斯坦福大學&佐治亞理工學院Nat. Nanotechnol.：用于在第二近紅外光學窗口進行光聲分子成像的微型金納米棒

【引言】

生物組織通常在兩個不同的光譜范圍內具有相對較少的光學吸收，分別稱為第一近紅外（NIR-I, 650-900 nm）和第二近紅外（NIR-II, 1000-1200 nm）窗口。NIR-II中，血液負載組織在1050-1150 nm范圍能夠產生最低的光聲背景噪聲。可見，NIR-II中的成像可以顯著改善分子光聲成像。然而，迄今為止該光譜范圍內造影劑仍十分有限。目前常見的光聲造影劑有小發色團、熒光蛋白和由碳、半導體和等離子體材料制成的納米顆粒等。在這些造影劑中，沒有一種熒光蛋白能夠在NIR-II中產生吸收，并且在該窗口中的小分子染料、碳納米管和半導體納米顆粒由于它們的細胞毒性而沒有得到很好的研究。等離子體納米顆粒如金納米棒（AuNR）已廣泛在NIR-I窗口中用于光聲成像和其他生物和醫學應用。雖然一些等離子體納米顆粒在NIR-II中也顯示出強烈的光學吸收，但是大多數是具有高縱橫比或者尺寸大而殼層極薄，從而導致熱穩定性差、血液循環半衰期短和組織穿透率低。

【成果簡介】

近日，斯坦福大學Sanjiv Sam Gambhir 教授與佐治亞理工學院Stanislav Emelianov教授合作，報道了一種在NIR-II中產生吸收的微型金納米棒，其比具有類似縱橫比的常規金納米棒尺寸小5-11倍。在納秒脈沖激光照射下，小金納米棒的熱穩定性和產生的光聲信號強度分別是較大金納米棒的3倍和3.5倍。通過理論和數值分析表明，光聲信號不僅與納米顆粒溶液的光學吸收成比例，而且與納米顆粒的表面-體積比成比例。在攜帶腫瘤的活體小鼠中，小的靶向納米棒使得向腫瘤遞送藥劑的效率提高30%，并產生了4.5倍的光聲對比度。該成果以題為" Miniature gold nanorods for photoacoustic molecular imaging in the second near-infrared optical window "發表在國際著名期刊Nature Nanotechnology上。

【圖文導讀】

圖1 大、小AuNR的合成和尺寸表征

(a) 18 nm × 120 nm的大AuNR的種子介導生長示意圖；

(b) 8 nm × 49 nm的小AuNR的種子介導生長示意圖；

(c) 用于靶向前列腺癌細胞GRPR的AuNR表面功能化的示意圖；

(d) 合成的小AuNR的TEM圖像；

(e) 合成的大AuNR的TEM圖像；

(f) AuNR的尺寸分布；

(g) 大、小AuNR的歸一化消光光譜。

圖2 大、小AuNR的熱穩定性比較

(a) 用4.0 mJ cm^-2的200個激光脈沖照射的光密度匹配的大、小AuNR；

(b) 用18.2 mJ cm^-2的200個激光脈沖照射的光密度匹配的大、小AuNR；

(c) 用20 mJ cm^-2的200個激光脈沖照射前小AuNR的SEM圖像；

(d) 用20 mJ cm^-2的200個激光脈沖照射后小AuNR的SEM圖像；

(e) 用20 mJ cm^-2的200個激光脈沖照射前大AuNR的SEM圖像；

(f) 用20 mJ cm^-2的200個激光脈沖照射后大AuNR的SEM圖像；

(g) 包含AuNR溶液的管體模的照片；

(h) 來自管模型的光聲強度；

(i) 光聲強度與激光能量密度的函數關系。

圖3 大、小AuNRs產生的光聲信號的數值分析

(a) 不同尺寸AuNRs吸收截面的時域有限差分模擬；

(b) 使用COMSOL在AuNR表面上模擬的瞬態溫度分布結果；

(c) 18 nm AuNR的歸一化光聲信號的空間分布；

(d) 歸一化的光聲量子產率與納米顆粒體積的函數關系；

(e) 歸一化的發射聲能與納米顆粒表面積的函數關系；

(f) 歸一化的光聲信號峰強度與AuNR的表面-體積比的函數關系。

圖4 大、小AuNR對前列腺癌細胞的特異性

(a) 在每個表面官能化步驟中AuNR的Zeta電位測量結果；

(b) 與靶向或非靶向AuNR一起孵化的PC-3或DU-145細胞的熒光強度；

(c) 與小GPRR AuNR一起孵化的PC-3 細胞的明場（左）和熒光（右）圖像；

(d) 與小GPRR AuNR一起孵化的DU-145 細胞的明場（左）和熒光（右）圖像；

(e) 與小PEG AuNR一起孵化的PC-3 細胞的明場（左）和熒光（右）圖像；

(f) 與小PEG AuNR一起孵化的DU-145細胞的明場（左）和熒光（右）圖像；

(g) 與大GPRR AuNR一起孵化的PC-3 細胞的明場（左）和熒光（右）圖像；

(h) 與大GPRR AuNR一起孵化的DU-145 細胞的明場（左）和熒光（右）圖像；

(i) 與大PEG AuNR一起孵化的PC-3 細胞的明場（左）和熒光（右）圖像；

(j) 與大PEG AuNR一起孵化的DU-145 細胞的明場（左）和熒光（右）圖像。

圖5 在前列腺癌的小鼠模型中靶向大、小AuNR的成像

(a) 帶有非靶向大AuNRs的荷瘤小鼠的照片（左）和光聲成像（右）；

(b) 帶有非靶向小AuNRs的荷瘤小鼠的照片（左）和光聲成像（右）；

(c) 帶有靶向大AuNRs的荷瘤小鼠的照片（左）和光聲成像（右）；

(d) 帶有靶向小AuNRs的荷瘤小鼠的照片（左）和光聲成像（右）；

(e) 帶有靶向小AuNRs的來自荷瘤小鼠m4的腎臟、腫瘤、心臟、脾臟和肝臟的典型熒光圖像；

(f) 來自小鼠m1至m4的腫瘤的典型熒光圖像；

(g) 來自四組小鼠的主要器官和腫瘤的熒光強度的測量結果。

【小結】

本文中，作者合成了一種在1064 nm處產生吸收的最小金納米棒，并且發現在納秒激光照射下，小尺寸金納米棒的熱穩定性是大尺寸金納米棒的3倍。更重要的是，通過簡單地減小尺寸而不改變納米粒子的光學吸收就能夠增加納米粒子的光聲量子產率，從而使得光聲信號增強超過3.5倍。在體內整體腫瘤光聲信號的顯著改善4.5倍。這些發現為未來光聲分子造影劑的設計提供了策略，并可能在NIR-II窗口中激發更多的光聲分子成像應用。

文獻鏈接：Miniature gold nanorods for photoacoustic molecular imaging in the second near-infrared optical window?(Nat. Nanotechnol. 2019, DOI: 10.1038/s41565-019-0392-3)

本文由材料人生物學術組biotech供稿，材料牛審核整理。

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