NIR-IIb 成像和 NIR-II 激發(fā)的光熱治療用于高性能混合光療法

本文要點(diǎn)：在近紅外二區(qū)范圍下進(jìn)行光熱治療和在NIR-IIb區(qū)域熒光成像已成為光療診斷學(xué)中最有前途的技術(shù)。它們的組合能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率光學(xué)成像和深穿透光療，這對(duì)于高性能光療診斷學(xué)至關(guān)重要。因NIR-IIb區(qū)熒光成像具有低組織自發(fā)熒光、較少的光子散射和深組織穿透的優(yōu)點(diǎn)，故其已經(jīng)作為一種新型體內(nèi)熒光成像技術(shù)。與其他材料相比，稀土基納米粒子具有優(yōu)異的生物相容性和獨(dú)特的光學(xué)特性，近年來已成為高效的 NIR-IIb 成像劑。

 

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本文首先合成了具有供體-受體-供體（D-A-D）型結(jié)構(gòu)的羧基官能化有機(jī)小分子（Se-TC），設(shè)計(jì)并成功制備了具有顯著NIR-IIb發(fā)射的多層稀土納米粒子（RENP）。然后，通過Se-TC和RENP之間的配位以及隨后的F127封裝，構(gòu)建了水溶性有機(jī)-無機(jī)混合納米光療診斷劑。

 

Se-TC的羧基可為稀土摻雜的納米顆粒提供強(qiáng)大的結(jié)合親和力，這有助于提高所獲得的Se-TC@RENP@F在水溶液和血液中的穩(wěn)定性。Se-TC@RENP@F表現(xiàn)出優(yōu)異的NIR-II吸收，以及出色的光穩(wěn)定性。在1064 nm激光照射下，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)36.9%的PCE值，表現(xiàn)出突出光熱效應(yīng)，能夠有效的抑制腫瘤生長(zhǎng)。

 

通過DLS確定流體動(dòng)力學(xué)直徑為約110 nm（圖2a）。值得注意的是，Se-TC@RENP@F顯示出高穩(wěn)定性（圖2b）。此外，作者分析了Se-TC@RENP@F的熒光光譜（圖2c），Se-TC@RENP@F發(fā)射出顯著的NIR-IIb熒光信號(hào)。此外，Se-TC@RENP@F的優(yōu)異的光穩(wěn)定性也通過連續(xù)激光照射得到證實(shí)（圖2d）。

 

 

隨后，作者研究了Se-TC@RENP@F的NIR-II可激發(fā)光熱轉(zhuǎn)換能力。用1064 nm激光照射5分鐘， Se-TC@RENP@F的溫度升高至60.3℃，但純水溫度的升高忽略不計(jì)（圖3a）。同時(shí)，隨著濃度的增加，可以實(shí)現(xiàn)更高的溫度升高。收集不同濃度的Se-TC@RENP@F的紅外（IR）圖像，并用于證明相應(yīng)的溫度變化（圖3b）。此外，探究了 Se-TC@RENP@F在具有不同激光強(qiáng)度的激光照射下的光熱效應(yīng)（圖3c）。其的光熱效應(yīng)表現(xiàn)出激光強(qiáng)度依賴性，即激光的功率密度越高，樣品溫度越高。Se-TC@RENP@F在四個(gè)加熱/冷卻循環(huán)后保持可忽略的溫度變化，表明Se-TC@RENP@F在實(shí)驗(yàn)條件下具有優(yōu)異的光熱穩(wěn)定性（圖3d）�；�于加熱/冷卻循環(huán)，Se-TC@RENP@F在1064 nm處的PCE計(jì)算為36.9%（圖3e、f）。

圖3. 通過改變（a）SeTC@ RENP @F濃度（1064 nm激光照射）和（c）激光強(qiáng)度來評(píng)估Se-TC@ RENP @F的光熱效應(yīng) (b) 不同濃度的Se-TC@RENP@F的IR熱圖像。（d）Se-TC@RENP@F的光熱穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)。(e)Se-TC@RENP@F和水在1064 nm激光照射下的溫度變化曲線，然后在沒有激光的情況下自然冷卻。(f)線性冷卻時(shí)間與−ln（θ）的關(guān)系，由（e）的冷卻時(shí)間獲得

 

