研究背景

有機半導體納米材料(SPN)具有生物惰性以及吸收截面大、光熱轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，已被廣泛用于熒光和光聲成像及光熱和光動力治療等領(lǐng)域。然而，人工合成的SPN易被機體免疫系統(tǒng)識別清除、體內(nèi)循環(huán)時間短，導致其在腫瘤部位富集較少；此外，腫瘤部位滲透深度不夠以及代謝速度較慢導致的潛在生物毒性也是限制包括SPN在內(nèi)的眾多納米材料臨床轉(zhuǎn)化的一大難題。源于紅細胞優(yōu)異的體內(nèi)長循環(huán)能力，以及超小尺寸顆粒在體內(nèi)快速代謝和腫瘤深部浸潤滲透的能力，我們將兩者結(jié)合，設(shè)計一種尺寸超小、表面“偽裝”有紅細胞膜的SPN納米探針，實現(xiàn)了腫瘤部位高效光聲成像和光熱治療。

RBC Membrane Camouflaged Semiconducting Polymer Nanoparticles for Near-Infrared Photoacoustic Imaging and Photothermal Therapy

Dongye Zheng#,Peiwen Yu#, Zuwu Wei, Cheng Zhong, Ming Wu*, Xiaolong Liu*

Nano?Micro Lett.(2020) 12:94

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00429-x

本文亮點

1.?合成了紅細胞膜(RBCM)包覆的具有窄帶隙、尺寸小的D-A型半導體聚合物納米顆粒(SPN@RBCM)用于腫瘤的光聲成像和光熱治療。

2.?D-A型結(jié)構(gòu)使SPN具有優(yōu)異的近紅外吸收能力、較高的光熱轉(zhuǎn)換能力和良好的光熱穩(wěn)定性。3.?RBCM的包覆提高了SPN生物相容性、延長了其血液循環(huán)、增加了其在腫瘤的累積。

4.?超小尺寸這一特性賦予了SPN較深的腫瘤穿透能力和被快速清除體外的能力。

內(nèi)容簡介

福建醫(yī)科大學孟超肝膽醫(yī)院吳名、劉小龍團隊基于D-A型有機半導體聚合物(SPN)優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率和光熱穩(wěn)定性，開發(fā)了一種紅細胞包覆、尺寸超小(＜5 nm)、適用于腫瘤光聲成像和光熱治療的新型診療一體化納米探針(SPN@RBCM)。紅細胞膜的包覆能避免納米探針被巨噬細胞吞噬、延長了納米探針在體內(nèi)的循環(huán)時間、增加了在腫瘤部位的富集；超小尺寸特性促進了納米探針向腫瘤深部滲透，并加快了納米探針在機體內(nèi)的代謝、降低了其潛在毒性。借助表面紅細胞膜包覆和自身小尺寸效應，納米探針經(jīng)尾靜脈注射入小鼠體內(nèi)，可發(fā)揮良好的光聲成像和光熱治療效果。

圖文導讀

I?SPN@RBCM的表征

通過納米共沉淀法合成半導體聚合物納米顆粒(SPN)，取健康小鼠的外周血全血制備紅細胞的細胞膜(RBCM)，隨后將兩者按照比例(RBCM：SPN=1：5，質(zhì)量比)混勻后，利用擠膜器從大到小依次通過400 nm，200 nm ，100 nm的濾膜擠壓得到超小的SPN@RBCM。分子模擬計算D-A型有機半導體材料的能級為1.75 eV(圖1A)，與吸收光譜結(jié)果相符，證實該材料具有近紅外光吸收能力，最大吸收峰為840 nm。TEM圖像表明SPN呈均勻的球形分布，大小約為2-5 nm，右上角局部放大衍射條紋進一步驗證了其類似量子點晶體結(jié)構(gòu)(圖1B)。通過包膜前后SPN表面電位的變化以及考馬斯亮藍染色證實了紅細胞膜成功包覆在SPN表面(圖1C)。

圖1.?SPN@RBCM的體外表征。(A) SP二聚體的DFT模擬計算能級；(B) SPN的TEM圖像；(C) SPN@RBCM的SDS-PAGE圖。

II?SPN@RBCM溶液的光熱性能研究

利用SPN@RBCM具有較強的近紅外吸收能力，在體外溶液水平探索了其光熱轉(zhuǎn)換能力。在808nm(0.8 W/cm2)光照下，SPN@RBCM溶液濃度為60 μg/mL時，光照1000 s后溶液溫度從22 ℃上升到 58 ℃(圖2A、B)。根據(jù)其升溫-降溫曲線以及降溫部分獲得的時間與-ln θ的線性關(guān)系，在808 nm(0.8 W /cm2)激光的照射下，SPN@RBCM的光熱轉(zhuǎn)換效率為59.01%(圖2C、D)。通過與臨床批準的ICG進行對比證實SPN@RBCM有著良好的光熱穩(wěn)定性以及抗光漂白的能力(圖2E、F)。同時隨著SPN@RBCM溶液濃度的升高光聲信號逐漸增強且有著良好的線性關(guān)系(圖2G、H)。

圖2.?SPN@RBCM溶液光熱性能以及光聲成像的表征。(A, B) 808 nm(0.8 W/cm2)激光照射1000 s，不同濃度的SPN@RBCM溶液的升溫曲線及熱成像圖；(C, D) SPN@RBCM的光熱轉(zhuǎn)換效率；(E) SPN@RBCM與ICG的光熱循環(huán)曲線；(F) SPN@RBCM與ICG光照不同時間后的紫外吸收；(G)不同濃度SPN@RBCM溶液的PA圖像；(H) PA信號與SPN@RBCM濃度的線性關(guān)系圖。

