国家纳米科学中心ACS Nano: 一种可拓展的星形纳米平台，用于功能和解剖学成像指导的肿瘤光热治疗

【背景介绍】

恶性肿瘤作为全球第二大死亡原因，已经成为最主要的公共卫生安全威胁之一。多模态成像可以提供肿瘤的解剖学、病理学和分子学等互补信息，在准确诊断、指导治疗干预、药物示踪和监测治疗反应方面有着良好的前景。X射线计算机断层扫描（CT）是一种高分辨率、无深度限制、可三维重建的成像系统。磁共振成像（MRI）可以提供清晰的软组织结构，具有良好的空间分辨率。光声成像（PAI）是一种新兴的、基于光声效应的成像方式，具有较高的空间分辨率和实时监测能力。与这些结构成像方式相比，可激活近红外荧光成像（NIRFI）是一种非常理想的功能成像方法，经合理设计能够以低成本、高特异、高灵敏的方式，实现特定分子表达和活性的可视化并用于病理检测。由于单一模式不足以提供所有需要的信息，通过将CT、MRI、PAI和NIRF等多种成像模式相结合，整合其各自的优势，提供互补的功能和解剖学信息，可以更好地达到肿瘤准确诊断的目的。近年来，基于纳米材料的多模态成像平台引起了广泛的关注，其中兼具成像与治疗特性的纳米材料尤具吸引力。目前已有的多模态纳米诊疗平台多采取将所有元素简单整合的“一体化”策略，但构成复杂、合成困难、稳定性差和潜在的安全等问题极大地限制了这些纳米平台更为广泛的生物医学应用。

【成果简介】

最近，国家纳米科学中心赵宇亮、聂广军，李一叶研究员团队合作报道了一种可拓展的星形纳米平台，并将其用于功能和解剖学成像指导的肿瘤光热治疗。作者基于聚多巴胺包覆星形金纳米粒（GNS@PDA），设计了一个简单而功能强大并易于多种功能拓展的纳米诊疗平台，实现了功能和解剖成像指导的肿瘤光热治疗。该纳米平台支持CT/ PAI /双光子荧光/热红外四模态成像，并能进一步拓展成纤维细胞活化蛋白（FAP）激活的NIRFI以及基于Fe³⁺的MRI进行肿瘤综合诊断。此外，GNS@PDA具有良好的光热性能，可在肿瘤组织高效富集。在多模态成像的精确指导下，GNS@PDA在异种移植小鼠肿瘤模型中实现了对实体瘤(∼200 mm³)的光热消融。该研究发展的可拓展纳米平台有望用于癌症的多模态诊疗。相关成果以“An Extendable Star-Like Nanoplatform for Functional and Anatomical Imaging-Guided Photothermal Oncotherapy”发表于知名学术期刊ACS Nano。

【图文摘要】

功能和解剖学成像指导的可拓展肿瘤纳米诊疗平台
（a）GNS@PDA纳米平台的构建与功能拓展;

（b）基于GNS @ PDA纳米诊疗平台用于近红外荧光（NIRF）、光声（PA）、磁共振（MR）、计算机断层扫描（CT）、双光子发光（TPL）和热红外（ IRT）成像指导的肿瘤光热治疗（PTT）。

【图文导读】

图一、纳米平台的表征和体外NIRF激活
（a）GNS@PDA的TEM图。标尺：100 μm。插图为放大图，标尺：20 μm；

（b）Cy7肽、GNS@PDA和GNS@PDA-Cy7溶液的紫外-可见吸收光谱；

（c）GNS@PDA、GNS@PDA-Cy7和Cy7肽溶液的明场和NIRF图；

（d）Cy7肽、GNS@PDA、GNS@PDA-Cy7溶液的NIRF发射光谱；

（e）与HPNE或Mia-paca-2细胞孵育6 h后，GNS@PDA-Cy7的NIRF发射光谱;

