應用于近紅外二區(qū)熒光成像引導的腫瘤手術和NIR-II光熱治療
本文要點：在近紅外-IIb窗口(1500-1700nm)發(fā)射的高量子產(chǎn)率量子點(QDs)可以提供更高的分辨率、更深的穿透深度的生物成像。然而，低腫瘤積累，快速的腎臟清除和潛在的毒性阻礙了其生物醫(yī)學應用。作者報道了一種響應腫瘤微環(huán)境的仿生病毒中空二氧化錳納米殼，在腔內裝載IR1061，并將量子點(PbS@CdS)錨定在表面，用于NIR-IIb熒光成像引導腫瘤手術和NIR-II光熱治療。這種基于量子點的納米探針可以有效地粘附在腫瘤細胞上，實現(xiàn)腫瘤組織的高效積累。細胞外弱酸環(huán)境觸發(fā)二氧化錳生物降解并釋放IR1061，可顯著描繪腫瘤邊緣，用于腫瘤手術。此外，通過NIR-II光熱效應可消除腫瘤的微轉移。
由于潛在的毒性、被動靶向效果不佳和血液循環(huán)半衰期短，腎臟清除較快等劣勢，量子點在腫瘤成像中的臨床應用受到嚴重阻礙。本文作者研發(fā)了具有核殼結構的NIR-IIb量子點(PbS@CdS，1670nm發(fā)射)，偶聯(lián)在一個中空的仿生病毒二氧化錳納米殼表面。病毒仿生納米殼具有強大的細胞膜粘附和生物降解能力。為了獲得更高的SBR，將有機探針I(yè)R1061被封裝到中空的空腔中(HvMnO2@QDs-IR1061)（Fig.2）。因此，在正常組織下，HvMnO2@QDs-IR1061中的NIR-IIb熒光信號可以通過吸收競爭誘導發(fā)射(ACIE)機制被完全猝滅。在腫瘤微環(huán)境的細胞外弱酸性條件下，pH觸發(fā)HvMnO2生物降解，控制IR1061釋放，NIR-IIb熒光恢復，可以獲得高達25.0的SBR。
圖2
制備得到量子點之后，作者仔細評估了量子點熒光的穿透深度。量子點的穿透深度明顯高于鑭系納米晶體(圖3a），SBR也更高（圖3b）,展示了量子點在1670nm發(fā)射下深層組織成像的高分辨率優(yōu)勢。然后作者測試了在808nm激光照射下量子點的光穩(wěn)定性。量子點的NIR-IIb熒光信號照射240 min下保持相同的強度，而ICG的NIR-II信號在連續(xù)照射15 min后逐漸減少(圖3c)。在PBS、血液、血清等不同的生物緩沖液中重新分散量子點后，進一步研究它的光穩(wěn)定性。所有樣品下NIR-IIb信號強度變化都可忽略（圖3d）。納米探針HvMnO2@QDs-IR1061在正常中性條件(pH=7.4)下表現(xiàn)極為穩(wěn)定，仍保持球形形態(tài)，在弱酸性緩沖液（pH=6.5）下迅速分解，孵育8h后完全坍塌（圖3e）。動態(tài)激光掃描結果檢測到，在酸緩沖處理8h后，我們的納米探針的尺寸從135nm明顯下降到10nm，表明HvMnO2對酸性腫瘤微環(huán)境具有較高的敏感性(圖3f)。酸性pH使納米探針釋放IR1061后NIR-IIb熒光隨著孵育時間的變化而逐漸恢復(圖3g，h)，使制備的HvMnO2@QDsIR1061成為腫瘤組織中良好的細胞外pH敏感量子點載體。
圖3
用4T1細胞檢測HvMnO2的細胞內化，以中空介孔二氧化硅納米顆粒(HSiO2)作為對照。如圖4a所示，HvMnO2在30 min到120 min的孵育過程中表現(xiàn)出更快的內化速度，光滑的HSiO2胞內含量更低(圖4a，c)。此外，細胞內錳的濃度在每個時間點都高于Si，進一步揭示了細胞對病毒仿生納米顆粒的有效攝取。HvMnO2可以有效地逃脫正常細胞的捕獲，特別是吞噬細胞富集網(wǎng)狀內皮系統(tǒng)(RES)，同時保持對腫瘤細胞強大的細胞內化。接下來，在1064nm激光照射下，作者評價了HvMnO2@QDs-IR1061的光熱效應。在1064nm激光照射5 min后，HvMnO2@QDs-IR1061(1 mg/mL)的溫度從21◦C顯著上升到72◦C，而HvMnO2@QDs組僅記錄到33◦C(圖4e）。即使在4個激光照射的開/關周期后，納米探針仍可保持初始光熱轉變效率(圖4f）。這歸因于IR1061的中空納米殼免受其受到光加速氧化。激光照射下的HvMnO2@QDs-IR1061可產(chǎn)生比對照組更好的殺滅細胞作用。此外，通過AnnexinV-FITC/PI檢測評估的細胞凋亡分析也證實了HvMnO2@QDs-IR1061聯(lián)合NIR-II激光照射的熱療誘導的細胞凋亡最為明顯（圖4i，j）。這些結果足以證明病毒仿生空心HvMnO2@QDs-IR1061能夠增強NIR-II光熱劑的遞送，從而實現(xiàn)有效的抗腫瘤治療。
圖4
作者繼續(xù)探索該納米探針在指導腫瘤手術上的可能性。HvMnO2@QDs和HvMnO2@QD-IR1061兩組在注射后6小時均出現(xiàn)原發(fā)腫瘤積累。在注射后18小時達到最大含量（圖5a）。切除6小時后兩組的主要器官和腫瘤的體外NIR-IIb熒光圖像顯示出完全不同的信號。HvMnO2@QDs在肝中的信號更強而HvMnO2@QD-IR1061在腫瘤中的信號更強(圖5b)。HvMnO2@QDs-IR1061中NIR-IIb熒光信號的SBR明顯高于HvMnO2@QDs治療的小鼠，表明腫瘤微環(huán)境敏感策略在成像引導的腫瘤手術中具有顯著優(yōu)勢（Fig.5c）如圖5d、e所示，在18h-20h時獲得最高的腫瘤積累和SBR（高達25.0）,腫瘤組織在18-20h達到了可忽略的肝臟保留的峰值積累，這應該作為腫瘤手術的時間窗。2小時的腫瘤保留時間應歸因于溶酶體在排出HvMnO2@QD-IR1061后持續(xù)釋放量子點。在其指導下進行腫瘤切除，術后組織中未檢測到NIR-IIb熒光(Fig5f-I、g-I、h-I)，隨后用H&E染色對3例切除的熒光手術腫瘤進行分析。如預期的那樣，注射18或20h后，正常和腫瘤組織邊界清晰，癌旁組織無腫瘤殘留，說明腫瘤被徹底切除。而注射納米探針24h后，腫瘤與正常組織之間沒有發(fā)現(xiàn)分界線(Fig.5h)，在主要腫瘤的手術切口組織中可以發(fā)現(xiàn)一些殘留的腫瘤細胞，反映了此時腫瘤輪廓線的識別失敗。20h組小鼠在手術20天后仍未發(fā)現(xiàn)腫瘤復發(fā)，但在14h和24h兩組的大多數(shù)小鼠均有腫瘤復發(fā)。
圖5
作者研究了尾靜脈注射HvMnO2@QDs-IR106118h后的體內光熱波動。研究發(fā)現(xiàn)，HvMnO2@QDs注射的對照組由于沒有裝載光熱劑，腫瘤組織幾乎沒有溫度變化。然而，HvMnO2@QDs-IR1061組在照射5 min后，溫度顯著升高至60◦C，表明其具有優(yōu)越的光熱效應(Fig.6b)。作者構建了淋巴結轉移的癌細胞模型（Fig.6c），每間隔四天進行光熱治療，HvMnO2@QDs-IR1061組的轉移腫瘤大小在18天以后是最小的(Fig.6d)。通過NIR-II區(qū)熒光檢測也能看到HvMnO2@QDs-IR1061組的腫瘤熒光逐漸減小，在第16天時幾乎不可見(Fig.6f)。HE染色也能看到IR1061組和HvMnO2@QDs-IR1061組細胞出現(xiàn)凋亡現(xiàn)象，而小鼠的重量不受影響，說明該納米探針的安全性(Fig.6g,h)。
圖6
總結：作者通過制造附有量子點的仿生病毒納米顆粒1(HvMnO2@QDs-IR1061)，用于指導NIR-IIb熒光成像下精確的腫瘤切除和有效的光熱治療。納米探針在靜脈注射后表現(xiàn)出強大的腫瘤細胞粘附。探針可響應腫瘤微環(huán)境pH發(fā)生生物降解，釋放有機探針I(yè)R1061，產(chǎn)生NIR-IIb信號，而且可勾畫出腫瘤與正常組織之間的邊界，從而幫助完全切除腫瘤。這種無機NIR-IIb造影劑沒有表現(xiàn)出器官損傷毒性、急性毒性和繁殖毒性。
參考文獻
doi.org/10.1016/j.biomaterials.2022.121636
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