Nature 子刊：近紅外二區熒光成像實現口服給藥微載體在活體胃腸道內藥物釋放的監控

【引言】

口服藥物由于其非侵入性的性質，能避免注射帶來的疼痛、不適且能減少污染等優勢使它成為目前藥物輸送中最方便的途徑。但是，多肽和蛋白等大部分生物活性藥物容易在胃腸道降解或失活。因此，口服制劑在進行臨床轉化前，其活體藥物釋放動力學及藥物載體本身的代謝情況評估極其重要。目前X射線輻射成像和核磁共振成像等這些檢測技術受限于其較低的時間和空間分辨率，無法對藥物載體和藥物釋放情況進行實時監測。因此，亟需一種非侵入性技術監測活體內藥物釋放。

【成果簡介】

最近，復旦大學張凡教授（通訊作者）課題組報道了一個新穎的基于鑭系下轉換近紅外二區的介孔微載體，能夠承受胃腸道苛刻的條件用于運載口服蛋白類藥物。重要的是，通過鑭系下轉換納米顆粒（DCNP），基于吸收競爭原理（ACIE）的新型近紅外成像檢測信號，實現了動物活體內微載體的追蹤和藥物釋放的實時半定量監測。微載體在胃腸道可以保留長達72小時，釋放量高達62%，且釋放的酶保持了大部分的生物活性。此外，微載體只有極小量（<0.1%）沉積在肝臟、脾臟和腎臟等非目標器官。該成果以“In vivo gastrointestinal drug-release monitoring through second near-infrared window fluorescent bioimaging with orally delivered microcarriers”于3月10日發表在期刊Nature Communications上。

【圖文解讀】

圖1 ACIE生物成像系統和顆粒制備流程的示意圖

(a)?利用InGaAs CCD相機通過ACIE生物成像系統跟蹤微載體運動軌跡和實時監測藥物釋放。口服后，負載BSA-NPTAT的微載體在消化道（pH=1）中幾乎無蛋白藥物的泄漏，在腸道（pH=8）中緩慢釋放，這是由于微載體外殼SSPI的去質子化。

(b) 近紅外二區介孔微載體的制備、蛋白藥物的負載和SSPI移植的流程圖。

圖2 合成微載體的結構表征

(a) SiO₂的透射電鏡圖。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (b,c) SiO2-Nd的透射電鏡圖。

(d) SiO2-Nd@SiO2的透射電鏡圖。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(e,f) SiO2-Nd@SiO2@mSiO2的透射電鏡圖。

(g) SiO2-Nd@SiO2@mSiO2-NH2的透射電鏡圖。?

(h,i) SiO2-Nd@SiO2@mSiO2-NH2@SSPI的透射電鏡圖。

(j) SiO2-Nd@SiO2@mSiO2-NH2@SSPI微載體的STEM成像圖和微載體中的Si, Gd ,C元素的EDXS元素映射圖。

圖3 ACIE方法在體外藥物釋放監測的可行性研究

(a) 分散在己烷中的10 μM DCNPs和分散在水中的 50nM NPTAT的吸收光譜圖。

(b) 730 nm激發下，微載體負載不同量的NPTAT的近紅外熒光信號圖。

(c) 730 nm和808 nm激發下，微載體負載不同量的NPTAT的近紅外熒光強度圖。

(d) 胃腸道的模擬溶液中，負載BSA-NPTAT微載體的不同時間點的藥物釋放圖。

(e,f) 不同藥物釋放時間點的微載體近紅外熒光成像圖和光學成像圖。

圖4 灌胃不同大小藥物載體的活體近紅外生物成像

(a) 口服灌胃不同大小（25, 80, 300 , 1000 nm）的顆粒后，在不同時間點的老鼠活體近紅外生物成像圖。鹽水作為陰性對照。

(b-g) 口服灌胃后，顆粒在不同器官（胃，腸，肝，脾，腎）和糞便中不同時間點的生物分布圖。

圖5 BSA的藥代動力學和微載體的毒性評估

(a) ICP和近紅外成像檢測BSA在（胃，小腸）中藥代動力學的評估結果圖。

(b) 老鼠¹²⁵I-BSA的時間與血漿濃度關系圖。

(c) 老鼠¹²⁵I-BSA的組織分布圖。

(d) 老鼠¹²⁵I-BSA的累積排泄量圖。

(e) 灌胃微載體（50mg/kg）7天后，蘇木精伊紅染色的老鼠腸道區域圖。

(f) 灌胃鹽水7天后，蘇木精伊紅染色的老鼠腸道區域圖。

圖6 活體內蛋白的釋放和活性評估

(a) 口服灌胃負載BSA–NPTAT的微載體后，在730 nm和808 nm激發下，不同時間點的活體近紅外成像圖。

(b) a圖中相應的信號曲線圖。 ? ? ? ? ? ? (c) 微載體中BSA–NPTAT在活體內的不同時間釋放量圖。

(d) 口服灌胃負載PEP–NPTAT的微載體后，在730 nm和808 nm激發下，不同時間點的活體近紅外成像圖。

(e) d圖中相應的信號曲線圖。 ? ? ? ? ? ? (f) 微載體中PEP–NPTAT在活體內的不同時間釋放量圖。

(g) 灌胃負載PEP–NPTAT的微載體和多肽探針后的活體生物成像圖。

(h) 灌胃負載PEP分子和多肽探針后的活體生物成像圖。

(i ) g圖中相應的信號曲線圖。

【展望】

利用近紅外二區熒光成像技術實現了口服給藥微載體在動物活體內胃腸道藥物釋放的實時監測，這種新的分析技術有望應用于口服藥物開發過程中藥代動力學的精準檢測，為藥物從實驗室走向臨床提供了更好地的分析檢測手段。

文獻鏈接：In vivo gastrointestinal drug-release monitoring through second near-infrared window fluorescent bioimaging with orally delivered microcarriers?(Nat. Commun. 2017, DOI: 10.1038/ncomms14702)

本文由材料人生物材料組鄧宏華供稿，材料牛編輯整理。

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