Adv. Mater. CsxWO3納米棒作為一種多功能納米材料用于雙模態成像引導的光熱/光動力療法治療腫瘤

【引言】

將多模態成像和治療相結合的可激活矯治術已經引起了生物醫學應用領域的廣泛關注，這是因為通過多模態成像實現的協同作用可以提供高度互補和更準確的信息，使我們能夠更好地跟蹤感興趣區域中涉及的生理和病理過程以及分析治療功效。在各種多模態成像技術中，X射線計算機斷層攝影（CT）/光聲成像斷層攝影（PAT）的雙重成像模態在疾病精確的診斷中引起了人們的興趣。原因在于CT成像在3D全身圖像和深部組織穿透中具有優勢，而PAT具有高空間分辨率，非侵入性，深穿透和精確定量的特點，同時具有在手術中引導大塊腫瘤切除的能力。因此，CT/PAT的組合不僅提供關于結構（CT）以及病理生理狀態（PAT）的豐富信息，而且還允許我們闡明治療后藥物在腫瘤中的逐漸積累無論腫瘤局部施用或靜脈全身施用。另外，PD已被證明對于腫瘤的富氧部分（即外部）是有效的，但是由于組織氧的耗盡，治療時間的過去，治療惡化嚴重。PT消融由于熱積聚而對于腫瘤的內部是高效的，但PT在大血管附近熱沉有低效率的風險。因此，并入PD和PT治療將產生協同作用，改善治療結果。總而言之，這將為多模態癌癥成像和治療提供了一個獨特的機會。

【成果簡介】

近日，來自哈爾濱工業大學的劉紹琴（通訊作者）和果崇申（通訊作者）課題組開發了一種基于Cs_xWO₃的“四合一”多功能治療劑，用于CT/PAT雙成像引導PT/PD雙合療法治療腫瘤。Cs_xWO₃?NR@PEM系統在NIR區域具有強的光吸收，并且對惡性HeLa細胞和正常細胞都表現出優異的生物相容性。體內研究表明Cs_xWO₃?NR@PEM有望作為有前途的造影劑用于腫瘤或深部組織的CT和PAT成像。此外，體外和體內研究證明其作為新型光熱和光動力劑有著巨大優勢以用于NIR誘導的PT/PD消融治療腫瘤，這是由于它們顯著的光熱轉化效率以及它們對單線態氧形成極為敏感的結果。令人印象深刻的是，在880或1064nm激光（2W cm^-2，10分鐘）的照射下，在Cs_xWO₃?NR@PEM施用組（5mg kg^-1的Cs_xWO₃?NR@PEM）中成功地實現了腫瘤的完全消融。此外，在實驗過程中，Cs_xWO₃?NR@PEM對被治療小鼠的主要器官沒有產生明顯的毒性。

【圖文導讀】

圖1 Cs_xWO₃?NRs的制備，表面改性及相應的材料學表征

a）Cs_xWO₃?NRs的TEM圖像和EDS映射圖像（插圖顯示Cs_xWO₃?NR的尺寸分布）

b）Cs_xWO₃?NRs上的表面改性方案和分散在含有10％胎牛血清（v/v）的培養基中的Cs_xWO₃?NRs和Cs_xWO₃?NR @PEMs的照片。

c）Cs_xWO₃?NR @PEM的TEM圖像（插圖顯示了Cs_xWO₃?NR @PEM的尺寸分布）

d）Cs_xWO₃?NRs和Cs_xWO₃?NR @PEM的xRD圖譜（JCPDS No.831334作為參考）

e）在Cs_xWO₃?NR @PEM的W 4f核心水平上的擬合xPS光譜

f）具有不同濃度的Cs_xWO₃?NR @PEM水性懸浮液的吸收光譜以及相應濃度和吸光度之間的線性擬合（插圖：頂部曲線表示在1064nm處的吸收強度，底部曲線表示在880nm處的吸收強度）

圖2?Cs_xWO₃?NR @PEM的水性懸浮液的激光誘導熱產生的評價

a，b）NIR激光誘導的Cs_xWO₃?NR @PEM水溶液的熱產生（功率密度為2W cm^-2）：a）880nm和b）1064nm

c）10分鐘照射時間內溫度變化（ΔT）對Cs_xWO₃?NR @PEM濃度的曲線

d）不同濃度的Cs_xWO₃?NR @PEM溶液的PAT信號

e）880nm激發下Cs_xWO₃?NR @PEM的PAT信號對濃度的曲線（插圖：分散在蒸餾水中具有不同濃度的Cs_xWO₃?NR @PEM的體外PAT圖像）

f）Cs_xWO₃?NR @PEM和商業碘海醇的HU值對濃度的曲線（插圖：分散在鹽水中不同濃度的Cs_xWO₃?NR @PEM（頂線）和商業碘海醇（底線）的體外CT圖像）

