中科院长春应化所Adv. Mater.：经过工程改造的近红外荧光蛋白组件用于生物成像和治疗

【引言】

近红外（NIR）荧光成像是一个不断发展的领域，可实现生物医学中的高分辨率成像和诊断。由于减少了光子散射和最小的组织吸收，NIR窗口（700-1700 nm）中的荧光成像可增加组织穿透深度，并具有更好的信噪比，使其成为生物医学应用的理想选择。当前，NIR荧光材料主要包括量子点，镧系元素掺杂的上转换纳米颗粒，有机小分子和基于聚合物的体系。但是，这些非类生命材料的长期毒性和免疫原性，非生物降解性以及光不稳定性限制了它们在临床中的应用。因此，开发具有更高生物相容性和生物安全性的新型荧光团作为成像诊断工具对于生物医学应用至关重要。

荧光蛋白（FPs），例如红移荧光蛋白和工程单体近红外荧光蛋白（mIFPs），由于低的光散射/背景，被证明是活生物体无创标记和全身成像的极佳候选者。通常，那些荧光团是遗传编码的，必须通过基因转染进入活细胞和动物中以进行生物成像而产生。然而，由于缺乏特异性结合位点，转染效率受到限制，并且通过该程序表达的FP不能有效地靶向肿瘤。而且，很少报道由宿主如大肠杆菌和酵母表达的FP用于直接体内生物成像。这很可能源于外源注射FP时血液蛋白酶环境中的快速光致漂白。因此，通过简单而直接的外源性注入荧光标记物来开发稳定的FP，以实现稳定而特异性的生物成像和诊断，仍然是一个重大挑战。

【成果简介】

中科院长春应化所展示了一种新型的明确定义的mIFP纳米组装，其由带正电的mIFP共轭物和阴离子羧基末端封端的聚乙二醇（PEG-COO-）链的静电络合驱动。所得的蛋白质纳米颗粒具有出色的近红外发射和光稳定性，高细胞渗透性，良好的生物相容性，并显着改善了血液循环时间。通过单次静脉内注射即可在肿瘤部位获得稳定且长期的成像特性，这远远优于迄今为止报道的其他FP。有趣的是，mIFP组件有效地积聚在小鼠肝脏的转移性肿瘤结节中，证实了它们的被动特异性靶向能力。此外，发现巯基链霉菌素的疏水抗肿瘤抗生素被有效地包封在蛋白质纳米聚集体中，并且在小鼠模型中实现了有效的肿瘤治疗。因此，基于mIFP的组件的开发提供了新的机会来探索生物成像和准分段治疗在临床试验中的应用。该成果以题为“Engineered Near-Infrared Fluorescent Protein Assemblies for Robust Bioimaging and Therapeutic Applications”发表在国际著名期刊Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1.mIFP-K72-PEG纳米组件的合成与表征

A）制造mIFP-K72-PEG组件的示意图

B）mIFP-K72-PEG的TEM图像和尺寸分布

C）mIFP-K72和mIFP-K72-PEG的发射光谱（λex= 680 nm）

D,E）血液和PBS缓冲液中的荧光mIFP-K72-PEG复合物的图像

图2.肿瘤异种移植的体内和体外成像

A,B）施用GFP-K72-PEG或mIFP-K72-PEG后，右后腿有肿瘤异种移植物的小鼠体内NIR荧光成像

C）体内NIR荧光成像用于在注射mIFP-K72-PEG后更早地检测肿瘤异种移植物

D,E）切除的肿瘤异种移植物的明场和NIR荧光成像

图3.体内和体外成像的转移性肿瘤结节

A）对小鼠转移性肿瘤结节成像的示意图

B）注射mIFP-K72-PEG后，肝脏中有转移性肿瘤结节的小鼠体内NIR荧光成像

C）来自不同组的小鼠组织的体外成像

图4.TSR包裹的mIFP-K72-PEG纳米颗粒的抗肿瘤作用研究

A）在mIFP-K72-PEG纳米颗粒中的TSR封装示意图

B）TSR封装的mIFP-K72-PEG纳米粒子的TEM图像和尺寸分布

C）mIFP-K72-PEG纳米颗粒中TSR的释放速率

D）用TSR封装的mIFP-K72-PEG，原始TSR，PEG-TSR和PBS治疗后右后腿有肿瘤异种移植物的小鼠的照片

E）每组治疗的肿瘤体积的调查

F）治疗21天后处死小鼠，分离所有肿瘤并捕获其大小和形态

【总结】

在这个工作中，作者通过组装带正电的mIFP共轭物和带负电的PEG-COO-链，开发了一种新型的NIR FPs纳米颗粒。强大的蛋白质组件提供了诱人的功能：1）在光疗窗内的近红外激发和发射； 2）高细胞渗透性； 3）细胞毒性和生物相容性可忽略不计； 4）通过直接外源注射进行长期稳定的体内成像。这些特性与传统的成像试剂完全不同，并且克服了依靠基因转染和快速荧光衰减的FP生物成像的局限性。这个策略已成功用于体内追踪皮下肿瘤异种移植和定位深处的转移性肿瘤结节。另外，这些类型的蛋白质组装体被用作治疗诊断纳米载体以有效地包封和递送疏水性抗肿瘤药物。由于这类蛋白质纳米材料的深层渗透性，光稳定性和生物相容性，它们为生物医学诊断和治疗提供了新的机会。此外，在这种策略的启发下，可以通过遗传融合其他功能蛋白以用于医学应用，轻松制造各种基于蛋白质的纳米材料。

文献链接：Engineered Near-Infrared Fluorescent Protein Assemblies for Robust Bioimaging and Therapeutic Applications. Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202000964.

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