應(yīng)用于NIR-II多功能成像和光熱治療的新型水溶性分子構(gòu)建

本文要點(diǎn)：本文報(bào)道了具有供體-受體-供體（D-A-D）結(jié)構(gòu)的水溶性對(duì)稱分子的合成。該化合物通過(guò)π橋連接，以2-溴芴聚乙二醇2000為屏蔽單元，供體組分和吡咯吡咯（DPP）為受體單元。通過(guò)偶聯(lián)反應(yīng)獲得D-A-D雙供體熒光分子P2-DPP。熒光分子P2-DPP的吸收峰和發(fā)射峰分別為600nm和1020 nm，具有潛在的優(yōu)異成像特性。該熒光分子量子產(chǎn)率達(dá)到0.6%，穿透深度可達(dá)10毫米。該化學(xué)物質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)肝臟和腎臟的新陳代謝。在小鼠腫瘤的光熱治療中具有良好的應(yīng)用前景，實(shí)現(xiàn)了生物診療的一體化。

本研究以DPP、聚乙二醇2000（PEG2000）和2-溴芴為原料，通過(guò)偶聯(lián)反應(yīng)制得D-A-D雙供體熒光分子P2-DPP。其中，DPP可以改善電子的離域性，2-溴芴可提高分子的共面性和共軛結(jié)構(gòu)，增加分子的摩爾消光系數(shù)，提高光吸收效率（方案1）。同時(shí)，由于P2-DPP的高PCE和優(yōu)異的生物相容性，可以更好地用于荷瘤小鼠的光熱治療。光熱治療后，小鼠腫瘤無(wú)復(fù)發(fā)跡象。

 

方案1. 小鼠光熱治療方案：按路線合成P2-DPP水溶性分子。對(duì)其近紅外II成像、光熱成像和光聲成像進(jìn)行了表征。

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圖1. 水溶性納米顆粒的表征

 

組裝熒光材料核心結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵步驟是鈴木交叉偶聯(lián)反應(yīng)。將PEG-2000添加到分子結(jié)構(gòu)中，以改善其低水溶性并使其均勻地散布在水中。溶液呈現(xiàn)負(fù)電荷，可有效延長(zhǎng)納米顆粒的血液循環(huán)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)腫瘤部位的藥物富集（圖1a）。測(cè)得P2-DPP在60 d內(nèi)的平均水化粒徑無(wú)顯著變化，表明熒光分子具有長(zhǎng)期良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。（圖 1b）。根據(jù)透射電子顯微鏡（TEM）圖像，P2-DPP NPS具有完整的形態(tài)結(jié)構(gòu)和均勻穩(wěn)定的粒徑（圖1c）。

P2-DPP具有良好的水溶性、較大的斯托克位移和熒光發(fā)射峰（λABS = 600 nm，λEM= 1020 nm）到達(dá)近紅外區(qū)域（圖2a）。以IR-26（QY = 0.5%）為參考標(biāo)準(zhǔn)，確定P2-DPP在水中的熒光量子產(chǎn)率為0.6%，平均熒光壽命為2μs。激光照射6000 s后，歸一化熒光強(qiáng)度保持穩(wěn)定，表明熒光分子具有優(yōu)異的熒光穩(wěn)定性（圖2c）

圖2. P2-DPP熒光染料的光學(xué)表征

 

本研究使用 808 nm 激光進(jìn)行后續(xù)光熱治療。PCE和光熱穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)光熱效應(yīng)的基本參數(shù)。如圖3a所示，P2-DPP NPS的PCE（η）遠(yuǎn)高于臨床實(shí)踐中使用的吲哚菁綠（ICG）（≈3.1%），達(dá)到58.03%。此外，在光熱穩(wěn)定性測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)P2-DPP NPS在808 nm激光器下加熱和冷卻循環(huán)過(guò)程中沒(méi)有明顯的熱分解現(xiàn)象，充分證明了NPS優(yōu)異的光熱穩(wěn)定性（圖3b）。通過(guò)使用紅外熱像儀，可以觀察到P2-DPP在用808nm激光照射約2分鐘后接近48°C，達(dá)到致死細(xì)胞溫度（圖3c）。

圖3. 納米顆粒的生物相容性

 

為評(píng)估了P2-DPP材料PAI成像能力，對(duì)荷瘤小鼠進(jìn)行36小時(shí)監(jiān)測(cè)（該材料的理想體外成像濃度為 100 μg/mL-1）。在大約1小時(shí)時(shí)，觀察到相當(dāng)大的信號(hào)，表明EPR效應(yīng)開(kāi)始富集腫瘤位置的納米材料。隨著時(shí)間的流逝，PA信號(hào)的強(qiáng)度越來(lái)越強(qiáng)（圖4）。

圖4. 光聲成像測(cè)試

圖5. P2-DPP的體外和體內(nèi)成像

 