圖3?體內CT和PAT成像

a）腫瘤內注射分散在鹽水中的Cs_xWO₃?NR @PEM（4mg/mL，50μL）之前和之后的小鼠的CT圖像。CT對比在小鼠腫瘤中顯著增強（紅色虛線圓圈）

b）腫瘤內注射50μL?Cs_xWO₃?NR @PEM（2mg mL^-1）之前和之后不同時間的攜帶HeLa腫瘤的小鼠體內PAT圖像（腫瘤部位標有紅色虛線圈）

圖4?Cs_xWO₃?NR @PEM對HeLa細胞的體外PT/PD治療效果

a-f）激光照射后用Cs_xWO₃?NR @PEM（250μg/mL）培養24小時的HeLa細胞的鈣黃綠素AM（活細胞，綠色熒光）和PI（死細胞，紅色熒光）共染色熒光圖像

圖5?通過NIR光觸發Cs_xWO₃?NR @PEM檢測單線態氧的產生

a）不同照射時間下加入熒光探針后Cs_xWO₃?NR @PEM溶液的吸收光譜

b）具有熒光探針的Cs_xWO₃?NR @PEM在10分鐘照射下的ESR光譜

c）在激光照射后用Cs_xWO₃?NR @PEM（250μg/mL）培養24小時的HeLa細胞中活性氧（ROS）產生的熒光圖像（NIR激光：2W cm^-2,10分鐘;?綠光發射來自ROS指示器H2DCFDA；比例尺：200μm）

d）在不同處理（僅PD組，僅PT組和PD / PT組合組）下，用Cs_xWO₃?NR @PEM（250μg/mL）培養24小時（照射時間：10分鐘）后HeLa細胞的相對活性

圖6?體內PT/PD治療

a）在880或1064nm NIR激光輻射下注射Cs_xWO₃?NR @PEM后，攜帶HeLa腫瘤的小鼠的紅外熱圖像；在880和1064nm處，注入的Cs_xWO₃?NR @PEM的吸光度分別為2.322和3.620

b）在激光照射期間由IR熱像儀在不同組上監測的腫瘤的溫度變化

c，d）各種處理后不同時間點的小鼠腫瘤體積和小鼠體重的定量測量（黑色：對照；紅色：僅Cs_xWO₃?NR @PEM；綠色：NIR 880；藍色：NIR 1064；青色：Cs_xWO₃?NR @PEM?/ NIR 880nm 5分鐘；洋紅色：Cs_xWO₃?NR @PEM?/ NIR 1064nm 5分鐘；紫色：Cs_xWO₃?NR @PEM?/ NIR 880nm 10分鐘；深黃色：Cs_xWO₃?NR @PEM / NIR 1064nm 10分鐘）

e）14天處理后帶有HeLa腫瘤的小鼠和腫瘤的具有代表性照片

f）14天處理后（紅色箭頭：壞死細胞增多；藍色箭頭：凋亡）從不同組的小鼠收集的腫瘤切片的組織學染色

【小結】

涂覆聚電解質多層膜的Cs_xWO₃納米棒被開發以用于雙模成像（x射線計算機斷層攝影（CT）/光聲成像斷層攝影（PAT））引導的光熱/光動力療法治療腫瘤，是一種具有顯著潛力的“四合一”多功能納米材料。由于CT（3D全身）和PAT（高空間分辨率）成像以及PT（腫瘤內部）和PD（腫瘤外部）治療的互補功能，Cs_xWO₃NR@PEM系統將為未來生物成像和腫瘤治療開創簡單通用的解決方案的途徑。

文獻鏈接：Cs_xWO₃?Nanorods Coated with Polyelectrolyte Multilayers as a Multifunctional Nanomaterial for Bimodal Imaging-Guided PhotothermalPhotodynamic Cancer Treatment（Adv. Mater.,2016, DOI: 10.1002/adma.201604157）

本文由材料人編輯部生物材料小組陳鑫整理編譯，點我加入材料人編輯部。

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