復旦大學張凡教授Adv. Mater.：超分子工程實現NIR-II區納米探針與上轉換納米顆粒體內組裝和解組裝提高生物成像效果

【引言】

納米材料具有增強滲透和滯留的效應，已被用于腫瘤成像和癌癥治療。如何增加納米探針在腫瘤部位的富集量和延長納米探針在腫瘤部位的滯留時間是提高治療效率的關鍵挑戰。而對于基于光致發光的生物醫學成像應用，高信噪比和長腫瘤滯留時間則是實時觀測和區分腫瘤病灶與正常組織的兩個重要先決條件。但是，目前報道的體內組裝方法大多是不可逆的，這會導致納米顆粒在肝臟和脾臟等網狀內皮系統中的非特異性組裝，造成生物成像的高背景信號以及對生物體的不可逆損傷。因此，在體內組裝的同時實現時空可控的納米材料解組裝以增強活體生物成像信噪比和降低長期生物毒性仍然是一個挑戰。

【成果簡介】

近日，復旦大學張凡教授課題組報道了一種納米材料在體內組裝和通過近紅外光介導的解組裝成像策略，該體系基于偶氮苯修飾的稀土上轉換納米顆粒（UCNP @ Azo）和β-環糊精修飾的近紅外二區（NIR-II）稀土下轉換納米探針（DCNP @β-CD）之間的主客體相互作用。研究表明，通過這一新穎策略，使得造影劑在腫瘤中富集量增加了約4倍，滯留時間延長至5小時，而且與單次注射策略相比，信噪比提高了1.5倍。此外，980 nm紅外光介導的活體解組裝會降低成像背景并加速造影劑的清除速率以降低潛在的長期生物毒性。該成果以題為"Supramolecularly Engineered NIR-II and Upconversion Nanoparticles In Vivo Assembly and Disassembly to Improve Bioimaging"發表在國際著名期刊Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1 納米探針組裝和近紅外激光介導的解組裝用于NIR-II生物成像的示意圖

(a) UCNP@Azo上轉換納米顆粒和近紅外二區DCNP@β-CD下轉換納米探針的結構；

(b) 納米顆粒之間超分子識別誘導的組裝和980 nm激光介導的解組裝；

(c) 先后兩針注射策略以提高納米探針在腫瘤部位的富集量并且加快探針在肝臟部位的清除速率示意圖。

圖2 納米顆粒體外組裝和解組裝的TEM圖像、動態光散射結果和發光光譜

(a) 疏水NaGdF₄:10%Y,25%Yb, 0.5% Tm@NaGdF₄ UCNPs的TEM圖像和尺寸分布結果；

(b) 親水UCNP@Azo的TEM圖像和DLS尺寸分布結果；

(c) UCNP@lipid和UCNP@Azo的發光光譜；

(d) 疏水NaGdF₄:5%Nd @NaGdF₄ DCNPs的TEM圖像和尺寸分布結果；

(e) 親水DCNP@β-CD的TEM圖像和DLS尺寸分布結果；

(f) DCNP和DCNP@β-CD的發光光譜；

(g) 體外組裝納米團簇的TEM圖像和尺寸分布結果；

(h) 體外解組裝納米顆粒的TEM圖像和尺寸分布結果；

(i) DLS監測組裝和解組裝過程中體系平均粒徑隨時間的變化。

圖3 組裝和單次注射策略在腫瘤部位成像的比較

(a) 對帶有表皮腫瘤的裸鼠進行單次尾靜脈注射策略（DCNP @β-CD）和組裝策略（UCNP @ Azo + DCNP @β-CD）的實驗時間線示意圖和808 nm激發條件下腫瘤NIR-II生物成像結果；

(b) 單次注射策略與組裝策略中腫瘤近紅外二區（NIR-II）成像信噪比的比較；

(c) 單次注射以及組裝策略中第二針注射后2到36小時 DCNP @β-CD在腫瘤內的富集量；

(d) 組裝策略和單次注射策略的腫瘤/肝臟比。

圖4 980 nm介導的肝臟部位解組裝的策略優化

(a) 體內組裝與980 nm激光觸發的體內解組裝的實驗時間線示意圖和808 nm激發下帶有表皮腫瘤的裸鼠腹部在不同時間點的近紅外二區（NIR-II）生物熒光成像結果；

