蒲侃義等人在Adv. Mater.報道：半導體聚合物納米載體用于活體免疫治療的即時近紅外化學發光成像

【背景介紹】

眾所周知，現在臨床上常用的化療、放療和手術三大治療癌癥的方法存在治療效果不理想、嚴重的副作用等問題。隨著免疫治療的發展，為不同類型的癌癥提供了新的治療方法，但是在臨床上常常遇到患者反應率有限的難題。為了優化免疫治療效果，所以監測活體受試者的免疫反應是非常必要的。目前，主要是全血淋巴細胞和免疫細胞因子的測量和腫瘤組織的活檢，但這些方法是侵入性的，不能有效地反映動態和空間治療信息。然而，分子成像可以實時檢測評估對象的免疫激活。雖然特異性激活對應于靶向生物標志物的信號的可激活成像探針繞過該組織并具有相對較高的信號特異性，但是目前很少將可激活探針用于免疫治療應答的體內成像。

其實，活性氧（ROS）是生物體內氧代謝產生的化學活性分子。通過與生物分子中某些基團的優先反應，在調節從細胞穩態到細胞死亡等生物學功能中起著關鍵作用。在先天免疫反應中，吞噬細胞自發地增加ROS的生成，以通過氧化機制抵抗感染；而在適應性免疫反應中，T細胞受體的激活觸發T細胞內ROS的生成，支持T細胞的激活和細胞因子的分泌。因此，ROS可以作為監測免疫激活的生物標志物。其中，半導體聚合物納米材料（SPNs）由于其吸收系數大、可調光學特性、優異的光穩定性和生物相容性良好等優點而備受關注。

【成果簡介】

基于此，山西醫科大學附屬大義醫院的Ruiping Zhang和新加坡南洋理工大學的蒲侃義教授（共同通訊作者）聯合報道了一種半導體聚合物納米載體（SPNRs）與超氧陰離子（O₂^??）可激活的化學發光信號，用于癌癥免疫治療過程中免疫激活的體內成像。其中，SPNRs由SP和籠狀化學發光苯氧基-二氧雜環丁烷底物組成，分別作為化學發光的受體和供體，以實現顆粒內化學發光共振能量的轉移。SPNRs本質上是熒光的，但只有在O₂的激活下才會變成化學發光。SPNR3是第一個O₂激活的近紅外化學發光基因，可靈敏地將免疫細胞中較高的O₂水平與其他細胞（包括癌癥和正常細胞）區分開。在全身給藥后，SPNR3被動積聚到活體小鼠的腫瘤中，并激活化學發光信號，該信號響應腫瘤微環境中O₂的濃度。此外，癌癥免疫治療后體內化學發光信號的增強與腫瘤中T細胞數量的增加有關，證明了其追蹤T細胞活化的可行性。因此，SPNRs代表了第一類化學發光基團分子，可用于體內免疫激活成像。該研究成果以題為“Semiconducting Polymer Nanoreporters for Near-Infrared Chemiluminescence Imaging of Immunoactivation”發布在著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、SPNRs的設計和合成以及用于免疫激活的化學發光成像
（a）SPs的化學結構（PFPV、PFBT和PFODBT）；

（b）利用納米沉淀法合成SPNRs的示意圖；

（c）SPNRs的O₂^??激活化學發光的機理；

（d）藥物誘導的免疫激活后腫瘤中O₂^??的體內化學發光成像示意圖。

圖二、SPNRs的光學表征
（a）1×PBS緩沖液中SPNR1、SPNR2和SPNR3的DLS數據；

（b-c）在1×PBS緩沖液中SPNR1、SPNR2和SPNR3的紫外可見吸收和熒光光譜；

（d-f）在1×PBS緩沖液中有無O₂^??的情況下，SPNR1、SPNR2、和SPNR3的化學發光光譜；

（g）SPNR1、SPNR2和SPNR3的化學發光強度與O₂^??濃度的關系；

（h）在O₂^??存在下，SPNRs的化學發光強度衰減；

（i）在37℃下于1×PBS緩沖液中與有無ROS孵育后，SPNRs的化學發光強度之比。

圖三、NDF細胞、4T1癌細胞和細胞毒性T細胞中細胞內O₂^??的體外化學發光成像
（a）經SPNR3處理的NDF細胞、4T1癌細胞和細胞毒性T細胞的化學發光和熒光圖像，有無BEC預處理和NAC預處理0.5 h；

（b-c）（a）中單細胞的平均化學發光和熒光強度；

（d）處理后，細胞的化學發光/熒光強度比。

圖四、動物實驗
（a）建立腫瘤BEC治療和成像模型的示意圖；

（b）O₂化學發光成像和SPNR熒光跟蹤的示意圖；

（c）在未治療或經BEC預處理的小鼠中，腫瘤熒光強度與SPNR3注射后時間的關系；

（d）靜脈注射SPNR3后，未治療和經BEC預處理的4T1荷瘤BALB/c小鼠在不同時間點的NIR熒光成像；

（e）在未經治療或經BEC預處理的小鼠中，腫瘤化學發光強度與SPNR3注射后時間的關系；

（f）在靜脈內注射SPNR3后，在不同的時間點對未經治療和經BEC預處理的4T1荷瘤小鼠進行化學發光成像；

（g）實時成像后，來自未經治療和經BEC預處理的荷瘤小鼠的腫瘤組織的CD8和CD4染色的共聚焦熒光顯微圖像；

（h）體內成像后，從未經治療和經BEC預處理的荷瘤小鼠中提取的主要器官的組織學H＆E染色。

【小結】

綜上所述，作者合成了一類SPNRs用于檢測O₂進行藥物誘導的癌癥免疫激活的實時體內化學發光成像。由于有效的iCRET、SPNR3在存在O₂的情況下，可以選擇性地在700 nm處打開490倍的近紅外化學發光信號，顯示LOD低至11.8×10^-9 M。SPNR3是第一個可激活O₂的NIR化學發光基團分子。這種高選擇性和敏感性使得SPNR3可以作為細胞內的納米載體來檢測不同細胞系的內源性O₂^??水平，表明細胞毒性T細胞的內源性O₂^??水平高于腫瘤細胞和正常細胞。此外，SPNR3在全身給藥后優先在活體小鼠的腫瘤處積累，并且可以開啟化學發光信號以檢測在癌癥免疫治療過程中與激活的細胞毒性T細胞和輔助性T細胞群體有關的O₂水平。總之，本研究介紹了第一類有機化學發光納米載體，以用于癌癥免疫療法的實時體內成像，并為高通量篩選免疫療法提供了廣闊的前景。

文獻鏈接：Semiconducting Polymer Nanoreporters for Near-Infrared Chemiluminescence Imaging of Immunoactivation（Adv. Mater., 2019, DOI:10.1002/adma.201906314）

本文由CQR編譯。

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