國家納米科學中心ACS Nano: 一種可拓展的星形納米平臺，用于功能和解剖學成像指導的腫瘤光熱治療

【背景介紹】

惡性腫瘤作為全球第二大死亡原因，已經成為最主要的公共衛生安全威脅之一。多模態成像可以提供腫瘤的解剖學、病理學和分子學等互補信息，在準確診斷、指導治療干預、藥物示蹤和監測治療反應方面有著良好的前景。X射線計算機斷層掃描（CT）是一種高分辨率、無深度限制、可三維重建的成像系統。磁共振成像（MRI）可以提供清晰的軟組織結構，具有良好的空間分辨率。光聲成像（PAI）是一種新興的、基于光聲效應的成像方式，具有較高的空間分辨率和實時監測能力。與這些結構成像方式相比，可激活近紅外熒光成像（NIRFI）是一種非常理想的功能成像方法，經合理設計能夠以低成本、高特異、高靈敏的方式，實現特定分子表達和活性的可視化并用于病理檢測。由于單一模式不足以提供所有需要的信息，通過將CT、MRI、PAI和NIRF等多種成像模式相結合，整合其各自的優勢，提供互補的功能和解剖學信息，可以更好地達到腫瘤準確診斷的目的。近年來，基于納米材料的多模態成像平臺引起了廣泛的關注，其中兼具成像與治療特性的納米材料尤具吸引力。目前已有的多模態納米診療平臺多采取將所有元素簡單整合的“一體化”策略，但構成復雜、合成困難、穩定性差和潛在的安全等問題極大地限制了這些納米平臺更為廣泛的生物醫學應用。

【成果簡介】

最近，國家納米科學中心趙宇亮、聶廣軍，李一葉研究員團隊合作報道了一種可拓展的星形納米平臺，并將其用于功能和解剖學成像指導的腫瘤光熱治療。作者基于聚多巴胺包覆星形金納米粒（GNS@PDA），設計了一個簡單而功能強大并易于多種功能拓展的納米診療平臺，實現了功能和解剖成像指導的腫瘤光熱治療。該納米平臺支持CT/ PAI /雙光子熒光/熱紅外四模態成像，并能進一步拓展成纖維細胞活化蛋白（FAP）激活的NIRFI以及基于Fe³⁺的MRI進行腫瘤綜合診斷。此外，GNS@PDA具有良好的光熱性能，可在腫瘤組織高效富集。在多模態成像的精確指導下，GNS@PDA在異種移植小鼠腫瘤模型中實現了對實體瘤(～200 mm³)的光熱消融。該研究發展的可拓展納米平臺有望用于癌癥的多模態診療。相關成果以“An Extendable Star-Like Nanoplatform for Functional and Anatomical Imaging-Guided Photothermal Oncotherapy”發表于知名學術期刊ACS Nano。

【圖文摘要】

功能和解剖學成像指導的可拓展腫瘤納米診療平臺
（a）GNS@PDA納米平臺的構建與功能拓展;

（b）基于GNS @ PDA納米診療平臺用于近紅外熒光（NIRF）、光聲（PA）、磁共振（MR）、計算機斷層掃描（CT）、雙光子發光（TPL）和熱紅外（ IRT）成像指導的腫瘤光熱治療（PTT）。

【圖文導讀】

圖一、納米平臺的表征和體外NIRF激活
（a）GNS@PDA的TEM圖。標尺：100 μm。插圖為放大圖，標尺：20 μm；

（b）Cy7肽、GNS@PDA和GNS@PDA-Cy7溶液的紫外-可見吸收光譜；

（c）GNS@PDA、GNS@PDA-Cy7和Cy7肽溶液的明場和NIRF圖；

（d）Cy7肽、GNS@PDA、GNS@PDA-Cy7溶液的NIRF發射光譜；

（e）與HPNE或Mia-paca-2細胞孵育6 h后，GNS@PDA-Cy7的NIRF發射光譜;

