布鲁克文章推荐 第24期
Bruker Journal Club
布鲁克纳米表面仪器部 付坤武 博士
在临床使用化疗药物阿糖胞苷治疗肿瘤、癌症时，需要在疗效和它带来的副作用之间权衡，来决定其使用剂量。开发新型的基于纳米载体的治疗手段，能够提供选择性的药物输送和监测治疗反应，具有重要意义。科学研究中通过使用脂质体作为纳米载体，可以提高这类化疗药物在体内传输中的定向选择性和输送效率，进而提高治疗功效并减小副作用。脂质体的化学多功能性、生物相容性和生物降解性，也使其成为用于药物传输的理想载体。但脂质体纳米载体的制备过程并不统一，批次之间的性质存在差异，影响其载药和输送效率，这就需要我们在单个脂质体颗粒水平上评估其载药效率。而每个脂质体的载药量极小，传统的宏观测试方法无法获得该信息。美国NIST的Andrea Centrone教授团队通过使用具有纳米红外光热诱导振动（PTIR）技术的原子力显微镜（AFM）成功分析单个脂质体颗粒的成分异性和载药位置。相关研究成果被总结成“Nanoscale chemical imaging of individual chemotherapeutic cytarabine loaded liposomal nanocarriers”发表在Nano Research期刊上(Nano Research 2019, 12(1): 197–203）。
图1(a)展示了纳米红外测量过程的示意。作者首先运用普通接触模式下的PTIR来表征脂质体样品。测量过程中，频率和波数可调的脉冲激光从侧面照射到样品表面，当样品吸收特定波数段下的激光后发生热膨胀，与样品表面接触的AFM针尖可以检测出针尖位置处下方的样品局域变化，因此能以纳米级别分辨率表征出样品表面的化学信息。
研究者将填充有阿糖胞苷和缓冲溶液或仅有缓冲溶液填充的脂质体颗粒，镀在ZnSe衬底上形成单层脂质体，确保沉积在基底上的脂质体颗粒不易破裂。图1（c）显示其尺寸约在100-200 nm，厚度约为35-50 nm。如图1（b）所示，为了有效区分脂质体和阿糖胞苷药物的红外信号，研究者将脂质的C=O拉伸振动峰（1,734 cm-1 ）和嘧啶的C=N和C=C振动谱带(1,528 cm-1) 分别选为脂质体和阿糖胞苷标记峰。它们相互间以及和醋酸盐、磷酸盐缓冲液的红外波段都没有重叠。
由于脂质体非常柔软，容易在接触模式下被针尖损坏，且其极低的刚度会影响PTIR信号传导，因此脂质体红外吸收峰段（1,734 cm-1）的PTIR图像（图1（d））显示脂质体区域信号强度比在基底上的信号低。这种结果主要被归因于样品和针尖间较弱的力传递和脂质体的更高阻尼导致PTIR信号转换效率低下。通过计算比率图，可以帮助反映出脂质体样品在基底上的分布。
为了克服样品信号弱的困难，作者采用了接触共振增强的PTIR技术来表征载有阿糖胞苷的脂质体颗粒，并用PLL来限定检测频率在针尖和药物、脂质体共振频率附近。通过追踪样品和探针接触共振的三阶频率，在阿糖胞苷红外标记峰1,528 cm-1 （图2（b））和脂质体标记红外峰1,734 cm-1（图2（c））下分别成像，它们的比率结果（图2（f））显示了阿糖胞苷分布在脂质体中心区域。在脂质体颗粒外围和中心区域处采集的红外光谱结果，也显示了脂质体外围仅存在脂质的光谱特征，而脂质体中心显示出更多阿糖胞苷的光谱特征（图2（g））。尽管脂质体颗粒的化学信息得到表征，但从接触模式下连续扫描的形貌图中可以看到，柔软的脂质体的形态发生变化，表明针尖对脂质体表面造成损伤，如图3所示。
为了减少针尖对样品造成的形变或不可逆的损伤，作者进一步采用基于轻敲模式的PTIR技术来表征镀在带有金薄膜的基底上的样品。在阿糖胞苷和脂质体的吸收峰下的成像结果，显示阿糖胞苷存在脂质体载体的中心区域，而不存在于仅含缓冲液的空白对照样品上（图4（e））, 成功地将载药脂质体和空白脂质体分类，从而帮助对于此类及其他种类纳米载体中的药物负载情况的研究。另外，脂质体的形貌在多次连续扫描下未发生明显变化，表明了轻敲模式对软样品的保护更好。另一方面，红外成像结果的空间分辨率约为10 nm（图4（f）），极高的空间分辨率为表征纳米级尺寸的载体化学信息提供可能。作者进一步评估了单个脂质体内包含的阿糖胞苷药物浓度约为1.7x10−21 mol，显示了基于轻敲模式的纳米红外技术的高检测灵敏度，对于检测微小剂量的药物样品有极大优势
该研究中所采用的光热诱导共振（PTIR）纳米红外表征设备是布鲁克的NanoIR纳米红外原子力显微镜。新推出的NanoIR3纳米红外 （图5）具有基于轻敲成像模式的纳米红外技术，对于测量脂质体等软生物样品，具有无需荧光标记、无损检测和极高灵敏度的特点。同时它可达10nm的极高空间分辨率，红外谱学信息与宏观FTIR测试结果能完全一致吻合，对于诸如高分子材料，薄膜材料，复合材料，生命科学，能源等多个领域内的表面纳米化学信息表征都起到重要作用。
本文相关链接：
论文链接: https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-018-2202-x#Sec1
Bruker NanoIR纳米红外原子力显微镜介绍：https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/nanoscale-infrared-spectrometers/nanoscale-ir-spectroscopy-applications.html
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