中科院深圳先進技術研究院Adv. Mater.:托珠單抗共軛聚合物納米粒子用于NIR-II光聲成像介導的類風濕性關節炎的治療

【背景介紹】

類風濕性關節炎（RA）是一種隱匿的自身免疫性關節炎性疾病，其直接病因目前尚不清楚。類風濕性關節炎的特點是持續性滑膜炎和軟骨以及骨的漸進性破壞，導致周圍關節對稱性疼痛、發紅和腫脹，在某些情況下會導致永久性殘疾。不幸的是，在這種疾病的早期，患者的癥狀與其他形式的炎癥性多關節炎相似，因此早期診斷和治療是一個重大挑戰。在臨床實踐中，目前的診斷方法需要血清學檢查和使用常規成像方式，如關節造影、肌肉骨骼超聲和磁共振成像。而這些血清學方法費時，且經常會出現假陽性。此外，這些成像方式的低靈敏度限制了它們在類風濕關節炎后期觀察關節結構變化的用途，不適合監測治療進展。近紅外（NIR）熒光成像技術已成為RA早期診斷的一種有效方法。與前面提到的成像方式相比，這種技術可以通過熒光檢測特定的類風濕關節炎生物標志物來提供關節的特定病理生理信息。然而，熒光成像有限的組織穿透深度阻礙了獲得完整診斷信息的能力。因此，發展一種能夠在大成像深度獲得特定分子信息的成像方式對類風濕關節炎的診斷是非常必要的。

NIR-II（1000-1700nm）光聲（PA）分子成像（PMI）是一種新興的無創診斷方法，具有高信噪比（SNR）、大成像深度和高靈敏度。與傳統光學成像方式相比，NIR-II PMI具有許多顯著的優勢。而觀察到的PA信號是由分子在短脈沖激光照射下吸收光而產生的。由于聲波在生物組織中的散射遠小于光的散射，這種成像策略克服了常見的光學擴散限制。與在NIR-I區域（650-900 nm）中使用激發波長相比，NIR-II區域（1000-1700 nm）顯著減少了光散射和衰減，且來自內源性生色團和組織（如血紅蛋白、黑色素、脂肪和組織液）的背景干擾最小。近年來，美國和其他國家的研究表明，NIR-II PMI具有較高的信噪比、靈敏度和良好的深度穿透能力，可用于腦血管脈絡和原位肝細胞癌等疾病的診斷。然而，迄今為止，RA靶向NIR-II PMI仍然是一個有待開發的領域，主要原因在于：1）與腫瘤相比，RA關節具有更復雜的組織環境，例如，RA關節除了內源性發色團外，還有軟骨和骨組織，需要更深入的成像穿透；2）RA關節有關節腔，生物相容性低的材料容易停滯，導致更嚴重的關節損傷。目前的NIR-II探針范圍從無機材料、小分子染料到共軛聚合物基材料。長期使用無機材料的安全性問題限制了其發展，小分子染料表現出較強的NIR-II吸收和良好的生物相容性，但其光穩定性較差。有機共軛高分子材料由于具有較強的NIR-II吸收、高的光穩定性和良好的生物相容性，正逐漸成為PA診斷的候選材料。

【成果簡介】

最近，中國科學院深圳先進技術研究院劉成波副研究員、張鵬研究員和南開大學丁丹研究員團隊合作報道了一種用于NIR-II光聲成像介導治療類風濕性關節炎的托珠單抗共軛聚合物納米粒子。作者通過把抗風濕靶向藥物托珠單抗（TCZ）與聚合物納米粒子（PNPs）結合，開發了第一例用于光聲（PA）成像介導治療類風濕關節炎（RA）的NIR-II治療納米平臺TCZ-PNPs。實驗研究表明，TCZ-PNPs具有較強的NIR-II消光系數、高的光穩定性和良好的生物相容性。NIR-IIPMI的結果顯示TCZ-PNPs具有良好的靶向性，在3D-PA斷層圖像中具有35.8dB的高信噪比。同時，經一個月的治療和TCZ-PNPs監測PA顯示RA被顯著抑制。此外，NIR-II-PMI對RA小鼠的治療評價與臨床micro-CT和組織學分析一致。作者認為，TCZ PNP輔助的NIR-II PMI為RA治療、治療監測等提供了新的策略。相關成果以“Tocilizumab-Conjugated Polymer Nanoparticles for NIR-II Photoacoustic-Imaging-Guided Therapy of Rheumatoid Arthritis”發表于Adv. Mater.期刊上。

【圖文導讀】

圖一

（a）TCZ-PNPs用于NIR-II光聲成像和1064 nm激光治療RA模型小鼠的示意圖；

（b）TCZ-PNPs的TEM圖像；

（c）水溶液中TCZ-PNPs的DLS測定；

（d）PBDTBBT在CHCl₃溶液中的歸一化UV-vis-NIR吸收光譜和TCZ-PNPs在水中的標準化吸收光譜。插圖顯示了PBDTBBT在CHCl₃溶液中的照片（i）和在水中制備的TCZ PNPs（ii）。

