張兵波 ACS Nano : 具有近紅外持久發光和尺寸可調的大型中空空腔發光納米粒子用于腫瘤發光成像和化療/光動力療法

【引言】

眾所周知，在中國古代有一件非常出名的寶物 - 夜明珠，其可以持久的發光，本質就是夜明珠使用了大量的持久發光材料。持久發光納米粒子（PLNPs）是一種材料，它可以在激發光源停止后的幾分鐘到幾天內發光，優于傳統的發光材料，消除了對生物醫學成像的自動熒光干擾。由于其長期的發射和伴隨的優點（例如：零自發熒光背景、高信噪比）在生物醫學成像中獲得越來越多的關注。盡管現在有很多的合成方法來合成PLNPs，但那些用于構造功能結構的PLNPs的方法仍未被開發。

【成果簡介】

近日，同濟大學的張兵波教授（通訊作者）等報道了一種近紅外（NIR）持久發光的空心結構PLNPs的設計原理、合成路線和概念驗證，及近紅外光和尺寸可調的腫瘤后發光成像和化療/光動力療法。設計原理是利用了在可凈化的碳球上固定化的母體離子的結晶。這一策略為煅燒后的PLNPs提供了大的和尺寸可調的空腔。在PLNPs、高的化學藥物（DOX）或光敏劑（Si-Pc）負載在空腔上的以實現。DOX/Si-Pc負載的空心PLNPs基于大空腔的特點和PLNPs的后發光特性，表現出高效的腫瘤抑制作用。這些空心結構的PLNPs，像傳統的固體PLNPs一樣，是相當穩定的，可以被反復激活，特別是可以選擇性的靶向腫瘤病變部位，在活的小鼠中允許可充電的后發光成像。他們研究提供的一種合成空心結構PLNPs的策略，有望激發起其它癌癥的創新結構研究。研究成果以題為“Large Hollow Cavity Luminous Nanoparticles with Near-Infrared Persistent Luminescence and Tunable Sizes for Tumor Afterglow Imaging and Chemo-/Photodynamic Therapies”發布在國際著名期刊ACS Nano上。

【圖文導讀】

圖一、空心NIR PLNPs的合成、功能化和應用

?圖二、空心NIR PLNPs的理化表征?

（a） 原始的碳球的TEM圖像，尺寸約為150 nm；

（b） 前體離子標記的碳球的TEM圖；

（c） 空心近紅外的PLNPs的TEM圖；

（d） BSA修飾的空心PLNPs的TEM圖；

（e） 碳球的水動力直徑；

（f） 前體離子被標記的碳球；

（g） 空心的近紅外的PLNPs；

（h） BSA修飾空心的PLNPs；

（i） 空心的PLNPs的SEM；

（j） 空心的PLNPs的高分辨TEM圖；

（k） SAED的模式；

（l） (L-Q)元素映射圖像；

（m） (R, S) 空心的PLNPs的EDS。

圖三、在300 nm的碳球上合成空心PLNPs?

（a） 300 nm的碳球的TEM圖；

（b） 前體離子被標記的碳球；

（c） 空心近紅外的PLNPs；

（d） 空心近紅外的PLNPs的SEM圖；

（e） 空心近紅外的PLNPs的高分辨TEM圖；

（f） 空心近紅外的PLNPs的SAED圖；

（g）（G-M）空心近紅外的PLNPs的元素分布圖；

（h）（N）空心近紅外的PLNPs的EDS圖。

圖四、空心NIR PLNPs（50 nm）的表征

（a） 空心NIR PLNPs的激發和發射光譜；

（b） 在254 nm處激發3 min 后，空心NIR PLNPs粉末的NIR余暉衰減曲線，準備好的PLNPs粉的插入圖像；

（c） BSA改性中空NIR PLNPs粉在650 nm 重復激發后的NIR余輝衰減曲線；

（d） 在254 nm處5 min后，空心NIR PLNPs水溶液（1 mg/mL）的NIR余輝衰減曲線；

（e） 空心NIR PLNPs粉末在254 nm紫外線燈照射后10 min后在5 min、10 min、15 min、30 min、1和1.5 h的NIR余輝圖像,和白光LED燈（1100 lm）在照射5 min后在5min和10 min的余輝衰減圖像；?

（f） BSA修飾的空心NIR PLNPs水溶液（2 mg/mL）在254 nm紫外線燈照射后10 min后在5 min、10 min、15 min、30 min、45 min和1 h的NIR余輝圖像,和白光LED燈（1100 lm）在照射5 min后在1 min和5 min的余輝衰減圖像。

圖五、空心NIR PLNPs（50 nm）負載藥物和PH值實驗表征?

（a） 在PH=7.4和5.0時，空心NIR PLNPs負載DOX在PBS中的藥物釋放圖；

（b） 游離DOX和空心NIR PLNPs-Dox在不同DOX濃度下對4T1細胞進行24 h孵育；

（c） DAPI染細胞核，綠色信號表示空心PLNPs，紅色表示DOX;

（d） 用空心PLNPS-DOX培養4T1細胞的生物TEM圖，紅色箭頭表示紅色框架納米粒子的局部放大圖像。

圖六、空心NIR PLNPs的小鼠體內實驗?

（a） 持續發光（PL）或余輝成像實驗在體內的概述；

（b） 正常小鼠靜脈注射BSA修飾的空心NIR PLNPs（2 mg/mL, 200 uL）;

（c） 用白光LED（1100 lm）每個周期照射5 min后的體內成像圖；

（d） 通過小鼠靜脈注射24 h后，小鼠的心臟（a）、肝（b）、脾（c）、肺（d）、腎（e）和腸（f）等發光圖；

（e） 通過小鼠靜脈注射24 h后，小鼠的心臟（a）、肝（b）、脾（c）、肺（d）、腎（e）和腸（f）等的量化圖。

【小結】

研究制備了一種大型中空腔和尺寸可調的NIR PLNPs。合成的PLNPs不僅具有均勻的尺寸和規律的形貌，而且具有強烈的持續發光，特別是在體內可重復使用白光LED進行充電。這種由PLNPs介導的后續發光成像技術在生物發光或發射性核素成像方面具有優勢，它也不受背景干擾。利用PLNPs的空腔負載DOX和光敏劑（Si-Pc），被用于化療和后熒光輔助的PDT,兩種治療方式都表現出良好的抗腫瘤能力。并希望通過對空心結構的PLNPs的概念驗證能夠激發PLNPs的其他功能結構，進一步擴展其在生物醫學中的應用。

文獻鏈接：Large Hollow Cavity Luminous Nanoparticleswith Near-Infrared Persistent Luminescence and Tunable Sizes for Tumor Afterglow Imaging and Chemo-/Photodynamic Therapies?（ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.7b07606）

本文由材料人生物材料組小胖紙編譯。

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