粒子具有相對低的細胞毒性和優(yōu)異的生物相容性。而在3分鐘激光（1064 nm）照射下，隨著PQIA-BDTT NPs濃度的增加，細胞活力大大降低。為了證實細胞的死亡源于激光照射和PQIA-BDTT NPs的存在，作者使用鈣黃綠素-乙酰氧基甲基和碘化丙啶對活細胞進行染色，活細胞和死細胞分別標記為綠色和紅色熒光。單獨用激光（1064 nm）照射或單獨與PQIA-BDTT NPs組合的兩種細胞都保持存活，顯示綠色熒光（圖4c），而這些細胞在與PQIA-BDTT NPs孵育然后用激光（1064 nm）照射后死亡（紅色熒光）。此外，通過流式細胞術分析驗證了在1064 nm激光照射下由PQIA-BDTT NPs誘導的高熱對HeLa和4T1細胞的細胞毒性作用（圖4d）。

圖4. HeLa（a）和4T1（B）細胞在用不同濃度的PQIA-BDTT NPs孵育24小時后的CCK-8測定，有或沒有激光照射（1064 nm，1.0 Wcm-2，3分鐘）。(c) 不同處理后鈣黃綠素AM（綠色）和碘化丙啶（紅色）共染色的HeLa（左）和4 T1細胞（右）的熒光圖像。在用PQIA-BDTT NPs（50 μg mL-1）孵育細胞后，進行NIR-II光照射（1064 nm，1.0W cm-2，3分鐘）處理。(d)用膜聯(lián)蛋白V/碘化丙啶染色的HeLa（上）和4 T1（下）細胞的凋亡的流式細胞術分析; PQIA-BDTT NPs的濃度為50 μg mL-1。

 

之后，作者還測量了它們的NIR-II熒光特性。在980 nm激發(fā)下，NIR-II信號與PQIA-BDTT NPs的濃度呈現(xiàn)出極好的線性關系。逐漸變亮的NIR-II圖像證明了PQIA-BDTT NPs可作為NIR-II FLI造影劑具有巨大潛力。除此之外，PQIA-BDTT NPs主要集中在腫瘤、肝臟和脾臟中，而只有少量分布在心臟、肺和腎臟中，這表明NPs的代謝主要與肝膽系統(tǒng)相關。

圖5. (a) 不同濃度的PQIA-BDTT NPs的熒光圖。(b) NIR-II FLI和 (c) 在靜脈內注射PQIA-BDTT NPs（激發(fā)：980 nm，6.3 mW cm−2;曝光時間：80 ms; 1100 nm LP濾光片）。(d) 不同器官的熒光圖像和強度分布（靜脈注射后72小時處死小鼠）。

 

最后，為了評價PQIA-BDTT NPs在NIRII PTT中的抗腫瘤作用，連續(xù)測量腫瘤大小16天。對照組（PBS、PBS +激光和PQIA-BDTT NP）表現(xiàn)出快速腫瘤生長，而在PQIA-BDTT NPs+激光組中，腫瘤生長受到抑制。此外，所有小鼠均未顯示出明顯的體重變化（圖6 b），表明在這些治療中負面影響可忽略不計。在所有治療16天后，隨后切除腫瘤組織，成像并稱重（圖6c，d），這表明PQIA-BDTT NPs+激光治療的抗腫瘤功效顯著高于對照治療的抗腫瘤功效。

圖6. (a) 小鼠組在1064 nm NIR-II激光照射（1.0 Wcm-2，5分鐘）下的紅外熱圖像。(b) 處理期間小鼠組的體重曲線。(c) 治療后不同組中腫瘤的照片。(d) 不同組中的腫瘤體積。

 

總之，作者開發(fā)了一種新型的電子受體單元（QIA），并構建了一種新型的給體-受體型共軛共聚物，即PQIA-BDTT，它具有強烈的吸收和近紅外二區(qū)熒光發(fā)射。PQIA-BDTT被包裹在兩性F-127中以開發(fā)多功能光熱診斷納米藥劑。PQIA-BDTT納米粒子表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性、高光穩(wěn)定性和特異性腫瘤靶向性。此外，PQIA-BDTT納米粒子在安全的MPE下，在激光（1064 nm）誘導的光熱治療中實現(xiàn)了令人印象深刻的高PCE（72.6%）。由于PQIA-BDTT納米粒子具有高近紅外二區(qū)熒光，因此可以精確觀察腫瘤輪廓和位置，從而清晰地區(qū)分癌細胞區(qū)域和正常組織。腫瘤成像和治療的最佳時間確定為注射PQIA-BDTT后24小時，因為這個時間點對應著腫瘤中NP的最大積累。PQIA-BDTT納米粒子在體內外實驗中也表現(xiàn)出顯著的抗腫瘤效果，并且組織學檢查顯示，PQIA-BDTT納米粒子對正常器官沒有明顯的毒性副作用。將噻唑并合成的QIA受體單元引入D-A共軛聚合物中是合成新型近紅外二區(qū)光敏劑的有效策略。此外，該策略提供了一個設計生物醫(yī)學應用光熱診斷劑的新平臺。

 

參考文獻

Zhu, C.; Gao, Q.; Wang, C.; Shi, L.; Yin, S.; Chen, P.; Guo, T.; Hu, Z.; Ying, L., Quinoxalineimide-Based Semiconducting Polymer Nanoparticles as an Effective Phototheranostic for the Second Near-Infrared Fluorescence Imaging and Photothermal Therapy. ACS Appl Mater Interfaces 2023, 15 (24), 29396-29405.

 

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