NIR-II 染料｜荧光 / 光声成像引导下光热和光动力协同疗法

恒光智影

2022.6.08

作者上海恒光智影医疗科技有限公司

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本文要点：本文开发了一种在近红外区域具有较强光收集能力的“A-D-A′−D-A”结构有机光剂（Y16-Pr）。用聚乙二醇（PEG）修饰得到的生物相容性纳米颗粒（Y16-Pr-PEG NPs）可以进行NIR-II荧光成像（FLI）和光声成像（PAI），并同时进行光热疗法（PTT）和光动力疗法（PDT）。在808 nm激光激发下，Y16-Pr-PEG NPs有82.4%的光热转换效率（PCE）。辐照后的NPs可产生羟基自由基（•OH）和单线态氧（1O2）分别进行I型和II型PDT的。体内和体外实验表明，Y16-Pr-PEG NPs在激光照射下显著抑制肿瘤细胞生长并且无明显的毒副作用。虽然NIR-ⅡFLI在疾病诊断领域取得了重大进展，但了解肿瘤环境等信息需要多种成像模式进行检测。因此NIR-II FLI和PAI的集成对生物医学应用更具优势。在本文中，作者开发了一种“A-D-A′−D-A”结构化有机光疗剂（Y16-Pr），用于NIR-II FLI-和PAI引导的光热和光动力协同治疗（Scheme 1）。

Y16-Pr是一种多环结构分子，可以形成刚性共轭分子平面，有利于强光吸收和分子内电荷转移。增加分子内推拉效应可显著降低单线态-三重态之间的能量间隙，提高光动力治疗疗效。疏水性Y16-Pr通过纳米沉淀与两亲性聚合物DSPE-PEG-NH2组装，得到水溶性纳米颗粒（Y16-Pr-PEG NPs，Figure 1a）。扫描电子显微镜（SEM）和动态光散射（DLS）结果显示了平均直径为126 nm的均匀球形貌（Figure 1b），这有利于它们在肿瘤区域的被动积累。Y16-Pr-PEG NPs具有高度的光稳定性和生物相容性（Figure 1c,d）。Y16-Pr-PEG NPs在600−900 nm的范围内显示出广泛的吸收，相应的FL光谱显示发射峰值为920 nm，并一直持续到1100 nm。

Y16-Pr-PEG NPs在NIR区域的强吸收可能导致高的非辐射跃迁速率，从而为它们提供出色的光热转换能力。正如预期的那样，作者观察到激光功率密度与NP水溶液的温度之间存在正相关关系。在1 W/cm2激光功率下，3.6 μM Y16-Pr-PEG NP水溶液的温度可以在短时间内（5 min）迅速升高至50°C（Figure 2a），10 min后，温度升高超过60°C，这足以有效地消融癌细胞。2.4 μM Y16-Pr-PEG NP溶液的温度在不到300s的时间内从25°C升高到50°C（Figure 2b）。作者根据冷却曲线和冷却的时温关系（Figure 2c），计算出时间常数（τ）为464 s，光热转换效率η为82.4%，明显高于先前报道的PTT试剂。与ICG（Figure 2e,f）相比，Y16-PrPEG NPs在五个连续加热和冷却循环后仍能保持光稳定性（Figure 2d），可以反复使用而不影响其治疗效果。

使用SOSG作为1O2捕获剂检测其ROS产生能力。如Figure 3a所示，在808 nm激光照射，氧化的SOSG荧光强度在与Y16-Pr-PEG NPs溶液混合后随时间增加，表明Y16-Pr-PEG NPs可有效生成1O2。Figure 3b中羟基化产物2-羟基-亚苯二酸的荧光强度随时间的增加证明了Y16-Pr-PEG NPs也能够产生•OH。绿色和红色荧光只能从NPs +激光照射组中观察到，合并的图像表明Y16-Pr-PEG NPs可以在细胞内同时产生•OH和1O2（Figure 3c），因此可以进行I型和II型PDT。

Figure 4a表明Y16-Pr-PEG NPs具有良好的生物相容性。然而如Figure 4b所示，随着Y16-Pr-PEG NPs的浓度从0.61 μM增加到2.4 μM，细胞存活率从93%下降到18%。为了进一步观察Y16-Pr-PEG NPs的细胞毒性，与Calcine AM和PI共染色（Figure 4c(i)）。用NPs或单独激光处理的细胞表现出强烈的绿色荧光，这意味着使用的激光功率密度是安全的，并且Y16-Pr-PEG NPs在实验浓度下具有高度的生物相容性。相比之下，几乎所有NPs+激光组的细胞都表现出红色荧光，显示出Y16-Pr-PEG NPs在NIR-II激光辅助下具有优异的协同治疗效果。用PBS，PBS +激光或NPs处理后，4T1细胞的细胞骨架仍然显示出均匀且分布良好的形态，而NPs +Laser组具有细胞骨架丝解聚导致的明显的丝状细胞结构片段（Figure 4c(ii)）。从Figure 4c(iii)中可以清楚地看出，所有对照组对细胞增殖没有明显影响，而NPs+激光可通过DNA合成抑制对细胞增殖有明显影响。

注射Y16-Pr-PEG NPs的4T1肿瘤小鼠发出强烈的NIR-II荧光信号（Figure 5a），小鼠左侧的PA信号也很明显（Figure5b中的红色圆圈）。体外PA信号（Figure 5c）说明了Y16-Pr-PEG NPs与PA强度之间的浓度依赖关系。在确认了双模成像能力后，作者进行了体内癌症治疗效果研究。如Figure 5d、e所示，NPs+激光组显示出优异的肿瘤消除效果，PDT和PTT联合治疗后肿瘤完全消失。此外，在14天的治疗期间，小鼠的体重在所有组中均未显示出任何显着的下降（Figure 5f），这表明该治疗方式对小鼠是安全的。

为了进一步验证Y16-Pr-PEG NPs的抗肿瘤功效，作者通过苏木精和曙红（H&E）以及Ki67染色研究了肿瘤。只有NPs+激光组在肿瘤中诱导了更多的坏死区域以及明显的肿瘤生长抑制，而其他组显示出可以忽略不计的损伤（Figure 6a）。在尾静脉注射24 h后，Y16-Pr-PEG NPs主要积累在肝脏和脾脏中（Figure 6b,c）。三组主要器官均未发现明显的组织学变化（Figure 6d）。

综上所述，作者合成了A-DA′D-A结构的小分子纳米Y16-Pr-PEG NPs，并将其应用于肿瘤治疗诊断学。Y16-Pr-PEG NPs表现出优异的PTT效应，PCE高达82.4%。此外，Y16-Pr-PEG NPs显示出相对较高的1O2量子产率（8.3%），促进了PTT。Y16-Pr-PEG NPs还具有罕见的I型PDT能力。由于PTT性能，Y16-Pr-PEG NPs可以应用于PAI，NIR-II FLI/PAI的协同治疗，以提供更准确的肿瘤信息。最后，Y16-Pr-PEG NPs显示出增强的体内抗肿瘤效率，表明Y16-Pr-PEG NPs是FLI / PAI双模成像引导的协同抗肿瘤治疗的有希望的候选者。

参考文献

ACS Applied Materials & Interfaces 2022 14 (16), 18043-18052. DOI: 10.1021/acsami.1c22444

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