廈大高錦豪團隊Nano Lett.：級聯的多響應自組裝19F MRI納米探針通過激活/擴增兩個階段對進行腫瘤精確的檢測和成像

【背景介紹】

相對正常生理環境而言，病理狀態常表現為酸中毒、缺氧、某些蛋白過表達、氧化還原失衡等現象。目前，已廣泛的探索了響應于生物相關刺激的可激活探針，并將其用于成像和藥物遞送，以通過疾病部位特異性的遞送、激活和控制釋放來提高診斷和治療效果。例如，谷胱甘肽（GSH）在許多生理過程中起著至關重要的作用。鑒于癌細胞中GSH的濃度是正常細胞的4倍以上，因而利用特異性響應GSH熒光探針對腫瘤成像及引導腫瘤治療。然而，由于熒光探針的組織穿透性較低，極大的限制了其應用。因此，亟需開發能夠進行深部組織可視化的替代熒光探針。

近些年來，由于磁共振成像（MRI）具有無創性、空間分辨率高和組織穿透性強等優點而成為應用最廣泛的診斷技術之一。然而，由于水分子中的固有¹H信號，使得傳統¹H MRI的刺激響應探針受到對比度低和背景干擾的影響。由于¹⁹F MRI具有高靈敏度（¹H的83％），寬泛的化學位移（>350 ppm）和可忽略的背景（人體中<10^-6 M）等優點，使其有望彌補傳統¹H MRI的不足。雖然現在已報道了多種通過改變環境（生物分子、化學條件和外部物理條件）來智能性的控制響應¹⁹F MRI，但是很少報道關于¹⁹F MRI對多種刺激反應的。因此，利用具有多個級聯信號激活/擴增的刺激響應的¹⁹F MRI可能是一種更好的策略，原因如下：（1）級聯的信號激活/擴增涉及多個刺激響應過程，將顯著增強探針的特異性；（2）級聯的信號激活/擴增由于倍增效應可極大增強信號。

【成果簡介】

基于此，廈門大學的高錦豪教授（通訊作者）團隊報道了一種級聯的多響應的自組裝納米探針，其能夠連續氧化還原觸發和近紅外（NIR）輻照誘導¹⁹F MR信號激活/擴增，以進行傳感和成像。具體而言，設計并合成了一種基于兩親性氧化還原反應的含¹⁹F的聚合物和吸收NIR的吲哚菁綠（ICG）分子自組裝的級聯的多響應性的含¹⁹F納米探針。利用該納米探針可以在還原性腫瘤微環境中實現19F信號的激活，并通過光熱過程實現隨后的信號放大。通過在體外和體內的¹⁹F NMR和MRI實驗，證實了¹⁹F信號能夠逐步的分階段激活/擴增。利用具有能夠級聯¹⁹F信號激活/擴增和光熱效應發揮作用的多響應¹⁹F納米探針可以對腫瘤進行精確的感測和成像。研究成果以題為“Cascaded Multiresponsive Self-Assembled ¹⁹F MRI Nanoprobes with Redox-Triggered Activation and NIR-Induced Amplification”發布在著名期刊Nano Lett.上。

【圖文解讀】

圖一、1-ICG納米探針的示意圖和表征
（a）級聯¹⁹F信號激活/擴增的自組裝多響應的¹⁹F納米探針示意圖；

（b-c）自組裝的1-ICG NPs的TEM圖像和通過DLS的粒徑分析；

（d）水中游離ICG和自組裝的1-ICG NPs的UV-vis（黑線）和熒光發射（紅線）光譜。

圖二、自組裝的1-ICG納米探針的級聯信號激活/擴增和特異性評估
（a）1-ICG NPs在500 μL10％ D₂O/H₂O中與GSH一起孵育指定時間的¹⁹F NMR光譜；