接下來，作者研究了Se-TC@RENP@F的生物安全性。如圖4a所示，Se-TC@RENP@F對(duì)NIH-3T3正常細(xì)胞表現(xiàn)出可忽略的細(xì)胞毒性，表明其在體外具有良好的生物安全性。在將Se-TC@RENP@F注射到健康小鼠中后，發(fā)現(xiàn)可忽略的體重減輕，進(jìn)一步表明Se-TC@RENP@F在體內(nèi)具有良好的生物安全性。在此基礎(chǔ)上，作者研究了Se-TC@RENP@F對(duì)HeLa癌細(xì)胞的體外光熱消融作用。根據(jù)MTT測(cè)定的結(jié)果（圖4 b），在沒有激光照射的情況下觀察到Se-TC@RENP@F的毒性不明顯。然而，在1064nm激光照射下，由于Se-TC@RENP@F的光熱效應(yīng)，HeLa細(xì)胞的存活率明顯降低，且呈濃度依賴性。此外，通過活/死細(xì)胞染色測(cè)定來進(jìn)一步證實(shí)Se-TC@RENP@F的體外治療效果。鈣黃綠素AM和PI分別用于對(duì)活細(xì)胞和死細(xì)胞進(jìn)行染色。如圖4c所示，在沒有激光處理的情況下，用Se-TC@RENP@F孵育的細(xì)胞保持存活（寬綠色熒光），而Se-TC@RENP@F +激光組中的細(xì)胞幾乎完全被殺死（強(qiáng)紅色熒光）。這些數(shù)據(jù)證實(shí)了Se-TC@RENP@F的生物相容性和光熱治療能力。

圖4. （a）通過MTT測(cè)試 Se-TC@RENP@F 的生物相容性。通過(b) MTT 和 (c) 活/死細(xì)胞染色法評(píng)估 Se-TC@RENP@F 在1064納米激光照射下的處理效果

 

最后，研究了Se-TC@RENP@F的NIR-IIb熒光成像。檢查了不同濃度的Se-TC@RENP@F的體外NIR-IIb熒光強(qiáng)度（圖5a）。隨著濃度的增加，熒光強(qiáng)度和亮度均升高。然后，在異種移植HeLa腫瘤的小鼠中研究Se-TC@RENP@F的體內(nèi)NIR-IIb FLI能力。小鼠靜脈注射Se-TC@RENP@F后5 min可觀察到血管結(jié)構(gòu)（圖5 b）。通過將SeTC@RENP@F注射到其他小鼠中進(jìn)一步測(cè)量在不同時(shí)間點(diǎn)的腫瘤區(qū)域的NIR-IIb信號(hào)強(qiáng)度。如圖5c、5d所示，由于納米顆粒通常通過網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)從血液循環(huán)中消除，Se-TC@RENP@F也逐漸在肝臟和脾臟中積累。因此，由于NIR-IIb區(qū)域中光子的高穿透性，這些深埋的器官可以被清楚地觀察到（圖5c）。

圖5. （a)不同濃度下Se-TC@RENP@F的NIR-IIb熒光強(qiáng)度和NIR-IIb亮度。(b)所選容器的半高全寬和SBR的測(cè)定。（插圖：Se-TC@RENP@F注射后5分鐘的NIR-II血管造影術(shù)）(c)基于Se-TC@RENP@F的小鼠在不同時(shí)間點(diǎn)的NIR-IIb FLI（黃色圓圈代表腫瘤面積）。(d)腫瘤區(qū)域在不同時(shí)間點(diǎn)的NIR-IIb信號(hào)強(qiáng)度。

 

目前，在NIR-IIb區(qū)域的熒光成像和在NIR-II窗口的光熱治療已經(jīng)成為目前光療法中探索最多的方面。它們的結(jié)合被認(rèn)為是成像引導(dǎo)光療最有前途的方法之一。作者合理地設(shè)計(jì)并成功開發(fā)了高性能的混合型光電轉(zhuǎn)換器Se-TC@RENP@F納米制劑，特別是用于NIR-IIb-FLI引導(dǎo)的NIR-II激發(fā)的PTT。納米試劑基于新型羧基官能化小分子Se-TC、稀土基NIR-IIb熒光團(tuán)RENP和兩親性嵌段共聚物F127。在1064nm激光照射下，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)36.9%的PC，有效抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)。Se-C@RENP@F實(shí)現(xiàn)清晰的血管成像和準(zhǔn)確的腫瘤診斷�？傮w而言，本研究為設(shè)計(jì)用于癌癥診斷和治療的納米制劑提供了一種概念驗(yàn)證策略，并為開發(fā)各種高性能的光電納米制劑帶來了巨大的前景。

 

參考文獻(xiàn)

Wang, Q.; Zhang, X.; Tang, Y.; Xiong, Y.; Wang, X.; Li, C.; Xiao, T.; Lu, F.; Xu, M., High-Performance Hybrid Phototheranostics for NIR-IIb Fluorescence Imaging and NIR-II-Excitable Photothermal Therapy. Pharmaceutics 2023, 15 (8).

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