AFM 報道: 熱響應半導體聚合物納米顆粒用于對比增強光聲成像

【背景介紹】

光聲（photoacoustic, PA）成像是一種檢測光能轉換為超聲波的混合型非電離成像技術。超聲波在穿過組織時散射比光更少，所以PA成像具有更深的組織穿透深度。在成像過程中，組織往往會產生背景信號，因此需要通過分子設計策略來提高PA成像的信噪比（signal-to-background ratios, SBRs）。雖然一些響應性的PA探針已經被開發，但是這些探針的SBRs很大程度上依賴于疾病組織和正常組織間的內源性生物標記物的濃度差異。相比較而言，外部刺激可以通過手動操作的方式來無創性地控制PA造影劑的信號生成，因此增強成像靈敏度。但是外部刺激響應性的造影劑很少被用于PA成像。由于具有良好的光學性質和生物相容性，有機半導體聚合物納米顆粒（semiconducting polymer nanoparticles, SPNs）作為一類新興的光診療劑被廣泛關注。目前，基于SPNs的造影劑已被廣泛用于生物系統的PA成像，但是外部刺激響應性的SPNs造影劑用于PA成像很少被開發。

【成果簡介】

近日，南洋理工大學的浦侃裔和武漢大學中南醫院的喻愛喜和胡祥（共同通訊作者）聯合報道了一種用于腫瘤PA成像的熱響應SPNs。這些PA造影劑由聚（N,N-二甲基丙烯酰胺）-r-（丙烯酸羥丙酯）（PDMA-r-HPA）修飾的半導體聚合物自組裝而成。PDMA-r-HPA具有熱響應性，可以響應環境溫度的變化而發生可逆的相變。因此，制備的SPNs（SPNph1和SPNph2）具有較低的臨界溶解溫度（LCSTs），當高于該溫度時相分離發生，從而引起這些納米顆粒的聚集。隨著尺寸的增大，散熱量增大，造影劑的PA信號放大。因此，通過升溫可以增強熱響應SPNs的PA信號，從而提供了一種遠程增強PA成像SBRs的方法。研究成果以題為“Thermoresponsive Semiconducting Polymer Nanoparticles for Contrast-Enhanced Photoacoustic Imaging”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、材料的制備與作用示意圖

（a） 熱響應性聚合物（6和7）和對照聚合物（5）的合成路線，以及聚合物的自組裝形成納米顆粒（SPNph1、SPNph2和SPNp）。

（b） 熱響應性納米顆粒的熱刺激引起的PA信號增強的示意圖。

圖二、體外表征
（a-b）SPNs的紫外-可見吸收和熒光光譜；

（c）SPNs在不同溫度下的尺寸變化（pH = 7.4）；

（d）在25或50℃溫育后，SPNph1和SPNp的TEM圖像；

（d）在25或50℃溫育后，SPNph1和SPNp的ζ-電位；

（f）不同濃度的SPNph1或SPNp處理后4T1細胞的細胞存活率。

圖三、SPNph1和SPNp的體外光熱和PA表征
（a）SPNph1和SPNp溶液的光熱溫度與激光照射時間的函數關系；

（b）SPNph1和SPNp在各自的最高溫度下的熱圖像；

（c）SPNph1和SPNp的光熱穩定性研究；

（d）不同溫度下SPNph1和SPNp溶液的PA信號強度；

（e）在有（無）激光照射下，不同濃度的SPNph1和SPNp溶液的PA成像圖像；

（f-g）在有（無）激光照射下，不同濃度的SPNph1和SPNp溶液的PA信號強度。

圖四、體內PA成像
（a）在有（無）激光照射的情況下，尾靜脈注射SPNph1或SPNp后24 h活體小鼠腫瘤的PA成像圖像；

（b）尾靜脈注射SPNph1或SPNp后32 h，小鼠的主要器官和腫瘤的PA信號強度；

（c）尾靜脈注射SPNph1后，光照引起小鼠腫瘤部位PA信號增強的示意圖；

（d）在有（無）激光照射的情況下，尾靜脈注射SPNp或SPNph1后小鼠腫瘤部分的PA信號強度。

【總結】

綜上所述，作者成功制備了可以自組裝形成熱響應性PA造影劑（SPNph1）的PDMA-r-HPA修飾的半導體聚合物，用于對比增強的體內成像。由于PDMA-r-HPA的修飾，SPNph1的LCSTs是48℃，在溫度升高的情況下可以進行相分離形成大的納米顆粒。因此，SPNph1具有熱響應PA特性，當溫度高于LCSTs時PA信號強度增加1.6倍。而沒有PDMA-r-HPA修飾的對照造影劑（SPNp）不具有這種溫度響應性的PA性質。此外，SPNph1的光熱轉換效率比SPNp高1.3倍，導致在相同濃度下SPNph1的PA信號強度更高。由于其較小的尺寸（35 nm），SPNph通過系統注射后能很好地聚集在腫瘤部分。由于SPNph1的熱響應PA性質，可以通過激光照射介導的升溫來原位遠程操縱PA信號，從而實現腫瘤部位SBR的1.43倍增強。因此，本研究介紹了新一代具有熱響應特性的有機PA造影劑，可以用于腫瘤部分對比增強的光聲成像。

文獻鏈接：Thermoresponsive Semiconducting Polymer Nanoparticles for Contrast-Enhanced Photoacoustic Imaging（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI:10.1002/adfm.201903461）