（b）部分a中¹⁹F NMR光譜的信噪比（SNR）；

（c）在808 nm激光照射下，500 μL10％ D₂O/H₂O中的1-ICG NPs的¹⁹F NMR光譜；

（d）c部分中¹⁹F NMR光譜的SNR；

（e）在不同功率強度下，直接用808 nm激光照射1-ICG NPs的¹⁹F NMR光譜；

（f）與GSH孵育2 h并用808 nm激光照射Ctrl 1-ICG NPs的¹⁹F NMR光譜；

（g）與GSH孵育2 h并用808 nm激光照射10 min時，1-ICG NPs的¹⁹F NMR光譜；

（h）g部分中¹⁹F NMR光譜的SNR；

（i）與GSH孵育2 h后，用不同功率的808 nm激光照射1-ICG NPs水溶液的溫度曲線。

圖三、級聯的多響應1-ICG納米探針的形貌變化
（a）用20 mM GSH處理2 h后，1-ICG NPs的TEM圖像；

（b）a中1-ICG NPs的粒徑分布；

（c）用20 mM GSH孵育2 h，并用808 nm激光以1.5 W/cm²輻射10 min后， 1-ICG NPs的TEM圖像；

（d）直接用808 nm激光以功率為1.5 / cm²照射10 min后，1-ICG NPs的TEM圖像；

（e）d中1-ICG NPs的粒徑分布；

（f）直接用808 nm激光照射后，1-ICG NPs的結構變化。

圖四、¹⁹F“熱點”細胞內模擬成像
（a）用自組裝的1-ICG NPs處理HepG2細胞，在808 nm激光輻照后，進行¹⁹F NMR/MRI的示意圖；

（b）用自組裝的1-ICG NPs處理24 h后，在1.5 W/cm²的808 nm激光照射處理10 min后，HepG2細胞的¹⁹F NMR光譜；

（c）與1-ICG NPs孵育24 h后，用808 nm激光以1.5 W/cm²照射HepG2細胞的溫度曲線；

（d）采用不同處理方法后，HepG2細胞裂解物的¹H MRI和相應的¹⁹F MRI模擬圖像。

圖五、具有逐步分階段激活/擴增功能的¹⁹F MRI用于檢測腫瘤中的外源性GSH
（a）對HepG2荷瘤小鼠注入GSH和自組裝的1-ICG NPs，再利用808 nm激光照射后的體內實驗示意圖；

（b）皮下注射GSH和1-ICG NPs（上圖），在808 nm激光以1.5 W/cm²照射處理6 min（下圖）后，對HepG2荷瘤小鼠進行¹H/¹⁹F MRI。

圖六、通過體內¹⁹F MRS/MRI成像，利用1-ICG NPs檢測腫瘤中的內源性GSH
（a）利用自組裝的1-ICG NPs處理荷HepG2荷瘤小鼠，并用808 nm激光照射獲得¹⁹F MRS/MRI的體內實驗示意圖；

（b-c）在腫瘤內注射1-ICG NPs 0 h、8 h后，對HepG2荷瘤小鼠進行的實時¹⁹F MRS；

（d）注射1-ICG NPs 8 h后，用808 nm激光照射6 min后，對HepG2荷瘤小鼠的¹H/¹⁹F MRI；

（e）注射Ctrl 1-ICG NPs 8 h后，用808 nm激光照射6 min后，對HepG2荷瘤小鼠的¹H/¹⁹F MRI。

【小結】

綜上所述，作者開發了一種新型的級聯多響應的¹⁹F納米探針（1-ICG NPs），可以通過逐步的兩個階段¹⁹F信號激活/擴增來對腫瘤進行精確感測和成像。通過細胞模擬和小鼠體內腫瘤微環境中，發現第一階段是¹⁹F信號強度從OFF到ON，第二階段是在光熱過程中會顯著增強¹⁹F信號的強度。因此，這些能夠逐步的分兩階段激活/擴增的級聯多響應的1-ICG NPs具有作為智能試劑的巨大潛力，以實現準確而靈敏的¹⁹F MRI診斷。此外，這種簡便的系統可以輕松用于腫瘤微環境中其它的特異性響應、準確的傳感和成像，例如活性氧（ROS）、酸中毒和缺氧。總之，該探針包含的策略涉及級聯的多響應過程中的逐步分兩階段的信號激活/放擴增，對于設計出更具創新性的納米探針來檢測具有高特異性和敏感性的生物靶標分子具有巨大的啟發作用。

文獻鏈接：Cascaded Multiresponsive Self-Assembled 19F MRI Nanoprobes with Redox-Triggered Activation and NIR-Induced Amplification（Nano Lett., 2019, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b04016）

通訊作者簡介

高錦豪老師：廈門大學化學化工學院教授、博導。2004年南京大學化學系本科畢業，2008年獲香港科技大學化學系博士學位。2008-2010年在斯坦福大學醫學院從事博士后研究。目前擔任廈門大學化學化工學院化學生物學系主任。2010年入選教育部“新世紀優秀人才支持計劃”，2012年獲國家基金委優秀青年基金項目，2014年榮獲中國化學會青年化學獎。主要從事活體生理病理特征分子的原位實時磁共振成像和診斷，生命體系中重要物質的成像監測方法和診斷相關研究。在Nat. Commun、Acc. Chem. Res.、JACS、Angew.? Chem.、Adv. Mater.、ACS Nano、Nano Lett.等發表SCI論文80余篇。

本文由CQR編譯

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