美國史蒂文斯理工學院Hongjun Wang教授和廈門大學任磊教授等人AFM: 具有近紅外二區等離子共振性能的介孔金納米骨架用于拉曼光聲成像和光化學腫瘤治療

【背景介紹】

光熱治療（PTT）是一種與光相伴的診斷和治療方法，具有微創、高效、特異性好、時空可控等優點，是治療癌癥的一種理想方法。基于金屬金（Au）的納米材料具有從可見光到近紅外區域的局部表面等離子共振（LSPR）的可調波長，以及通用的化學修飾和高生物相容性而受到特別關注，從而在傳感、光聲（PA）成像、藥物遞送、光熱療法（PTT）和光動力療法中被廣泛應用。考慮到近紅外二區（NIR-II：1000-1350 nm）比近紅外一區（NIR-I：750-1000 nm）具有更深的組織穿透力和更高的皮膚最大允許輻射量（MPE），因此，更需要Au納米材料具有NIR-II LSPR。雖然已經為NIR-II的PTT和體內光聲成像（PAT）開發了各種納米材料，但是對于Au納米結構的進展卻十分有限。此外，盡管某些納米材料（MXene@Au納米復合材料）也可以在NIR-II中實現PTT效應，但是由于NIR-II的吸光度相對較低，使其PAT性能仍保留在NIR-I（約900 nm）。因此，需要探索在NIR-II中高度活躍的Au光熱治療劑，使其在抗腫瘤治療中具有高穿透深度的PTT和PAT的巨大應用潛力。

此外，LSPR中Au納米結構附近的強電磁場可以實現表面增強的拉曼散射（SERS），以進行生物分析。尤其是基于SERS的拉曼成像可以高特異性和高靈敏度檢測腫瘤。基于拉曼探針產生的指紋散射信號，SERS拉曼成像可以靈敏地追蹤富集于腫瘤中的Au納米治療藥物。當與NIR-II PAT結合使用時，SERS拉曼成像的高空間分辨率和NIR-II PAT的深入觀察可以實現優勢互補，更有效的定位納米材料。因此，開發出在NIR-II區具有高活性、結構良好的Au納米治療劑對PAT/拉曼雙模態成像引導的光熱療法具有重要意義。

【成果簡介】

基于此，美國史蒂文斯理工學院的Hongjun Wang教授和廈門大學的任磊教授（共同通訊作者）聯合報道了一種利用脂質體為模板介導并合成具有較大介孔結構（≈40 nm）的新型金納米骨架（AuNFs），用于多模態成像和光熱治療。合成的AuNFs在NIR-II區表現出強吸收性，為深部腫瘤提供了NIR-II光熱療法（PTT）和光聲（PA）成像。通過透明質酸（HA）修飾AuNFs后，使其對CD44過表達的腫瘤細胞具有靶向能力，同時將阿霉素（DOX）負載到孔洞中。而4-氨基硫酚（4-ATP）偶聯到AuNFs上，可得到表面增強的拉曼散射（SERS）指紋信息，用于拉曼光譜/成像，并形成了新型納米藥物分子（HA-4-ATP-AuNFs-DOX）。通過荷瘤異種移小鼠體內評估發現，在PA-拉曼雙模態成像引導的光化學療法下，HA-4-ATP-AuNFs-DOX在根除實體瘤方面具有很高的效率。因此，當前的AuNFs提供了光熱學方面的通用性能。該研究成果以題為“Gold Nanoframeworks with Mesopores for Raman-Photoacoustic Imaging and Photo-Chemo Tumor Therapy in the Second Near-Infrared Biowindow”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、HA-4-ATP-AuNFs-DOX納米系統的表征
（a）多孔AuNFs的示意圖；

（b）AuNFs的TEM圖像；

（c）多孔AuNFs的SEM圖像；

（d）以不同角度傾斜的單個AuNF的一系列TEM顯微照片；

（e-f）AuNFs的HR-TEM圖像，并顯示結晶度；

（g）從一個AuNF記錄的電子衍射圖。

圖二、HA-4-ATP-AuNFs-DOX納米系統的體外測試
（a）AuNFs的UV-vis-NIR光譜隨金前體（HAuCl₄）濃度的增加而顯示局部表面等離子體共振（LSPR）峰的紅移；

（b）在1064 nm激光輻照下，AuNFs的光熱效應的濃度依賴性；

（c）用1064 nm激光輻照600 s后，AuNFs水溶液的時間分辨光熱效應；

（d）冷卻時間與從冷卻階段獲得的溫度驅動力的負自然對數的關系圖；

（e）在1064 nm激光照射下，不同濃度的AuNFs的光熱圖像；

（f）不同濃度的AuNFs的光聲圖像；

（g）光聲強度與AuNF水溶液濃度之間的線性關系；

（h）用散射長平面波輻照下，AuNFs的近長電磁場模擬分布圖。

圖三、HA-4-ATP-AuNFs-DOX納米系統的測試和細胞成像
（a）不同樣品的拉曼光譜；

（b）去除過量的游離藥物分子后，在不同負載DOX藥物濃度下獲，HA-4-ATP-AuNFs的UV-vis-NIR光譜；

（c）在37^oC、1和4 h和1064 nm激光照射下，有無透明質酸酶1（Hyal-1）的情況下，從HA-4-ATP-AuNFs釋放DOX的能力；

（d）在NIR-II生物窗口中，HA定向的光熱細胞消融和藥物釋放的示意圖；

（e）MDA-MB-231和HUVEC細胞對負載DOX的HA-4-ATP-AuNFs的細胞攝取；

（f）孵育4 h后，MDA-MB-231細胞中HA-4-ATP-AuNFs在細胞內定位的TEM圖像。

圖四、HA-4-ATP-AuNFs-DOX納米系統的體外基于SERS的拉曼成像和細胞毒性作用
（a）與HA-4-ATP-AuNFs孵育的MDA-MB-231細胞的拉曼成像；

（b）HA-4-ATP-AuNFs在NIR-I區和NIR-II區的拉曼光譜；

（c）用不同處理后，MDA-MB-231細胞的細胞存活率；

（d）在有無近紅外激光輻照下，處理的活/死MDA-MB-231細胞的熒光顯微鏡圖像。

圖五、HA-4-ATP-AuNFs納米系統基于PAT/SERS的體內拉曼成像和生物分布
（a）在注射后，不同時間點在腫瘤部位的HA-4-ATP-AuNFs的PA圖像；

（b）圖（a）中腫瘤部位的平均PA強度；

（c）切除的腫瘤組織的拉曼成像；

（d）從c圖位置I和II獲得的拉曼光譜；

（e）從c圖位置II獲得組織的H＆E染色和TEM圖像；

（f）用于DOX定位的切除的MDA-MB-231腫瘤的免疫熒光圖像。

圖六、HA-4-ATP-AuNFs納米系統的體內腫瘤治療效果
（a）靜脈內注射PBS和HA-4-ATP-AuNFs后，暴露于NIR-II區的MDA-MB-231荷瘤小鼠的光熱圖像；

（b）不同時間點，小鼠在不同治療下的腫瘤生長曲線；

（c）不同處理后，從小鼠切除的最終腫瘤重量曲線；

（d）用PBS、HA-4-ATP-AuNFs、HA-4-ATP-AuNFs-DOX和HA-4-ATP-AuNFs+NIR-II和HA-4-ATP-AuNFs-DOX+NIR-II治療下，不同組的切除腫瘤的數字圖像和H＆E染色的橫截面；

（e）不同組的主要器官的H＆E染色。

【總結】

綜上所述，作者報道了一種基于新型金納米結構的高效光熱治療策略，即具有介孔的AuNFs，利用PA/Raman雙模態成像引導的光熱化學聯合治療癌癥。以脂質體作為AuNFs合成的模板，不僅可以指導和控制孔的形成，而且還為Au納米結構提供了一種簡單而綠色的制備方法。合成的AuNFs在NIR-II中表現出優異的光熱效應，具有高吸光度、良好的光熱穩定性和高的光熱轉換效率。由于AuNFs中存在高密度熱點，因此可以將4-ATP的拉曼散射共軛接在AuNFs表面上用于具有顯著擴增指紋信號的拉曼成像。利用HA表面修飾AuNFs后，可以特異性靶向CD44過表達的腫瘤細胞（MDA-MB-231），以及孔洞中可以負載DOX。通過體外（細胞）和體內（荷瘤異種移植）評估都證明，HA-4-ATP-AuNFs-DOX對NIR-II中實體瘤的PA-Raman雙模態成像引導光化學療法具有很高的療效，幾乎可以徹底根除腫瘤。總之，HA-4-ATP-AuNFs-DOX納米系統已顯示出廣泛的應用潛力，而進一步評估其生物安全性和不同療法的負載效率對于其將來的臨床轉化至關重要。

文獻鏈接：Gold Nanoframeworks with Mesopores for Raman-Photoacoustic Imaging and Photo-Chemo Tumor Therapy in the Second Near-Infrared Biowindow（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.201908825）

通訊作者簡介

Hongjun Wang，美國史蒂文斯理工學院教授。畢業于南開大學并先后獲得理學學士、碩士、博士學位；之后，于荷蘭德溫特大學學習并獲生物醫學工程博士學位；在美國哈佛醫學院從事博士后研究后加入美國史蒂文斯理工學院從事生物醫學材料，3D組織重建以及納米醫學方面的研究。目前擔任生物醫學工程系系主任。近年來共發表學術論文近100篇，論文總引用近4,000次。長期擔任Advanced Materials、Nature Communication、PNAS、JACS, Biomaterials、ACS Nano等雜志的審稿人。

任磊，廈門大學教授，博導。先后畢業于天津大學（學士，1990）、中國協和醫科大學（碩士，1997）和日本岡山大學（博士，2001）。2001至2003年在新加坡國立大學材料系從事博士后研究，2003年起任為廈門大學生物醫學工程研究中心副教授、廈門大學生物材料系教授。任磊教授課題組長期從事納米生物領域的研究，近十年來先后承擔和參加了科研項目20多項，包括主持國家自然科學基金項目7項等。2007年入選福建省新世紀優秀人才支持計劃。在Advanced Materials、Biomaterials等學術刊物上發表了SCI收錄論文100多篇，論文被引用1500多次。

本文由CQR編譯。

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