圖二、TCZ-PNPs的NIR-IIPA特性

（a）TCZ-PNPs的PA譜；

（b、c）用800、1064和1200 nm波長脈沖激光對1.5 cm雞胸下不同濃度TCZ-PNPs的照片和掃描PA圖像進行分析；

（d）該圖對應于（c）中的紅色虛線；

（e）不同濃度TCZ-PNPs在1.5 cm雞胸下不同濃度激光激發PA強度的統計結果；

（f）（c）中不同濃度TCZ-PNPs PA圖像的信噪比比較；

（g）在1064 nm激發時，PA強度與TCZ-PNPs濃度的函數關系。插圖顯示了不同濃度TCZ-PNPs水溶液在1064 nm激發下的PA圖像；

（h）1064 nm脈沖激光激發5 min后PA強度的變化；

（i）A/A₀與不同輻照時間的關系圖。A和A₀分別是ICG和TCZ-PNPs在連續激光照射前后808 nm和1064 nm處的最大近紅外吸收強度。

圖三

（a）RA誘導和PA成像實驗計劃流程圖；

（b）正常組和RA模型組前爪圖像；

（c）免疫小鼠兩次免疫后的臨床評分；

（d）分別在800、1064和1200 nm波長脈沖激光照射下前爪的最大振幅投影（MAP）圖像和對應的統計PA強度；

（f、g）f）繪制PA/US圖像和g）正常組、RA模型組和RA模型組前爪相應的PA強度統計值；

（h、i）靜脈注射TCZ-PNPs后RA模型足的B超圖像。

圖四、類風濕關節炎的體內PMI監測與治療

（a）治療和診斷的實驗計劃；

（b、c）第一次免疫后第27天、第42天和第57天，正常和TCZ-PNPs治療RA模型組前爪的照片和PA圖像；

（d、e）第一次免疫后第27天、第42天和第57天，正常組和TCZ-PNPs治療組前爪MAP PA（d）和B掃描PA（e）強度的統計結果；

（f）第一次免疫后第27天、第42天和第57天，正常組和TCZ-PNPs治療組的前爪厚度。

?圖五

（a、b）正常組、生理鹽水組、TCZ組、PNPs組和TCZ-PNP治療組第57天前爪有代表性的MAP-PA圖像及相應的統計數據；

（c、d）正常組、生理鹽水組、TCZ組、PNPs組和TCZ-PNPs治療組第57天前爪的典型顯微CT圖像和骨密度；

（e、f）正常組、生理鹽水組、TCZ組、PNPs組和TCZ-PNPs治療組在第57天有代表性的H&e染色圖像和組織學評分；

（g，h）正常組、生理鹽水組、TCZ組、PNPs組和TCZ-PNPs治療組第57天的代表性番紅-o染色圖像和軟骨含量。

【小結】

綜上所述，作者開發了一種基于TCZ的共軛聚合物納米粒子TCZ-PNPs，并將其用于RA的診斷和治療監測。作者首先將具有RA治療和靶向功能的單克隆抗體tocilizumab（TCZ）與PNPs偶聯，制備了用于RA靶向并行成像和治療的集成的TCZPNPs。同時，作者采用膠原誘導關節炎（CIA）動物模型進行RA的體內診斷。由于TCZ-PNPs具有良好的光生理穩定性、大的吸收系數、良好的生物相容性和理想的PA特性，可以在體內進行深部組織PA成像。作者通過結合定制的PA三維斷層成像儀，實現了NIR-II PA分子成像引導下的RA治療，其具有高靈敏度、高特異性和高信噪比。經過長時間的治療和使用大樣本量（40只小鼠）的TCZ-PNPs對RA進行治療和NIR-II 3D-PA監測可以顯著抑制RA。此外，作者發現TCZ-PNPs具有較高的炎癥特異性，在鑒別早期類風濕關節炎與其他炎癥性疾病方面有很大優勢。在對RA關節組織進行NIR-II PMI顯示，可以清楚地顯示腫脹和軟骨組織，這表明其在無創監測RA疾病進展方面的診斷潛力。進一步的TCZ-PNPs診斷結果均經臨床應用的顯微CT成像和組織學分析證實：TCZ-PNPs克服了單抗藥代動力學差的缺點，顯示出比游離TCZ更有效的治療效果。治療1個月后，小鼠RA組織出現超低PA強度，與正常小鼠的PA強度相當。最重要的是，這是第一例使用NIR-II PMI同時診斷和治療監測RA的例子。因此，作者認為TCZ-PNPs在未來的臨床轉化中具有重要的應用潛力。

文獻鏈接：Tocilizumab‐Conjugated Polymer Nanoparticles for NIR‐II Photoacoustic‐Imaging‐Guided Therapy of Rheumatoid Arthritis（Adv. Mater. 2020, 2003399）

本文由我亦是行人編譯。

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