中科院長春應化所Adv. Mater.：經過工程改造的近紅外熒光蛋白組件用于生物成像和治療

【引言】

近紅外（NIR）熒光成像是一個不斷發展的領域，可實現生物醫學中的高分辨率成像和診斷。由于減少了光子散射和最小的組織吸收，NIR窗口（700-1700 nm）中的熒光成像可增加組織穿透深度，并具有更好的信噪比，使其成為生物醫學應用的理想選擇。當前，NIR熒光材料主要包括量子點，鑭系元素摻雜的上轉換納米顆粒，有機小分子和基于聚合物的體系。但是，這些非類生命材料的長期毒性和免疫原性，非生物降解性以及光不穩定性限制了它們在臨床中的應用。因此，開發具有更高生物相容性和生物安全性的新型熒光團作為成像診斷工具對于生物醫學應用至關重要。

熒光蛋白（FPs），例如紅移熒光蛋白和工程單體近紅外熒光蛋白（mIFPs），由于低的光散射/背景，被證明是活生物體無創標記和全身成像的極佳候選者。通常，那些熒光團是遺傳編碼的，必須通過基因轉染進入活細胞和動物中以進行生物成像而產生。然而，由于缺乏特異性結合位點，轉染效率受到限制，并且通過該程序表達的FP不能有效地靶向腫瘤。而且，很少報道由宿主如大腸桿菌和酵母表達的FP用于直接體內生物成像。這很可能源于外源注射FP時血液蛋白酶環境中的快速光致漂白。因此，通過簡單而直接的外源性注入熒光標記物來開發穩定的FP，以實現穩定而特異性的生物成像和診斷，仍然是一個重大挑戰。

【成果簡介】

中科院長春應化所展示了一種新型的明確定義的mIFP納米組裝，其由帶正電的mIFP共軛物和陰離子羧基末端封端的聚乙二醇（PEG-COO-）鏈的靜電絡合驅動。所得的蛋白質納米顆粒具有出色的近紅外發射和光穩定性，高細胞滲透性，良好的生物相容性，并顯著改善了血液循環時間。通過單次靜脈內注射即可在腫瘤部位獲得穩定且長期的成像特性，這遠遠優于迄今為止報道的其他FP。有趣的是，mIFP組件有效地積聚在小鼠肝臟的轉移性腫瘤結節中，證實了它們的被動特異性靶向能力。此外，發現巰基鏈霉菌素的疏水抗腫瘤抗生素被有效地包封在蛋白質納米聚集體中，并且在小鼠模型中實現了有效的腫瘤治療。因此，基于mIFP的組件的開發提供了新的機會來探索生物成像和準分段治療在臨床試驗中的應用。該成果以題為“Engineered Near-Infrared Fluorescent Protein Assemblies for Robust Bioimaging and Therapeutic Applications”發表在國際著名期刊Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1.mIFP-K72-PEG納米組件的合成與表征

A）制造mIFP-K72-PEG組件的示意圖

B）mIFP-K72-PEG的TEM圖像和尺寸分布

C）mIFP-K72和mIFP-K72-PEG的發射光譜（λex= 680 nm）

D,E）血液和PBS緩沖液中的熒光mIFP-K72-PEG復合物的圖像

圖2.腫瘤異種移植的體內和體外成像

A,B）施用GFP-K72-PEG或mIFP-K72-PEG后，右后腿有腫瘤異種移植物的小鼠體內NIR熒光成像

C）體內NIR熒光成像用于在注射mIFP-K72-PEG后更早地檢測腫瘤異種移植物

D,E）切除的腫瘤異種移植物的明場和NIR熒光成像

圖3.體內和體外成像的轉移性腫瘤結節

A）對小鼠轉移性腫瘤結節成像的示意圖

B）注射mIFP-K72-PEG后，肝臟中有轉移性腫瘤結節的小鼠體內NIR熒光成像

C）來自不同組的小鼠組織的體外成像

圖4.TSR包裹的mIFP-K72-PEG納米顆粒的抗腫瘤作用研究

A）在mIFP-K72-PEG納米顆粒中的TSR封裝示意圖

B）TSR封裝的mIFP-K72-PEG納米粒子的TEM圖像和尺寸分布

C）mIFP-K72-PEG納米顆粒中TSR的釋放速率

D）用TSR封裝的mIFP-K72-PEG，原始TSR，PEG-TSR和PBS治療后右后腿有腫瘤異種移植物的小鼠的照片

E）每組治療的腫瘤體積的調查

F）治療21天后處死小鼠，分離所有腫瘤并捕獲其大小和形態

【總結】

在這個工作中，作者通過組裝帶正電的mIFP共軛物和帶負電的PEG-COO-鏈，開發了一種新型的NIR FPs納米顆粒。強大的蛋白質組件提供了誘人的功能：1）在光療窗內的近紅外激發和發射； 2）高細胞滲透性； 3）細胞毒性和生物相容性可忽略不計； 4）通過直接外源注射進行長期穩定的體內成像。這些特性與傳統的成像試劑完全不同，并且克服了依靠基因轉染和快速熒光衰減的FP生物成像的局限性。這個策略已成功用于體內追蹤皮下腫瘤異種移植和定位深處的轉移性腫瘤結節。另外，這些類型的蛋白質組裝體被用作治療診斷納米載體以有效地包封和遞送疏水性抗腫瘤藥物。由于這類蛋白質納米材料的深層滲透性，光穩定性和生物相容性，它們為生物醫學診斷和治療提供了新的機會。此外，在這種策略的啟發下，可以通過遺傳融合其他功能蛋白以用于醫學應用，輕松制造各種基于蛋白質的納米材料。

文獻鏈接：Engineered Near-Infrared Fluorescent Protein Assemblies for Robust Bioimaging and Therapeutic Applications. Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202000964.

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