（f）與Mia-paca-2細胞共孵育不同時間后，GNS@PDA-Cy7的NIRF發射光譜。插圖為上清液的NIRF圖像；

（g）與GNS@PDA-Cy7共孵育不同時間后，Miapaca-2細胞的流式細胞分析結果；

（h）與GNS@PDA-Cy7共孵育不同時間后，Mia-paca-2細胞平均熒光強度（MFI）；

（i）與GNS@PDA-Cy7共孵育后，不同數量Mia-paca-2細胞的NIRF發射光譜。E_x = 740 nm。

圖二、納米平臺的光熱特性
（a）近紅外激光（808 nm，1.4 W/cm²）照射后，GNS@PDA（0~100 μg /mL）的溫度變化；

（b）激光輻照過程中GNS@PDA的紅外熱圖；

（c）不同光功率密度（0.7 W/cm²，1.4 W/cm²，2.8 W/cm²）近紅外激光照射下，GNS@PDA的溫度變化；

（d）GNS@PDA的升溫和冷卻曲線；

（e）冷卻時間與溫度差的負自然對數關系圖；

（f）三個激光輻照開/關循環內，GNS@PDA和GNS-PEG的溫度變化。

圖三、納米平臺的體外光熱治療
（a）Mia-paca-2細胞經GNS@PDA或GNS-PEG處理后的雙光子發光（TPL）圖。標尺：20 μm；

（b）光熱治療后，Mia-paca-2細胞經鈣黃綠素（AM，綠色）和碘化丙啶（PI，紅色）染色的熒光圖。標尺：100 μm；

（c）激光照射后，GNS@PDA或GNS-PEG對Mia-paca-2細胞的光熱殺傷；

（d）GNS@PDA或GNS-PEG穿透Mia-paca-2細胞球（Mia-SS）的TPL圖像；

（e）激光照射后，PI染色的Mia-SS熒光圖及其三維重建圖。標尺：100 μm。

圖四、納米平臺的體內解剖學（CT/PA/MR）和功能（NIRF）成像
（a）瘤內注射GNS@PDA前后荷瘤小鼠的三維重建CT成像；

（b）靜脈注射GNS@PDA或GNS-PEG后，荷瘤小鼠的PA成像；

（c）腫瘤部位PA強度的定量分析；

（d）靜脈注射GNS@PDA-Fe后，荷瘤小鼠的MR成像；

（e）靜脈注射生理鹽水（左鼠）或GNS@PDA-Cy7（右鼠）后，荷瘤小鼠的NIRF成像；

（f）靜脈注射后，腫瘤部位熒光強度的定量分析；

（g）靜脈注射GNS@PDA-Cy7后，小鼠腫瘤及主要器官的離體NIRF成像；

（h）小鼠離體腫瘤和主要器官的熒光強度定量分析。

圖五、納米平臺的體內光熱治療
（a）注射GNS@PDA或GNS-PEG 6小時后，荷瘤小鼠在激光照射（808 nm, 1.4 W/cm²）過程中的體內熱紅外成像（IRT）；

（b）激光照射時腫瘤區域的溫度變化;

（c）腫瘤生長曲線；

（d）不同實驗組的離體腫瘤照片；

（e）不同實驗組的腫瘤質量分析；

（f）小鼠腫瘤切片的H&E染色圖。

【小結】

綜上所述，作者成功地制備了一個基于GNS@PDA的多功能納米平臺。該平臺具有固有的CT/PA/TPL/IRT和可拓展的FAP激活NIRF以及基于Fe³⁺的MR成像功能，能夠用于癌癥的精確診療。CT、PA和MR成像顯示了詳細的腫瘤位置信息，TPL成像驗證了GNS@PDA的有效攝取和體內分布，NIRF成像的激活提供了腫瘤的病理信息，IRT成像實時展示了PTT過程中的治療效應。基于GNS@PDA的精確成像指導和顯著熱療效果，僅單次治療就實現了對腫瘤具有良好耐受的均勻光熱消融。上述結果證實了GNS@PDA作為可拓展多功能納米診療平臺的良好臨床轉化潛力。鑒于成像相關金屬離子以及腫瘤相關蛋白酶特異性底物的可替換性及多樣性，作者認為該工作對于進一步探索基于GNS@PDA的納米診療以及功能和解剖學成像指導的PTT具有重要的借鑒意義。

文獻鏈接：An Extendable Star-Like Nanoplatform for Functional and Anatomical Imaging-Guided Photothermal Oncotherapy（ACS Nano. 2019. DOI：10.1021/acsnano.8b09607）

本文由材料人高生組我亦是行人編譯，材料人整理。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu.