鐵螯合半導體低聚納米粒子NIR-II成像增強化學動力學光熱聯(lián)合治療效果

本文要點：化學動力療法（CDT）因其對腫瘤的高特異性和低副作用而受到越來越多的關注。然而，腫瘤細胞內(nèi)反應性氧化物種（ROS）的絕對濃度較低限制了CDT的有效性。在本研究中，我們使用雙氫青蒿素（DHA）來增強CDT的效果，并結合光熱療法（PTT）以進一步提高抗癌效果。本研究為開發(fā)一種近紅外二區(qū)熒光成像引導增強的化學動力學/光熱聯(lián)合治療納米平臺提供了高效途徑。

 

 

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DHA@FePSOD是通過將DHA加載到鐵螯合的近紅外二區(qū)熒光半導體寡聚物（SO）納米顆粒（FePSOD）中制備的，F(xiàn)ePSOD是通過將鐵離子（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)過程中，DHA@FePSOD可以通過被動靶向在腫瘤部位積聚。腫瘤細胞內(nèi)過表達的谷胱甘肽（GSH）進一步將Fe3+還原為Fe2+，催化H2O2的分解產(chǎn)生·OH進行CDT。另一方面，F(xiàn)e2+可能將從納米顆粒釋放的DHA轉化為DHA自由基以增強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，還可以產(chǎn)生用于PTT的熱量。DHA@FePSOD引發(fā)的CDT和PTT最終導致癌細胞凋亡（如圖1(b)所示）。因此，DHA@FePSOD是一種對腫瘤微環(huán)境響應的納米治療診斷學，提供了高效的近紅外二區(qū)熒光成像引導增強的化學動力學/光熱聯(lián)合治療。

圖1. (a) DHA@FePSOD制備過程(b) DHA@FePSOD介導的化學動力學/光熱聯(lián)合治療在癌細胞內(nèi)過程

 

Fe3+螯合納米顆粒FePSOD是通過簡單地將FeCl3加入PSOD溶液制備而成的。由于Fe3+可以與鄰苯二酚配位，PSOD可能會交聯(lián)成納米顆粒。動態(tài)光散射（DLS）結果顯示，F(xiàn)ePSOD的流體動力學尺寸分布主要在180-185納米范圍內(nèi)（圖2(a)）。隨后，DHA通過納米沉淀法裝載到FePSOD中。裝載后，流體動力學尺寸分布主要在240-245納米范圍內(nèi)（圖2(b)），平均尺寸計算為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結果相比，TEM圖像測得的尺寸較小，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

 

對于FePSOD和DHA@FePSOD，它們的吸收光譜幾乎與PSOD相同，而熒光強度比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，無論是FePSOD還是DHA@FePSOD的熒光發(fā)射波長都長于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。對于經(jīng)過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納米處熒光強度的增強進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. 納米顆粒的光學特性

 

將摻有FITC的DHA@FePSOD與4T1細胞共孵育12小時后，在細胞質(zhì)中明顯觀察到綠色熒光，表明DHA@FePSOD可能被內(nèi)吞入4T1細胞（圖4(a)）。隨后進行了流式細胞儀分析以量化攝取水平。隨著孵育時間的延長，細胞內(nèi)攝取水平逐漸增加，顯示出DHA@FePSOD的攝取與時間相關（圖4(b)）。在相同濃度下，DHA@FePSOD的細胞存活率降至52.5%（圖4(c)）。這些結果表明DHA可以顯著提高FePSOD的化學動力治療效果。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DHA@FePSOD的孵育，在4T1細胞內(nèi)觀察到了強烈的綠色熒光，而未經(jīng)處理的情況下幾乎沒有檢測到熒光（圖4(e)）。

圖4. 細胞研究

 

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

圖5. 體內(nèi)腫瘤成像

 

對于接受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到約35℃。相比之下，接受FePSOD和DHA@FePSOD注射的小鼠，溫度都超過了50℃，顯示出它們在體內(nèi)具有良好的光熱效應（如圖6(a)和(b)所示）。值得注意的是，在整個實驗過程中，DHA@FePSOD + 激光能夠完全抑制腫瘤的生長，表明了由DHA@FePSOD介導的化學動力學/光熱聯(lián)合治療具有優(yōu)越的抗癌效果（如圖6(c)所示）。對于所有的實驗組，小鼠的體重在治療過程中保持穩(wěn)定，表明所有的治療對小鼠沒有明顯的副作用（如圖6(d)所示）。結果顯示，來自PBS組和PBS + 激光組的幾乎所有腫瘤細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

 

總的來說，我們設計并制備了一種用于增強化學動力學/光熱聯(lián)合治療的半導體寡聚物納米顆粒（DHA@FePSOD）。DHA@FePSOD通過將DHA加載到鐵螯合的半導體寡聚物FePSOD中制備而成，后者是通過將Fe3+離子與多巴胺接枝的半導體寡聚物PSOD螯合而成。DHA@FePSOD顯示出強烈的近紅外吸收和超過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，這樣的過程也可以在4T1細胞內(nèi)觸發(fā)。在激光照射下，DHA@FePSOD可以有效殺死4T1細胞，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，并且可以通過其近紅外二區(qū)熒光信號照亮腫瘤。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，腫瘤生長可以得到徹底抑制。

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

 

參考文獻

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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