鐵螯合半導(dǎo)體低聚納米粒子NIR-II成像增強(qiáng)化學(xué)動(dòng)力學(xué)光熱聯(lián)合治療效果

本文要點(diǎn)：化學(xué)動(dòng)力療法（CDT）因其對(duì)腫瘤的高特異性和低副作用而受到越來(lái)越多的關(guān)注。然而，腫瘤細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)性氧化物種（ROS）的絕對(duì)濃度較低限制了CDT的有效性。在本研究中，我們使用雙氫青蒿素（DHA）來(lái)增強(qiáng)CDT的效果，并結(jié)合光熱療法（PTT）以進(jìn)一步提高抗癌效果。本研究為開(kāi)發(fā)一種近紅外二區(qū)熒光成像引導(dǎo)增強(qiáng)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)/光熱聯(lián)合治療納米平臺(tái)提供了高效途徑。

 

 

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DHA@FePSOD是通過(guò)將DHA加載到鐵螯合的近紅外二區(qū)熒光半導(dǎo)體寡聚物（SO）納米顆粒（FePSOD）中制備的，F(xiàn)ePSOD是通過(guò)將鐵離子（Fe3+）與聚乙二醇（PEG）和多巴胺接枝的SO（PSOD）螯合而成。PSOD上的PEG鏈穩(wěn)定了交聯(lián)的納米顆粒，并使其具有水溶性，而多巴胺部分螯合Fe3+以形成納米顆粒（如圖1(a)所示）。在循環(huán)過(guò)程中，DHA@FePSOD可以通過(guò)被動(dòng)靶向在腫瘤部位積聚。腫瘤細(xì)胞內(nèi)過(guò)表達(dá)的谷胱甘肽（GSH）進(jìn)一步將Fe3+還原為Fe2+，催化H2O2的分解產(chǎn)生·OH進(jìn)行CDT。另一方面，F(xiàn)e2+可能將從納米顆粒釋放的DHA轉(zhuǎn)化為DHA自由基以增強(qiáng)CDT的效果。在808納米激光照射下，DHA@FePSOD不僅可以發(fā)射用于腫瘤成像的近紅外二區(qū)熒光信號(hào)，還可以產(chǎn)生用于PTT的熱量。DHA@FePSOD引發(fā)的CDT和PTT最終導(dǎo)致癌細(xì)胞凋亡（如圖1(b)所示）。因此，DHA@FePSOD是一種對(duì)腫瘤微環(huán)境響應(yīng)的納米治療診斷學(xué)，提供了高效的近紅外二區(qū)熒光成像引導(dǎo)增強(qiáng)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)/光熱聯(lián)合治療。

圖1. (a) DHA@FePSOD制備過(guò)程(b) DHA@FePSOD介導(dǎo)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)/光熱聯(lián)合治療在癌細(xì)胞內(nèi)過(guò)程

 

Fe3+螯合納米顆粒FePSOD是通過(guò)簡(jiǎn)單地將FeCl3加入PSOD溶液制備而成的。由于Fe3+可以與鄰苯二酚配位，PSOD可能會(huì)交聯(lián)成納米顆粒。動(dòng)態(tài)光散射（DLS）結(jié)果顯示，F(xiàn)ePSOD的流體動(dòng)力學(xué)尺寸分布主要在180-185納米范圍內(nèi)（圖2(a)）。隨后，DHA通過(guò)納米沉淀法裝載到FePSOD中。裝載后，流體動(dòng)力學(xué)尺寸分布主要在240-245納米范圍內(nèi)（圖2(b)），平均尺寸計(jì)算為241.4納米，明顯高于FePSOD的尺寸（182.1納米），表明成功裝載了DHA。在透射電子顯微鏡（TEM）圖像中觀察到大部分DHA@FePSOD呈球形形態(tài)（圖2(c)）。與DLS結(jié)果相比，TEM圖像測(cè)得的尺寸較小，這可能歸因于干燥狀態(tài)下納米顆粒的收縮。隨著pH值的降低，DHA@FePSOD的尺寸逐漸減小，在pH 5.3時(shí)尺寸降至192.1納米（圖2(d)）。這種現(xiàn)象可能歸因于鄰苯二酚的質(zhì)子化，導(dǎo)致Fe3+釋放和納米顆粒解離。DHA@FePSOD的Zeta電位隨著pH值的增加而增加（圖2(e)）。

圖2. 納米顆粒的表征

 

對(duì)于FePSOD和DHA@FePSOD，它們的吸收光譜幾乎與PSOD相同，而熒光強(qiáng)度比PSOD要弱（圖3(a)）。這種現(xiàn)象可能歸因于FePSOD和DHA@FePSOD中SO主干的聚集。然而，無(wú)論是FePSOD還是DHA@FePSOD的熒光發(fā)射波長(zhǎng)都長(zhǎng)于1000納米，表明它們具有近紅外二區(qū)熒光成像的能力（圖3(b)）。在808納米激光照射下，隨著樣品濃度的增加，F(xiàn)ePSOD和DHA@FePSOD的最高光熱溫度逐漸增加（圖3(c)）。在GSH處理下，利用1,10-鄰菲啰啉作為指示劑確定了Fe2+的生成。對(duì)于經(jīng)過(guò)1,10-鄰菲啰啉孵育的FePSOD和DHA@FePSOD，500納米處的吸收隨著GSH濃度的增加急劇增加（圖3(d)）。對(duì)于FePSOD和DHA@FePSOD，TMB在650和900納米處的吸收逐漸增加（圖3(e)）。1,4-二羧基苯在420納米處熒光強(qiáng)度的增強(qiáng)進(jìn)一步證明了這兩種納米顆粒在H2O2和GSH作用下產(chǎn)生羥基自由基的能力（圖3(f)）。

圖3. 納米顆粒的光學(xué)特性

 

將摻有FITC的DHA@FePSOD與4T1細(xì)胞共孵育12小時(shí)后，在細(xì)胞質(zhì)中明顯觀察到綠色熒光，表明DHA@FePSOD可能被內(nèi)吞入4T1細(xì)胞（圖4(a)）。隨后進(jìn)行了流式細(xì)胞儀分析以量化攝取水平。隨著孵育時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)胞內(nèi)攝取水平逐漸增加，顯示出DHA@FePSOD的攝取與時(shí)間相關(guān)（圖4(b)）。在相同濃度下，DHA@FePSOD的細(xì)胞存活率降至52.5%（圖4(c)）。這些結(jié)果表明DHA可以顯著提高FePSOD的化學(xué)動(dòng)力治療效果。在808納米激光照射下，F(xiàn)ePSOD和DHA@FePSOD均顯示出改善的抗癌效果，它們的IC50值分別為244.3毫克/毫升和62.1毫克/毫升（圖4(d)）。通過(guò)DHA@FePSOD的孵育，在4T1細(xì)胞內(nèi)觀察到了強(qiáng)烈的綠色熒光，而未經(jīng)處理的情況下幾乎沒(méi)有檢測(cè)到熒光（圖4(e)）。

圖4. 細(xì)胞研究

 

在靜脈注射DHA@FePSOD之前，幾乎沒(méi)有從小鼠中檢測(cè)到信號(hào)，表明近紅外二區(qū)熒光成像具有很低的背景信號(hào)（圖5(a)）。腫瘤內(nèi)的熒光強(qiáng)度在 t = 36 小時(shí)時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)的強(qiáng)度比注射前高出14.3倍（圖5(b)）。腫瘤顯示出強(qiáng)烈的近紅外二區(qū)熒光信號(hào)，其強(qiáng)度僅次于肝臟但遠(yuǎn)高于脾臟和肺部（圖5(c)和(d)）。

圖5. 體內(nèi)腫瘤成像

 

對(duì)于接受PBS注射的小鼠，在10分鐘的激光照射下，腫瘤溫度最高只能達(dá)到約35℃。相比之下，接受FePSOD和DHA@FePSOD注射的小鼠，溫度都超過(guò)了50℃，顯示出它們?cè)隗w內(nèi)具有良好的光熱效應(yīng)（如圖6(a)和(b)所示）。值得注意的是，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，DHA@FePSOD + 激光能夠完全抑制腫瘤的生長(zhǎng)，表明了由DHA@FePSOD介導(dǎo)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)/光熱聯(lián)合治療具有優(yōu)越的抗癌效果（如圖6(c)所示）。對(duì)于所有的實(shí)驗(yàn)組，小鼠的體重在治療過(guò)程中保持穩(wěn)定，表明所有的治療對(duì)小鼠沒(méi)有明顯的副作用（如圖6(d)所示）。結(jié)果顯示，來(lái)自PBS組和PBS + 激光組的幾乎所有腫瘤細(xì)胞都保留了其增殖能力（如圖6(e)和(f)所示）。

圖6. 體內(nèi)抗癌研究

 

總的來(lái)說(shuō)，我們?cè)O(shè)計(jì)并制備了一種用于增強(qiáng)化學(xué)動(dòng)力學(xué)/光熱聯(lián)合治療的半導(dǎo)體寡聚物納米顆粒（DHA@FePSOD）。DHA@FePSOD通過(guò)將DHA加載到鐵螯合的半導(dǎo)體寡聚物FePSOD中制備而成，后者是通過(guò)將Fe3+離子與多巴胺接枝的半導(dǎo)體寡聚物PSOD螯合而成。DHA@FePSOD顯示出強(qiáng)烈的近紅外吸收和超過(guò)1000納米的近紅外二區(qū)熒光發(fā)射。在808納米激光照射下，DHA@FePSOD的光熱溫度可以達(dá)到68.4℃。在谷胱甘肽（GSH）存在的情況下，DHA@FePSOD可以催化H2O2分解為羥基自由基，這樣的過(guò)程也可以在4T1細(xì)胞內(nèi)觸發(fā)。在激光照射下，DHA@FePSOD可以有效殺死4T1細(xì)胞，IC50值為62.1 mg /mL。體內(nèi)成像研究顯示，DHA@FePSOD具有良好的腫瘤靶向能力，并且可以通過(guò)其近紅外二區(qū)熒光信號(hào)照亮腫瘤。由于良好的腫瘤滯留能力，DHA@FePSOD在808納米激光照射下表現(xiàn)出優(yōu)異的體內(nèi)抗癌效果，腫瘤生長(zhǎng)可以得到徹底抑制。

因此，本研究為開(kāi)發(fā)一種成像引導(dǎo)的基于化學(xué)動(dòng)力學(xué)療法的聯(lián)合治療納米系統(tǒng)提供了一種途徑。為了提高化學(xué)動(dòng)力學(xué)療法的效果，可以選擇銅而不是鐵與半導(dǎo)體低聚物形成類(lèi)似的絡(luò)合物進(jìn)行聯(lián)合治療。除了PSOD，還可以使用其他半導(dǎo)體寡聚物賦予形成的絡(luò)合物多功能性，如光動(dòng)力療法和免疫療法等。

 

參考文獻(xiàn)

Diao, S.; Shi, W.; Liu, Y.; Liang, T.; Xu, Z.; Zhou, W.; Xie, C.; Fan, Q., Iron-chelated semiconducting oligomer nanoparticles for NIR-II fluorescence imaging-guided enhanced chemodynamic/photothermal combination therapy. Journal of Materials Chemistry B 2023, 11 (38), 9290-9299.

 

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