斯坦福大學/蘇州大學Nano Letters ：Janus納米粒子Fe3O4@Semoconducting polymer通過磁成像實現示蹤細胞

【引言】

以細胞為基礎的治療，如癌癥免疫治療或干細胞治療，作為新興的癌癥治療手段，得到了廣泛的關注。將這些細胞引入體內后，這些治療手段需要非侵入式的成像技術來對引入細胞進行實時的示蹤，并報告不同治療細胞在生物體內的命運，激活和分化情況，更理想的情況是任何組織深度靈敏度都可達到單細胞水平。常用的細胞示蹤技術主要有磁共振成像（MRI），放射性核素成像（如：SPECT, PET），以及光學成像（熒光、生物發光、光聲）。然而，光學成像通常具有很高的靈敏度，可見光子在穿過生物組織時會被吸收并發生散射，這就限制了其在組織深部的成像，即使是穿透深度在幾個毫米的長波長范圍（1000-1700 nm）也無法實現深部成像。MRI具有優異的組織穿透深度，空間分辨率高；但是，T1造影劑對分子成像的敏感度較差，T2或T2*造影劑如氧化鐵納米粒子產生負增強對比，這就很難與天然MRI信號低的組織（骨頭，肺）進行區分。放射性核素成像需要利用放射性物質，且空間分辨率差。

隨著分子影像學科的發展，磁性粒子成像（MPI）作為從MRI衍生來的一個新型分子影像技術，采用特殊組合方式的旋轉磁場，直接檢測氧化鐵納米粒子，與現有方法相比，MPI具有較大的穿透深度，可線性定量，正對比，無輻射，且基本沒有組織產生的背景。

【成果簡介】

近日，斯坦福大學饒江宏教授（通訊作者）和蘇州大學劉莊教授團隊在Nano Letters在線發表了一篇題為“Janus Iron Oxides @ Semiconducting Polymer Nanoparticle Tracer for Cell Tracking by Magnetic Particle Imaging”的文章，介紹了可通過磁性粒子成像實現細胞示蹤的兩親性納米粒子：Fe₃O₄@PFODBT-COOH，該磁性粒子不僅靈敏度高，無組織穿透深度的限制，而且可以實現線性定量，為細胞示蹤提供新思路。

【圖文導讀】

圖1. 磁性納米粒子的合成調控及表征????

(a) 310℃合成的氧化鐵納米粒子的TEM照片

(b) 310℃合成的氧化鐵納米粒子粉末的XRD圖譜

(c) PSMA修飾310℃合成的氧化鐵納米粒子的MPI峰值信號（相當于200 μL水中含8μg Fe）(d) 預先合成的氧化鐵納米粒子的TEM照片

(e) 預先合成的氧化鐵納米粒子粉末的XRD圖譜

(f) 線性掃描預先合成的氧化鐵納米粒子（相當于200 μL水中含8μg Fe ）的MPI光譜

(g) 裝有Fe₃O₄?COOH 和Vivotrax（含鐵8μg）的PCR管的照片以及相應的線性掃描MPI光譜

(h) Fe₃O₄?COOH（在310℃/31h下制備）和Vivotrax的MPI信號相對于在200μL H₂O中的Fe量

圖2. Fe₃O₄@Semiconducting polymers的合成過程以及相應表征

(a) 納米沉淀法制備兩性納米粒子Fe3O4@PFODBT-COOH示意圖

(b) 兩性納米粒子Fe₃O₄@PFODBT-COOH的TEM照片

(c) Fe₃O₄-COOH和Fe₃O₄@PFODBT-COOH在PBS中的DLS粒徑表征

(d) PFODBT（THF溶解）、Fe₃O₄-COOH（PBS溶解）和Fe₃O₄@PFODBT-COOH（PBS溶解）的UV-vis 吸收光譜

(e) Fe₃O₄@PFODBT-COOH的熒光光譜圖（540 nm激發）

(f) Fe含量（8μg）相同的Fe₃O₄-COOH和Fe₃O₄@PFODBT-COOH的MPI掃描的二維投影，及其對應的線性掃描MPI譜圖

(g) Fe₃O₄@PFODBT-COOH的MPI信號相對于在200μL H₂O中的Fe量的圖

圖3. 磁性納米粒子在細胞水平的成像評價

(a) 共聚焦顯微鏡觀察Hela細胞對Fe₃O₄@PFODBT-COOH的內吞作用；用Fe含量60μg/mL的Fe₃O₄@PFODBT-COOH孵育Hela細胞4小時后將細胞固定并用DAPI進行染色。（藍色：細胞核，紅色：Fe₃O₄@PFODBT-COOH位置）

