J. Am. Chem. Soc.：可變形氧化釓納米線圈改善磁共振成像納米探針的生物相容性

【前言】

磁共振(MR)成像作為一種無損傷性技術，正越來越多地用于臨床診斷，以獲取有關體內組織解剖、功能和代謝的信息。為了提高成像靈敏度，科學家已經使用造影劑來加速水分子的弛豫速率，從而增加特定組織或器官之間所需的對比度。與臨床認可的常規釓螯合物相比，氧化釓(Gd₂O₃)納米顆粒對T1加權MR圖像顯示出更高的增強效率，因為高度暴露的釓表面原子協同縮短了附近質子的縱向弛豫(T1)時間。然而，它們的生物安全風險代表著巨大的商業價值，被認為是普遍關注的必要問題。納米粒子與蛋白質的相互作用從根本上影響了成像納米探針的體內生物相容性和毒性，其中血清蛋白質吸附產生的生物界面通過受體介導的內吞作用誘導它們進入細胞。納米材料對蛋白質的非特異性吸附導致網狀內皮系統的清除，通過與細胞膜的相互作用促進內吞作用，從而導致細胞毒性。此外，在某些情況下，非特異性相互作用導致納米顆粒與細胞膜、細胞外基質和細胞核結合，導致標記效率低下、檢測不準確和遺傳毒性。納米顆粒的大小、形狀、表面電荷和溶解度對蛋白質的相互作用有著重要的貢獻，這已經被很好地探索為導致毒性的因素。

這些現有成像納米探針的共同特征是它們具有固定的形態。由于聚合物鏈的空間構型自由度，聚合物涂層作為一種表面改性策略已經被主要用于降低細胞毒性和延長納米材料的循環時間；這種方法通過構象熵損失驅動的空間排斥抑制蛋白質吸收。

【成果簡介】

為了設計用于生物醫學應用的功能納米材料，科學家面臨的挑戰是進一步了解其獨特的毒理學特性。蛋白質的非特異性粘附和內吞作用被認為是成像納米探針的主要生物毒性來源。近日，來自北大口腔醫學院的劉燕和北京中科院化學所的王鐵研究員（共同通訊）在J. Am. Chem. Soc.上發表文章，為： “Biocompatibility of Magnetic Resonance Imaging Nanoprobes Improved by Transformable Gadolinium Oxide Nanocoils”。作者制造了具有低楊氏模量的超薄氧化釓(Gd₂O₃)納米線圈，它在溶液中提供可變形的性質。超薄納米線圈的空間構型自由度誘導了蛋白質非特異性吸附的空間排斥，這反過來抑制了細胞攝取，從而改善了它們的生物相容性。超薄納米線圈中更多的暴露在表面的釓原子提供了增強的T1磁共振(MR)成像對比度和高信號激活。這種納米造影劑應用于體內MR生物成像，可以延長循環壽命。可轉化的Gd₂O₃納米線圈改善了生物相容性，為未來各種納米生物藥物的設計和構建開辟了新的視角。
【圖文導讀】

圖1. 結構形貌表征

(a) 超薄納米的TEM圖像；

(b) 液體TEM圖像顯示納米線圈的可變形特性(用箭頭標記) :納米線圈從圍巾狀(1s，3s)逐漸打開到蠕蟲狀(19s)；

(c) 通過“定向附著”機制(頂部)納米線圈形成過程的示意圖。電子束輻照下活性超小Gd₂O₃納米粒子的各向異性組裝。輻照0、5和15分鐘后超小Gd₂O₃納米粒子的HRTEM圖像(底部)。

(d) 四種固定形態納米材料的TEM圖像，依次是超小納米顆粒、三腳架形、三角形和盤狀納米片。

(e) 五種不同Gd₂O₃納米材料的平均楊氏模量；#，α< 0.05 vs納米線圈；$，α< 0.05 vs納米粒子；&，α< 0.05 vs納米三腳架；@，α< 0.05 vs納米三角形。

圖2. 蛋白定量表征

(a) 使用紫外-可見分光光度計測定五種不同Gd₂O₃納米材料上吸收蛋白質的定量含量；

(b) 電泳分析洗脫的非特異性吸附蛋白質。

(c) 用SDS - PAGE定量分析吸附的牛血清白蛋白；

(d) BSA在納米線圈上吸附的示意圖

圖3. 與可變形納米線圈和其他四種形態固定納米材料一起孵育后的細胞形態

(a) 將MG - 63細胞與納米線圈、納米顆粒、納米三腳架、納米三角形和納米盤一起孵育12小時后，用鹽水作為對照的熒光圖像。圖示是MG - 63細胞的詳細形態(比例尺: 20 μm )。綠色代表肌動蛋白絲，藍色代表細胞核；

(b) 通過CCK - 8評估用不同Gd₂O₃納米材料培養的MG - 63的細胞活力；

(c) 與納米線圈、納米顆粒、納米三腳架、納米三角形和納米圓盤一起孵育后，caspase - 3的免疫熒光染色。caspase - 3用抗體(紅色和藍色)染色；

(d) 細胞凋亡通過caspase - 3的光密度統計來評估；

(e) 顯示超薄納米線圈的細胞內吞作用的示意圖和共聚焦圖像:紅色熒光信號代表RhB共軛納米線圈；綠色是細胞骨架，藍色代表細胞核；

(f) 顯示超小顆粒細胞內吞作用的示意圖和共聚焦熒光圖像；

圖4. 體內MR生物成像

(a) 不同濃度下具有不同形貌的硅涂層Gd₂O₃納米材料的T1加權圖像；

(b) 計算五種納米材料的縱向弛豫率(R1)；

(c) 體內磁共振生物成像是通過將納米線圈和納米顆粒注射到C - 57小鼠體內實現的；

(d) 具有不同納米線圈給藥途徑的小鼠的體內T1加權MR圖像；

(e) 15、30、45和60分鐘超小納米粒子靜脈注射時小鼠的T1加權MR圖像；

(f) 超薄納米線圈靜脈注射后20、40、60、80、100、120、140和180分鐘小鼠的T1加權MR圖像；

【總結】

數據顯示，可轉化的Gd₂O₃納米線圈可以抑制蛋白質的非特異性吸附，從而抑制細胞內吞作用。人們會期望納米材料可以提供一個極好的機會來改善MR成像，因為它們具有高的表面積與體積比，但是由于注射后血漿蛋白的非特異性吸附，納米材料受到了生物毒性的限制。作者觀察到的生物相容性的增加對于成像具有低楊氏模量的納米探針是重要的，因為可變形納米探針應該提供對蛋白質的空間排斥。成像納米探針的細胞分布可以幫助理解可變形納米探針的這種生物相容性。在小鼠模型中證明有效延長MRI增強時間顯然是監測特定疾病部位的一個重要步驟。原則上，除了MRI造影劑之外，其他成像劑，例如熒光探針、X射線成像探針和光聲探針，也可以根據這種概念證明來設計，以改善生物相容性。

文獻鏈接：Biocompatibility of Magnetic Resonance Imaging Nanoprobes Improved by Transformable Gadolinium Oxide Nanocoils, (J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b08118)

本文由材料人生物&高分子組Z. Chen編譯。

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