對(duì)于濃度為 300 μg/mL-1 P2-DPP溶液，當(dāng)雞肉組織覆蓋厚度達(dá)到10mm時(shí)，仍舊可以看到微弱的熒光信號(hào)（圖5a）。實(shí)驗(yàn)表明，P2-DPP具有良好的穿透深度，可進(jìn)一步應(yīng)用于體內(nèi)成像。將P2-DPP水溶液注射到小鼠尾靜脈中，監(jiān)測(cè)48 h內(nèi)熒光分子在體內(nèi)的分布情況。從圖5b可以看出，在注射后5 min內(nèi)，在小鼠血管中可以觀察到強(qiáng)烈的熒光強(qiáng)度，表明該分子具有體內(nèi)成像性能。隨著身體的循環(huán)，肝臟的熒光穩(wěn)步增加，而血管的熒光逐漸減少。P2-DPP富集于肝臟、脾臟和腫瘤部位，并表現(xiàn)出良好的熒光強(qiáng)度。尾靜脈注射24 h后，對(duì)小鼠進(jìn)行人道安樂(lè)死，解剖其主要器官，包括心臟、肝臟、脾臟、腎臟、肺、腫瘤組織等組織進(jìn)行熒光成像（圖5c，d）。腫瘤部位的熒光強(qiáng)度證明了藥物可以在這里富集（圖5e，f）。

圖6. 小鼠的光熱治療圖

 

基于P2-DPP良好的光熱成像效果和1000 nm以上的發(fā)射波長(zhǎng)，在808 nm處具有良好的光熱轉(zhuǎn)換。對(duì)照組在808 nm激光照射下的溫度恒定在37°C左右，未達(dá)到殺傷腫瘤細(xì)胞的溫度。實(shí)驗(yàn)組2分鐘后溫度可升至48°C，足以殺死腫瘤細(xì)胞。由于在荷瘤小鼠實(shí)驗(yàn)前尾靜脈注射后觀察到腫瘤部位P2-DPP的明顯聚集，這可能是由EPR效應(yīng)引起的，因此可以進(jìn)一步探索和應(yīng)用該材料的光熱性能（圖6）。

根據(jù)光熱過(guò)程圖（圖7a），重復(fù)光熱治療1周，每天觀察腫瘤治療。治療 2 周后停止光熱療法。PBS組腫瘤體積穩(wěn)步增加，光熱治療對(duì)腫瘤無(wú)抑制作用。2天后，觀察到光熱療法對(duì)實(shí)驗(yàn)組小鼠有顯著影響。4 d后，實(shí)驗(yàn)組腫瘤體積呈下降趨勢(shì)，表明光熱處理P2-DPP對(duì)腫瘤生長(zhǎng)有顯著的抑制作用。如圖7b所示，可以觀察到，經(jīng)過(guò)2周的治療，P2-DPP NPS和808 nm激光照射有效治療了腫瘤，在原腫瘤部位留下了黑色疤痕。在1周的觀察期內(nèi)，腫瘤沒(méi)有復(fù)發(fā)，證明腫瘤已經(jīng)完全治療。相比之下，其他3個(gè)對(duì)照組的腫瘤體積呈現(xiàn)連續(xù)生長(zhǎng)趨勢(shì)（圖7c，d），各組體重在2周內(nèi)無(wú)明顯變化（圖7e），說(shuō)明P2-DPP對(duì)小鼠日常飲食沒(méi)有明顯影響，再次證明P2-DPP具有良好的生物相容性和可忽略不計(jì)的生物毒性。

圖7. 荷瘤小鼠的體內(nèi)治療

 

本文創(chuàng)造了一種全新的P2-DPP D-A-D光敏劑，具有良好的水溶性和強(qiáng)大的近紅外發(fā)射。所生產(chǎn)的P2-DPP水溶液具有良好的光穩(wěn)定性和生物穩(wěn)定性，使其適用于其他生物應(yīng)用。然后進(jìn)行了幾項(xiàng)體內(nèi)和體外研究，以衡量P2-DPP的抗腫瘤有效性。根據(jù)研究結(jié)果，P2-DPP在暴露于808 nm激光和穩(wěn)健的長(zhǎng)期腫瘤成像時(shí)顯示出有效的光熱治療。本研究表明，P2-DPP在近紅外成像引導(dǎo)的PTT中具有極好的潛力。為了創(chuàng)造性能更好、量子產(chǎn)率更高的熒光化合物，未來(lái)的研究將集中在尋找長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)射（>1000 nm）和增加的光感應(yīng)之間的理想平衡。

 

參考文獻(xiàn)

Cao M, Wang C, Wang F, et al. Synthesis on NIR‐II Multifunctional Imaging and Photothermal Therapy of a Novel Water‐Soluble Molecule[J]. Advanced Healthcare Materials, 2024: 2304564.

 

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