浙大黄飞鹤等人 Angew.：氧气响应的双功能Pt(II)金属笼用于乏氧成像和图像引导化学治疗

【背景介绍】

众所周知，细胞内氧气（O₂）是有氧呼吸所必需的，为生命系统提供代谢能量。通常，具有快速增殖和新陈代谢的组织（实体瘤等）可以摄入更多的O₂，从而导致缺氧。因此，检测和成像活细胞中的乏氧不仅对于准确的癌症诊断很重要，而且对评估治疗效果也非常有用。然而，由于生物还原，检测还原酶探针的发射是不可逆的，限制了其在可逆监测细胞内O₂水平中的进一步应用。同时，大多数磷光探针基于单磷光染料，单发射强度易被探针的浓度和其它生物条件改变，而相对缺乏准确性和可靠性。因此，开发具有多重发射和磷光特性的新型低氧探针非常重要。超分子配位化合物（SCCs）是一种依赖于金属受体和路易斯碱性有机配体的自发自组装的化合物，在模拟和研究天然超分子组装方面被广泛关注。目前，精确组装的各种Pt(II)金属杂环和金属载物，被广泛用于细胞成像等领域。因此，在低氧成像中应用Pt(II) SCCs是有希望的。

【成果简介】

近日，美国犹他大学的Peter J. Stang教授、浙江大学的黄飞鹤教授和喻国灿、天津大学的王生教授（共同通讯作者）等人报道了一种具有双重发射和磷光性质的Pt(II)-金属笼（1），及其在乏氧环境下的成像应用。作者选择Pt(II)-对-四（4-羧基苯基）卟啉钠盐（2）作为磷光配体，因为其在真空气氛中具有长寿命三重态的强红色磷光，其强度高度依赖于O₂浓度，是一种敏感的O₂探针。同时，作者利用蒽（3）作为蓝色荧光团。两个配体的组合赋予1敏感的O₂响应红色磷光和稳定的蓝色荧光。该金属笼还用于体外和体内的低氧成像。对比传统的单发射式乏氧探针，该金属笼不仅显示出可逆和敏感的O₂响应磷光，而且还通过计算红色和蓝色发射之间的比率为乏氧成像和检测提供了更可靠的标准。此外，作者还利用两亲性二嵌段共聚物包封该金属笼，以制备出稳定的纳米颗粒制剂。该纳米制剂的循环时间和肿瘤积累得到显着改善，有利于成像和治疗。体内实验表明，该材料可作为优异的肿瘤治疗剂，用于肿瘤低氧成像和化疗，可有效的抑制肿瘤生长，而副作用可忽略不计。总之，本文中的治疗性金属疗法可以为增强分子诊断和图像指导的治疗应用提供前景。研究成果以题为“Dual-Emissive Pt(II) Metallacage with Sensitive Oxygen Response for Imaging of Hypoxia and Imaging-Guided Chemotherapy”发布在国际著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上。

【图文解析】

图一、金属笼和纳米制剂的制备示意图
（a）该金属笼的制备示意图；

（b）聚合物包裹金属笼带形成纳米颗粒的示意图；

（c）乏氧响应发射的化学结构和示意图。

图二、单体化合物的化学结构表征
（a-b）化合物2、1和3的部分¹H NMR谱图；

（d）化合物1的³¹P{¹H}NMR谱图；

（e）ESI-TOF-MS的计算（红色）和实验（黑色）的化合物1光谱。

图三、单体化合物的光学表征
（a）化合物1、2和3的归一化UV-vis光谱图；

（b-c）当用氮气吹扫时，390 nm和510 nm激发化合物1的荧光光谱；

（d）在吹扫前后，测定丙酮溶液中化合物1的发射波长。

图四、纳米制剂（MNPs）的TEM图和粒径尺寸
（a）MNPs的TEM图像；

（b）MNPs的DLS结果。

图五、MNPs的细胞实验
（a）与MNPs或顺Pt孵育不同时间后，ICP-MS测定4T1细胞中Pt含量；

（b-c）在不同给药方式处理后，4T1和A549细胞的细胞存活率；

（d）正常氧或乏氧条件下，Syto 9和MNPs染色4T1细胞的CLSM图像;

（e）在正常氧或乏氧条件下，4T1细胞中红色磷光和蓝色荧光的定量发射强度。

图六、MNPs的动物实验
（a）注射MNPs和顺Pt后，血液中Pt含量与时间的关系；

（b-c）注射后,顺Pt和MNPs在体内的组织分布；

（d）注射MNPs后，不同大小的荷瘤小鼠的体内荧光图像；

（e）静脉注射MNPs 24 h后，不同大小肿瘤的瘤内Pt含量；

（f）针对HIF-1α的抗体，对不同大小肿瘤的切片进行免疫荧光染色。

图七、不同治疗方法对4T1肿瘤小鼠的效果
（a）不同治疗方法后，带有4T1肿瘤的小鼠的肿瘤体积变化；

（b）不同治疗方法对带有4T1肿瘤的小鼠的肿瘤切片进行H＆E染色；

（c-g）用不同配方处理的小鼠的ALT、AST、BUN、CREA和ALP的血液生化测试；

（h）不同治疗方法的小鼠体重变化。

【小结】

综上所述，作者制备了具有蓝色荧光和红色磷光的双发射金属笼（1）。通过NMR和MS光谱学研究了金属笼的化学结构。通过将不同的配体杂化配位在一起，使得该金属笼具有双重发射性能。在乏氧条件下，该金属笼的红色磷光增强了48倍，而真空时蓝色荧光几乎保持不变。当利用两亲性聚合物包封后，自组装形成的纳米制剂（MNPs）。此外，通过体外实验表明，利用红色磷光与稳定蓝色荧光之间的比率可以实现更准确的乏氧检测。同时，MNPs在进行肿瘤乏氧成像和化疗时，其循环时间和肿瘤积累都得到改善。总之，该金属笼作为低氧探针与化学治疗相结合，具有高灵敏度、可靠性和抗肿瘤能力。

文献链接：Dual-Emissive Pt(II) Metallacage with Sensitive Oxygen Response for Imaging of Hypoxia and Imaging-Guided Chemotherapy（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202009442）

本文由CQR编译。

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