（f）与Mia-paca-2细胞共孵育不同时间后，GNS@PDA-Cy7的NIRF发射光谱。插图为上清液的NIRF图像；

（g）与GNS@PDA-Cy7共孵育不同时间后，Miapaca-2细胞的流式细胞分析结果；

（h）与GNS@PDA-Cy7共孵育不同时间后，Mia-paca-2细胞平均荧光强度（MFI）；

（i）与GNS@PDA-Cy7共孵育后，不同数量Mia-paca-2细胞的NIRF发射光谱。E_x = 740 nm。

图二、纳米平台的光热特性
（a）近红外激光（808 nm，1.4 W/cm²）照射后，GNS@PDA（0~100 μg /mL）的温度变化；

（b）激光辐照过程中GNS@PDA的红外热图；

（c）不同光功率密度（0.7 W/cm²，1.4 W/cm²，2.8 W/cm²）近红外激光照射下，GNS@PDA的温度变化；

（d）GNS@PDA的升温和冷却曲线；

（e）冷却时间与温度差的负自然对数关系图；

（f）三个激光辐照开/关循环内，GNS@PDA和GNS-PEG的温度变化。

图三、纳米平台的体外光热治疗
（a）Mia-paca-2细胞经GNS@PDA或GNS-PEG处理后的双光子发光（TPL）图。标尺：20 μm；

（b）光热治疗后，Mia-paca-2细胞经钙黄绿素（AM，绿色）和碘化丙啶（PI，红色）染色的荧光图。标尺：100 μm；

（c）激光照射后，GNS@PDA或GNS-PEG对Mia-paca-2细胞的光热杀伤；

（d）GNS@PDA或GNS-PEG穿透Mia-paca-2细胞球（Mia-SS）的TPL图像；

（e）激光照射后，PI染色的Mia-SS荧光图及其三维重建图。标尺：100 μm。

图四、纳米平台的体内解剖学（CT/PA/MR）和功能（NIRF）成像
（a）瘤内注射GNS@PDA前后荷瘤小鼠的三维重建CT成像；

（b）静脉注射GNS@PDA或GNS-PEG后，荷瘤小鼠的PA成像；

（c）肿瘤部位PA强度的定量分析；

（d）静脉注射GNS@PDA-Fe后，荷瘤小鼠的MR成像；

（e）静脉注射生理盐水（左鼠）或GNS@PDA-Cy7（右鼠）后，荷瘤小鼠的NIRF成像；

（f）静脉注射后，肿瘤部位荧光强度的定量分析；

（g）静脉注射GNS@PDA-Cy7后，小鼠肿瘤及主要器官的离体NIRF成像；

（h）小鼠离体肿瘤和主要器官的荧光强度定量分析。

图五、纳米平台的体内光热治疗
（a）注射GNS@PDA或GNS-PEG 6小时后，荷瘤小鼠在激光照射（808 nm, 1.4 W/cm²）过程中的体内热红外成像（IRT）；

（b）激光照射时肿瘤区域的温度变化;

（c）肿瘤生长曲线；

（d）不同实验组的离体肿瘤照片；

（e）不同实验组的肿瘤质量分析；

（f）小鼠肿瘤切片的H&E染色图。

【小结】

综上所述，作者成功地制备了一个基于GNS@PDA的多功能纳米平台。该平台具有固有的CT/PA/TPL/IRT和可拓展的FAP激活NIRF以及基于Fe³⁺的MR成像功能，能够用于癌症的精确诊疗。CT、PA和MR成像显示了详细的肿瘤位置信息，TPL成像验证了GNS@PDA的有效摄取和体内分布，NIRF成像的激活提供了肿瘤的病理信息，IRT成像实时展示了PTT过程中的治疗效应。基于GNS@PDA的精确成像指导和显著热疗效果，仅单次治疗就实现了对肿瘤具有良好耐受的均匀光热消融。上述结果证实了GNS@PDA作为可拓展多功能纳米诊疗平台的良好临床转化潜力。鉴于成像相关金属离子以及肿瘤相关蛋白酶特异性底物的可替换性及多样性，作者认为该工作对于进一步探索基于GNS@PDA的纳米诊疗以及功能和解剖学成像指导的PTT具有重要的借鉴意义。

文献链接：An Extendable Star-Like Nanoplatform for Functional and Anatomical Imaging-Guided Photothermal Oncotherapy（ACS Nano. 2019. DOI：10.1021/acsnano.8b09607）

本文由材料人高生组我亦是行人编译，材料人整理。

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu.