林君團隊&楊飄萍團隊聯合發表 ACS Nano: 近紅外II區照射下的熱療與可控自由基協同增強低氧環境下腫瘤治療

【背景介紹】

眾所周知，活性氧物質（ROS）（O₂^2-、¹O₂等）在細胞傳遞信號過程中起到非常重要的作用。同時，高劑量表達的活性氧通過誘導蛋白質、脂質、DNA等氧化損傷而導致細胞死亡。目前，光動力療法、聲動力學療法和化學療法等治療方法的功效主要取決于含氧量。根據報道已經發現癌細胞在腫瘤的低氧區域對化學療法和氧依賴的光動力療法具有極高的抵抗力。因此，克服腫瘤缺氧微環境和提高生物相容性納米粒子的在腫瘤部位的有效累積，將顯著發揮優異的協同抗癌效果。如今，水溶性優異的2,2-偶氮雙[2-（2-咪唑啉-2-基）丙烷]二鹽酸鹽（AIPH）在光照或加熱刺激下會迅速解離而產生對細胞有毒的自由基。雖然在缺氧腫瘤微環境中，AIPH仍然可以產生自由基，增加細胞內脂質過氧化氫，進而引發腫瘤細胞的凋亡，但是AIPH并不穩定，在體內會發生分解。因此，提高AIPH在腫瘤部位的有效性，減少其毒副作用是不可避免的。因此，在光照或熱刺激條件下，開發具有可控氧自由基生成的生物相容性納米粒子具有重要意義。

然而，NIR光被用作外部刺激，以實現對局部熱療的高時空控制，同時可以最大程度的減少副作用。而近紅外II區（1000-1350 nm）由于可以提供更深的組織穿透深度、更低的信噪比和更高的最大皮膚允許接觸（MPE）而備受關注。因此，將近紅外II區激光結合白蛋白的優異性能活性有助于提高光動力治療在缺氧腫瘤微環境中的療效。

【成果簡介】

近日，中科院長春應化所的林君研究員和哈爾濱工程大學的楊飄萍教授（共同通訊作者）聯合報道了一種不依賴氧含量的自由基生成納米體系（CuFeSe₂-AIPH@BSA），在兩個近紅外（NIR）區域都具有雙峰吸收，并將其用于成像引導的協同治療。這種特殊的吸收峰使得該納米體系具有很高的光熱轉換效率，并且在NIR（I和II）區都具有良好的匹配光活性。在近紅外光照射下，產生的熱量可促使AIPH釋放并分解，接著產生自由基殺死癌細胞。此外，通過對比研究發現，NIR-II區的治療功效優于NIR-I區，因為NIR-II區有更深的組織穿透能力和更高的最大允許照射量。在NIR-II區光照射后的熱療效應和產生的有毒自由基引發在低氧微環境中的癌細胞凋亡/死亡。總之，CuFeSe₂-AIPH@BSA的高生物相容性和優異的抗癌效果使其成為一種理想的在缺氧環境中的納米體系，可通過全身給藥進行影像引導和NIR-II區介導的協同治療。研究成果以題為“Hyperthermia and Controllable Free Radicals Co-Enhanced Synergistic Therapy in Hypoxia Enabled by Near-Infrared-II Light Irradiation”發表在國際著名期刊ACS Nano上。

【圖文解讀】

圖一、CuFeSe₂-AIPH@BSA納米粒子的制備和物理表征
（a）CuFeSe₂-AIPH@BSA納米粒子的合成示意圖；

（b-c）CuFeSe₂納米顆粒的TEM和HRTEM圖像；

（d-e）CuFeSe₂@PDA和CuFeSe₂-AIPH@BSA納米顆粒的TEM圖像；

（f）CuFeSe₂-AIPH@BSA納米粒子的能量分散譜（EDS）。

圖二、比較AIPH、CuFeSe₂@PDA和CuFeSe₂-AIPH@BSA的性能
（a）溶在乙醇溶液中的AIPH、CuFeSe₂@PDA和CuFeSe₂-AIPH@BSA在300-1400 nm范圍內的UV-vis-NIR吸收光譜；

（b）不同階段合成樣品的Zeta電位；

（c）對比CuFeSe₂@PDA、AIPH和BSA、CuFeSe₂-AIPH@BSA納米粒子的FT-IR光譜；

（d）CuFeSe₂@PDA、CuFeSe₂@BSA和CuFeSe₂-AIPH@BSA的TGA曲線。

圖三、在不同激發波長下，CuFeSe₂-AIPH@BSA的性能
（a）不同濃度下CuFeSe₂-AIPH@BSA的水分散液的照片；

（b）在近紅外光譜范圍內具有緊密匹配的光熱活性的CuFeSe₂-AIPH@BSA的示意圖；

（c）在MIR的NIR-I和NIR-II輻照下，CuFeSe₂-AIPH@BSA的比較光熱效應；

（d）深層組織光熱研究的示意圖；

（e）在不同激光條件下，在雞胸組織不同深度處，CuFeSe₂-AIPH@BSA溶液的溫度變化的擬合指數衰減。

圖四、在不同波長激發下，CuFeSe₂-AIPH@BSA的光熱效果
（a）在功率密度為1 W/cm²的1064 nm激光照照下，不同濃度的CuFeSe₂-AIPH@BSA水溶液的紅外熱圖像與輻照時間的關系；