III?SPN@RBCM體內(nèi)分布、代謝、瘤內(nèi)滲透效果

構(gòu)建4T1荷瘤小鼠模型，納米探針通過靜脈注射入小鼠體內(nèi)后，腫瘤部位可觀察到明顯的熒光信號。同時相比SPN，包覆有RBCM的納米探針(SPN@RBCM)在腫瘤部位的信號更強，證明RBCM的包覆可提高納米探針在腫瘤部位的富集程度(圖3A、B)。為了證明腫瘤富集增強的主要原因是因為RBCM包覆延長了納米探針的血液循環(huán)時間，通過收集注射納米探針后不同時間點的血液，離心分別取20 μL的血清測得其中熒光強度后分析血藥濃度，測定納米探針藥代動力學參數(shù)。包覆RBCM后，納米探針的血漿半衰期(t1)從4.74 h延長至29.15 h(圖3C)；同時利用流式細胞術(shù)檢測CD11b陽性細胞(巨噬細胞)中納米探針的熒光信號強度，證實SPN@RBCM能夠降低巨噬細胞的吞噬(圖3D)。光聲成像結(jié)果與熒光成像結(jié)果相符，證實包覆有RBCM的納米探針在腫瘤部位的富集程度顯著增加(圖3E)。將腫瘤組織從上至下切成3片，每片均可觀察到熒光信號，且SPN@RBCM比SPN熒光更強，證明SPN@RBCM可滲透至腫瘤深部(圖3F、G)。注射納米探針4天后，小鼠的主要器官未再觀察到明顯的熒光信號，表明SPN@RBCM能夠在短時間內(nèi)被體內(nèi)清除，從而降低了納米顆粒長期存在于體內(nèi)引起的潛在毒副作用(圖3H)。

圖3. SPN@RBCM體內(nèi)分布、代謝、瘤內(nèi)滲透效果。(A, B) 4T1荷瘤小鼠靜脈注射負載DIR的SPN或SPN@ RBCM?0-48 h后體內(nèi)活體及48 h后離體熒光成像圖；(C) 靜脈注射負載DIR的SPN或SPN@ RBCM后，不同時間點血清中的歸一化熒光強度圖；(D) 流式細胞儀分析體內(nèi)巨噬細胞對負載DiO的SPN和SPN@ RBCM的攝取效果；(E) 靜脈注射SPN或SPN@RBCM 后，腫瘤部位PA信號；(F, G) 靜脈注射負載DIR的SPN或SPN@RBCM后，腫瘤切片的熒光成像圖；(H) 靜脈注射負載DIR的SPN@RBCM不同天數(shù)后的主要器官體外熒光成像圖。

IV?SPN@RBCM體內(nèi)抗腫瘤研究

構(gòu)建4T1荷瘤小鼠模型，尾靜脈注射PBS、SPN、SPN@RBCM，24 h后，對需要照射激光的小組進行激光照射808 nm(0.5 W/cm2)，照射的過程中每隔2 min記錄一次小鼠的全身熱成像圖 (圖4A)，并在接下來的30天內(nèi)持續(xù)記錄小鼠腫瘤體積。第30天時，記錄腫瘤重量。結(jié)果表明，SPN@RBCM在激光照射下表現(xiàn)出良好的腫瘤治療效果(圖4B、C)。

圖4. (A) 光熱治療時各個時間點不同組小鼠全身熱像圖；(B) 光熱治療結(jié)束后腫瘤體積變化曲線；(C) 光熱治療結(jié)束第30天腫瘤重量。

作者簡介

吳名

本文通訊作者

福建醫(yī)科大學孟超肝膽醫(yī)院，副研究員

▍主要研究領(lǐng)域

多模態(tài)分子影像、藥物輸送納米載體和“診療一體化”納米探針。

▍主要研究成果

主持國家自然科學基金青年科學基金項目、中國博士后面上項目、福建省衛(wèi)生-教育聯(lián)合攻關(guān)項目等科研項目；以第一/通訊作者身份在Nano-Micro Letters, Theranostics, ACS Applied Materials & Interfaces, Advanced Functional Materials, Chemical Communications等雜志發(fā)表論文20多篇；入選福建省青年拔尖人才計劃，榮獲2015年度英國物理學會“China Top Cited Author Award”、第十三屆福建省自然科學優(yōu)秀學術(shù)論文獎。

▍Email:?wmmj0419@163.com

本文通訊作者

福建醫(yī)科大學孟超肝膽醫(yī)院，研究員

▍主要研究領(lǐng)域

從事腫瘤早期診斷新技術(shù)與新方法、免疫治療與精準醫(yī)學方面的基礎(chǔ)與臨床轉(zhuǎn)化研究。

▍主要研究成果

主持國家自然科學基金“國家重大科研儀器研制項目”、面上項目、國家傳染病防治科技重大專項等科研項目；以通訊作者在Advanced Science, ACS Nano, Clinical Cancer Research，Small等雜志發(fā)表論文90多篇；入選福建省百人計劃、福建省衛(wèi)生健康突出貢獻中青年專家，榮獲2015年日本腫瘤學會青年科學家獎、2019年福建省科學技術(shù)進步一等獎。

▍Email:?xiaoloong.liu@gail.com

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