(b) 不同孵育濃度繪制細胞對顆粒的攝取（ICP進行測定）

(c) Fe₃O₄@PFODBT-COOH標記的細胞在新鮮培養基中培養不同時間的增殖情況

(d) MPI信號相對于Fe₃O₄@PFODBT-COOH標記的細胞數量的圖（31pg Fe/cell, 細胞數量范圍：2500-640000）

(e) 2500個標記過的細胞（31pg Fe/cell）的線性掃描MPI光譜（插圖是2500個細胞的MPI投影圖像）

(f-g) 標記后細胞的MPI線性掃描光譜(f)500個細胞(g)250個細胞

(h) 熒光信號相對于標記后不同細胞數量（0-16萬）的圖（插圖是含不同細胞數量的熒光圖像）

(i) 標記后細胞的T2加權磁共振成像相對于標記后細胞數量的圖（插圖是0-8萬細胞的MRI成像圖）

圖4. 磁性納米粒子在動物水平的成像評價

(a,b) 老鼠局部皮下注射Fe₃O₄@PFODBT-COOH標記的細胞后熒光的前視圖和后視圖（540 nm激發，680 nm發射）

(c,d) 老鼠局部皮下注射標記的細胞后老鼠前視和后視磁成像的二維投影

(e) 局部皮下注射標記細胞后老鼠的磁成像三維投影和CT成像的結合

(f) 老鼠植入250個細胞后白光和磁成像二維投影的疊加（扣掉背景）

(g) 局部皮下注射用Fe₃O₄@PFODBT-COOH標記的細胞后的小鼠身體的橫斷面MRI圖

(h) 不同時間點代表性小鼠的縱向熒光圖（540 nm激光,680 nm發射）

(i) 腫瘤位置熒光信號強度定量（%）作為植入后時間的函數（相對于植入后10天的信號值）

(g) 代表性小鼠縱向MPI圖像的二維投影（10天后）

(k) 腫瘤位置MPI信號強度定量（%）作為植入后時間的函數（相對于植入10天后的信號值）

(l) 植入20天后整個老鼠的MPI成像的三維投影和CT成像

(m) 植入20天后腫瘤切片的共聚焦成像（紅色：Fe₃O₄@PFODBT-COOH，藍色：DAPI）

【小結】

該研究得到的磁成像氧化鐵納米粒子MPI信號強度是醫用MPI造影劑（鐵羧葡安）的三倍，而且在鐵含量相同的情況下，比美國已批準的Feraheme磁共振造影劑信號高7倍。利用熒光半導體聚合物對氧化鐵進行包封，還可同時實現細胞的磁成像和熒光成像，這一材料的發明為后續癌癥細胞治療方面的研究提供了新的方向和思路。

關于具有磁成像功能的氧化鐵納米粒子合成過程的研究表明，溫度和反應時間會影響立方Fe₃O₄晶體的質量進而影響磁成像的強度。該文章中合成條件得到的Fe₃O₄納米粒子性能優異，用熒光半導體聚合物對Fe₃O₄納米粒子進行包封，得到的兩性納米粒子可實現對細胞的高效標記，植入老鼠后磁成像示蹤靈敏。這里只介紹了其在細胞示蹤方面的應用，后續利用腫瘤靶向配體進行功能化可能實現多模態癌癥成像。

文獻鏈接：Janus Iron Oxides @ Semiconducting Polymer Nanoparticle Tracer for Cell Tracking by Magnetic Particle Imaging （Nano Letters，2017，DOI:10.1021/acs.nanolett.7b03829）

本文由材料人編輯部魏巧琳編譯，劉宇龍審核，點我加入材料人編輯部。

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