（b）不同濃度的水和CuFeSe₂-AIPH@BSA的溫度升高與照射時間的關系；

（c）在5 min內相對于CuFeSe₂-AIPH@BSA納米粒子濃度的溫度變化圖；

（d）用1064 nm和808 nm激光照射下，CuFeSe₂-AIPH@BSA水溶液的光熱效應；

（e）冷卻時間與冷卻階段溫度驅動力的負自然對數（△T/△T_max）的關系圖。

圖五、對比AIPH和CuFeSe₂-AIPH@BSA釋放性能
（a）在366 nm處檢測到的AIPH溶液的標準吸收曲線；

（b）初始AIPH溶液和藥物加載過程后的CuFeSe₂-AIPH@BSA納米粒子獲取上清液的吸收光譜；

（c）在1064 nm或808 nm激光分別以不同的功率密度照射下，CuFeSe₂-AIPH@BSA中AIPH的釋放曲線；

（d）在不同溫度下由CuFeSe₂-AIPH@BSA釋放的自由基誘導產生ABTS⁺?。

圖六、在不同波長激發下，CuFeSe₂@BSA和CuFeSe₂-AIPH@BSA對細胞的毒性
（a）利用標準MTT測定CuFeSe₂@BSA和CuFeSe₂-AIPH@BSA與L929細胞孵育24 h和48 h后的細胞存活率；

（b）在不同激光下，制備的納米粒子在體外的抗癌效果；

（c）在各種孵育條件下，與制備好的納米顆粒共同孵育后，用鈣黃綠素-AM/PI染色的4T1腫瘤細胞的CLSM圖像；

（d）在不同處理下，用ROS熒光探針DCFH-DA染色的4T1細胞的CLSM圖像。

圖七、CuFeSe₂-AIPH@BSA的CT和MRI效果
（a）不同濃度的CuFeSe₂-AIPH@BSA水溶液的體外CT圖像；

（b）根據CuFeSe₂-AIPH@BSA的濃度制備的納米粒子的CT值；

（c-d）注射前和靜脈注射24 h后荷瘤小鼠的體內CT圖像；

（e-f）在注射CuFeSe₂-AIPH@BSA納米粒子前后相應的橫截面CT線輪廓；

（g）使用MR掃描儀以不同的Fe濃度記錄的CuFeSe₂-AIPH@BSA的體外T1加權MRI；

（h）CuFeSe₂-AIPH@BSA的縱向相對論（r1）為0.507 mM^-1 s^-1；

（i）靜脈注射CuFeSe₂-AIPH@BSA納米粒子前和注射24 h后，對荷瘤小鼠進行體內T1加權MRI。

圖八、CuFeSe₂-AIPH@BSA的體內協同治療效果
（a）在不同時間間隔，通過激光照射靜脈注射的CuFeSe₂-AIPH@BSA后的荷瘤小鼠的紅外熱像圖；

（b）在治療期的14天中，所有組中4T1荷瘤小鼠的體重；

（c）經過各種處理的荷瘤小鼠的腫瘤體積生長曲線；

（d）在第14天，從各組織解剖腫瘤的腫瘤大小；

（e）在14天的治療中，從每組解剖的腫瘤的數碼照片；

（f）治療14天后，不同組小鼠的H＆E染色的腫瘤切片的圖像。

【小結】

綜上所述，作者通過簡單的自組裝策略提出了一種基于CuFeSe₂納米粒子、BSA和傳統聚合引發劑（AIPH）的自由基協同治療納米體系（CuFeSe₂-AIPH@BSA），其激發波長在NIR-I和NIR-II區。該多功能納米體系在兩個NIR區激光照照下均顯示出良好的生物相容性、可控的AIPH釋放、不依賴氧的自由基和熱療效果。CuFeSe₂-AIPH@BSA通過與BSA封裝表現出高的AIPH負載能力，由于BSA的固有性能而具有高的生物相容性。同時在低氧條件下，該納米體系也可以有效地產生不依賴氧的自由基，并在激光照射下產生熱療效果，從而具有優異的抗癌性能。此外，構建的CuFeSe₂-AIPH@BSA可通過EPR效應而延長血液循環時間，促進其在腫瘤處的累積，并通過NIR-II激光照射下產生熱療而不會引起明顯的損傷正常組織。另外，在CT/MRI雙模式成像的指導下將PTT與自由基相關的PDT結合的協同抗癌進一步增強治療效果。總之，研究表明CuFeSe₂-AIPH@BSA在NIR-II區具有用于缺氧環境下腫瘤協同治療的巨大潛力。

文獻鏈接：Hyperthermia and Controllable Free Radical Coenhanced Synergistic Therapy in Hypoxia Enabled by Near-Infrared-II Light Irradiation. (ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b05985)

通訊作者簡介

林君，研究員、博士生導師。1989年畢業于吉林大學化學系，1995年在中科院長春應化所無機化學專業獲博士學位。1996－2000年分別在香港、德國和美國做訪問學者及博士后。1999年入選中科院百人計劃，2000年4月回到中科院長春應化所工作；2002年獲得國家杰出青年科學基金；入選2014-2018年湯森路透編撰全球材料領域“高被引科學家”名錄，榮獲2014年湯森路透中國引文桂冠獎，當選2014英國皇家化學會1%頂尖高被引作者，被推選為英國皇家化學會會士。至今已在國內外科學期刊如Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Adv. Funct.Mater.、ACS Nano 等發表學術論文500 余篇，截止目前這些論文共被他人引用35000余次 (H指數=103)。

自2000年回國以來一直從事無機固體發光材料、有機/無機復合發光材料及磁性、光熱等納米材料合成、組裝及其性質方面的研究。采用各種軟化學方法（溶膠－凝膠法、水熱法、高溫溶劑法、超聲法等）制備了多種形態結構（粉末、薄膜及其圖案化、核殼結構微球、單分散納米晶、有機－無機復合材料）稀土發光材料，并對其發光性能進行了詳細研究，重點在于通過這些方法獲得形貌均勻可控、性能優異的稀土及半導體發光材料，以期在場發射顯示(FED)、白光固態照明( white LED)及生物醫學等領域獲得應用。

本文由CQR編譯。

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