通訊作者簡介

浦侃裔，現任新加坡南洋理工大學化學與生物醫學工程學院副教授；2011年于新加坡國立大學獲得博士學位，同年作為博士后加入斯坦福大學從事分子影像學研究，2015年6月以副教授受聘于南洋理工大學。

近年來，浦侃裔教授課題組主要探索有機材料在生物醫學光子學中應用。目前主要(i)針對臨床需求開發智能響應型活體熒光、自發光及光聲成像分子探針用于早期疾病診斷;(ii) 針對基礎生物醫學開發基于半導體聚合物(SPN：semiconducting polymer nanoparticles)的納米光子轉換器用于在分子層面調控并了解生物過程；(iii)研究有機光學材料在腫瘤治療中的應用。目前，該課題組已在癌癥診療、皮膚病檢測與藥物毒性篩選中取得初步進展。例如，在2017年該課題組首次開創了基于可降解有機高分子納米顆粒的分子余輝成像(MAI: molecular afterglow imaging)，并探索了其在疾病的早期診斷和治療方面的潛在應用。該研究成果發表于國際頂級期刊Nature Biotechnology。在2019年該課題組設計了一種具有高效的腎清除效率的分子腎臟探針(MRPs: molecular renal probes)用于對藥物性急性腎損傷(AKI: acute kidney injury)的體內光學成像。該探針的近紅外熒光或者化學發光信號可以被AKI的前期生物標記物特異性地激活，使得該探針可以對實驗小鼠腎臟內多個分子事件進行縱向成像。該研究成果發表于國際頂級期刊Nature Materials。另外，采用近紅外熒光和光聲等成像技術，該組實現了皮膚病、肝損傷以及腫瘤等疾病發展過程中相關生物標記物的活體檢測，為疾病的早期診斷提供了有用信息。該團隊研究方向也涉及智能響應型納米醫藥，光熱調控離子通道、基因表達和蛋白活性等相關研究。自2015年6月成立至今，該團隊已在國際主流期刊上發表高水平文章80多篇（包括Nature Materials, Nature Biotechnology, Nature Communications, Chemical Society Reviews, Accounts of Chemical Research, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Nano Letters, ACS Nano等）。至今，浦侃裔教授累計發表高檔次文章140多篇，SCI H-index = 60。目前，浦侃裔博士擔任ACS Applied Polymer Materials 和Biomaterials Research副主編，Nano Research期刊Young Star主編，Advanced Functional Materials, Bioconjugate Chemistry, ACS Applied Bio Materials, Advanced Biosystems和ChemNanoMat等期刊編委。

課題組主頁：http://www.ntu.edu.sg/home/kypu/index.html

近期代表性工作：

1. J. Huang, J. Li, Y. Lyu, Q. Miao, K. Pu*. Molecular optical imaging probes for early diagnosis of drug-induced acute kidney injury. Nat. Mater., 2019, DOI: 10.1038/s41563-019-0378-4.

2. Q. Miao, C. Xie, X. Zhen, Y. Lyu, H. Duan, X. Liu, J. Jokerst, K Pu*. Molecular afterglow imaging with bright, biodegradable polymer nanoparticles. Nat. Biotechnol., 2017, 35, 1102-1110.

3. Y. Jiang, J. Huang, X. Zhen, Z. Zeng, J. Li, C. Xie, Q. Miao, J. Chen, P. Chen, K. Pu*. A generic approach towards afterglow luminescent nanoparticles for ultrasensitive in vivo imaging. Nat. Commun., 2019, 10, 2064.

4. P. Cheng, Q. Miao, J. Li, J. Huang, C. Xie, K. Pu*. J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 27, 10581-10584.

5. J. Li, J. Huang, Y. Lyu, J. Huang, Y. Jiang, C. Xie, K. Pu*. Photoactivatable organic semiconducting pro-nanoenzymes. J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 4073-4079.

6. S. He, C. Xie, Y. Jiang, K. Pu*. An organic afterglow protheranostic nanoassembly. Adv. Mater., 2019, 31, 1902672.

7. Y. Jiang, J. Li, Z. Zeng, C. Xie, Y. Lyu, K. Pu*. Organic photodynamic nanoinhibitor for synergistic cancer therapy. Angew. Chem., Int. Ed., 2019, 58, 8161-8165.

8. D. Cui, J. Huang, X. Zhen, J. Li, Y. Jiang, K. Pu*. Semiconducting polymer nano-prodrug for hypoxia-activated synergetic photodynamic cancer therapy. Angew. Chem., Int. Ed., 2019, 58, 5920-5924.

9. Y. Lyu, D. Cui, J. Huang, W. Fan, Y. Miao, K. Pu*. Near-infrared afterglow semiconducting nano-polycomplexes for multiplex differentiation of cancer exosomes. Angew. Chem., Int. Ed., 2019, 58, 4983-4987.

10. Y. Jiang, P. Upputuri, C. Xie, Z. Zeng, A. Sharma, X. Zhen, J. Li, J. Huang, M. Pramanik, K. Pu*. Metabolizable semiconducting polymer nanoparticles for second near-infrared photoacoustic imaging. Adv. Mater., 2019, 31, 1808166.

11. J. Li, K. Pu*. Development of organic semiconducting materials for deep-tissue optical imaging, phototherapy and photoactivation. Chem. Soc. Rev., 2019, 48, 38-71.

本文由CQR編譯。

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