(b) (a)圖中描述的不同980nm照射策略下肝臟部位近紅外二區（NIR-II）成像強度隨時間的變化曲線；

(c) (a)圖中描述的不同980nm照射策略下DCNP@β-CD納米探針在肝臟部位的沉積量隨時間的變化曲線；

(d) 組裝（黑線）和980 nm照射介導的解組裝（紅線）的腫瘤/肝臟比隨時間的變化曲線 。

圖5 實時觀察活體腫瘤和肝臟中納米顆粒的組裝和解組裝以及近紅外二區（NIR-II）成像下引導的手術

(a) UCNP@Azo-Cy3在腫瘤中的富集；

(b) DCNP@β-CD-Cy5在腫瘤中的富集；

(c) UCNP@Azo-Cy3和DCNP@β-CD-Cy5在腫瘤中的共定位；

(d) 腫瘤中Cy3和Cy5之間的FRET熒光信號；

(e) 用于活體共聚焦生物成像的實驗裝置；

(f) UCNP@Azo-Cy3在肝臟中的沉積；

(g) DCNP@β-CD-Cy5在肝臟中的沉積；

(h) UCNP@Azo-Cy3和DCNP@β-CD-Cy5在肝臟中的共定位；

(i) 肝臟中Cy3和Cy5之間的FRET熒光信號；

(j) 在980nm照射后，肝臟中Cy3和Cy5之間的FRET熒光信號；

(k) 近紅外二區（NIR-II）成像引導手術的實驗裝置示意圖；

(l) 在808 nm激發下，人卵巢癌腹膜轉移小鼠模型在穩定時間窗中的近紅外二區（NIR-II）生物成像和光學照片；

(m) 腹膜轉移腫瘤在不同時間點的T/NT比率，紅色虛線代表Rose判據；

(n) 可疑腫瘤組織的光學照片和H&E染色；

(o) 體內解組裝18至22小時內卵巢癌腹膜轉移瘤的腫瘤/肝臟比。

【小結】

在本文中，利用Azo/β-CD之間的主客體超分子工程方法實現了納米顆粒的體內組裝和近紅外光介導的解組裝。該體系不僅能增強近紅外二區（NIR-II）納米探針在腫瘤區域的滯留，近紅外激光介導的納米探針解組裝還可以降低生物成像背景信號。此外，該策略還可以用于其他納米至微米級造影劑，以改善生物成像信噪比并降低長期細胞毒性。

文獻鏈接：Supramolecularly Engineered NIR-II and Upconversion Nanoparticles in Vivo Assembly and Disassembly to Improve Bioimaging?(Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201804982)

【個人簡介】張凡，男，1977年12月生。復旦大學化學系教授，博士生導師。國家杰出青年科學基金獲得者、教育部青年長江學者。張凡教授于2008年獲復旦大學化學系理學博士學位。2008-2010年美國加州大學圣塔芭芭拉分校化學與生物化學系博士后。2010年8月通過復旦大學人才引進計劃任化學系副研究員、博士生導師，2012年協調成立復旦-陶氏化學聯合研究中心，任研究中心副主任，2013年底開始任化學系教授。主要從事稀土近紅外熒光納米探針用于生物醫學分析的研究工作。繞生物醫學分析發表SCI論文101篇，多篇發表于Nat. Nanotech.，Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.等權威期刊。近五年總他引6500余次，19篇論文入選ESI“Highly Cited Papaers”。撰寫出版英文專著2部。?

【相關文獻推薦】

1. Fan, Y.; Wang, P. Y.; Lu, Y. Q*; Wang, R.; Zhou, L; Zheng, X. L.; Li, X. M.; Piper, J. A.; Zhang, F*, Nat. Nanotechnol., 2018, 13, 941.
2. Zhou, L⁺; Fan, Y ⁺; Wang, R.; Li, X. M.; Fan, L. L.; Zhang, F*, Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 12824.
3. Wang, P. Y.; Fan, Y.; Lu, L. F.; Liu, L.; Fan, L. L*; Zhao, M, Y.; Xie, Y.; Xu, C. J.; Zhang, F*, Nature.Comm., 2018, 9, 2898.
4. Liu, L.; Wang, S. F.; Zhao, B. Z.; Pei, P.; Fan, Y.; Li, X. M*; Zhang, F*, Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 7518
5. Li, B. H⁺; Lu, L. F⁺; Zhao, M, Y.; Lei, Z. H.; Zhang, F*, Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 7483.
6. Yao, C.; Wang, W. X.; Wang, P. Y.; Zhao, M, Y.; Li, X. M.; Zhang, F*, Adv. Mater., 2018, 30, 1704833.
7. Wang, R.; Zhou, L.; Wang, W. X.; Li, X. M.; Zhang, F*, Nature.Comm., 2017, 8, 14702.
8. Yao, C.; Wang, P. Y.; Li, X. M.; Hu, X. Y.; Hou, J. L.; Wang, L. Y.; Zhang, F*, Mater., 2016, 28, 9341
9. Li, X. M.; Guo, Z. Z.; Zhao, T. C.; Lu, Y.; Zhou, L.; Zhao, D. Y.; Zhang, F*, Chem. Int. Ed., 2016, 55, 2464
10. Zhou, L.; Wang, R.; Yao, C.; Li, X. M.; Wang, C. L.; Zhang, X. Y.; Xu, C. J.; Zeng, A. J.; Zhao, D. Y.; Zhang, F*, Nature.Comm., 2015, 6, 6938.

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