金屬-多酚納米系統(tǒng)用于近紅外二區(qū)熒光引導(dǎo)的光熱療法和放射療法的協(xié)同治療

本文要點(diǎn)：光熱療法（PTT）被認(rèn)為是一種有效的腫瘤消融治療方法。光熱劑（PTA）將光子轉(zhuǎn)化為熱量，這種熱療可以快速消融實(shí)體腫瘤。近紅外（NIR）激光產(chǎn)生的光子能量較高，組織吸收/散射較低，導(dǎo)致組織穿透深度比在紫外可見區(qū)域的光更深，因此被認(rèn)為適合PTT。NIR激光誘導(dǎo)的PTT是可控的，對幾種腫瘤類型的副作用可以忽略不計(jì)，包括前列腺癌、肝癌、腦癌等。在PTT過程中，病變區(qū)域被加熱到42℃或更高溫度，以誘導(dǎo)不可逆的細(xì)胞壞死。然而，PTA在病變中的不均勻分布有時會導(dǎo)致溫度不均勻，導(dǎo)致PTT期間區(qū)域溫度低于42℃，由此，腫瘤可能復(fù)發(fā)，導(dǎo)致治療過程失敗。提高治療溫度可能是避免腫瘤復(fù)發(fā)的相關(guān)解決方案，盡管遺憾的是，這種方法可能刺激過度激活的炎癥反應(yīng)。因此需要PTT與適當(dāng)?shù)蜏夭僮鞯膮f(xié)同治療策略。

在本文中，作者設(shè)計(jì)并合成了一種帶有多酚部分的半導(dǎo)體聚合物CPPDA螯合高原子序數(shù)金屬 Hf離子，隨后用兩親性聚合物（Pluronic F127）包覆以形成110 nm的納米結(jié)構(gòu)。CPPDA-Hf@Poloxamer在NIR-II區(qū)域內(nèi)顯示熒光，用于病變部位精準(zhǔn)成像的同時用于PTT具有合適的光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)。對于Hf-多酚的螯合作用，高原子序數(shù) Hf離子賦予該納米系統(tǒng)放射增敏性能，從而中和PTT過程中腫瘤復(fù)發(fā)的缺陷。最終，當(dāng)PTT與HF增敏放射治療相結(jié)合時，合理地獲得了顯著的治療效果。金屬-多酚納米系統(tǒng)利用第二近紅外（NIR-II）熒光引導(dǎo)協(xié)同PTT/RT示意圖如下（方案1）。

方案1：金屬-多酚納米系統(tǒng)用于NIR-II熒光引導(dǎo)PTT和RT（放射療法）聯(lián)合精準(zhǔn)治療的示意圖

CPPDA與Hf離子螯合（圖1A），并用兩親性聚合物Pluronic F127包覆，形成納米顆粒（CPPDA-Hf@Poloxamer），利用透射電子顯微鏡（TEM）觀察核-殼顆粒結(jié)構(gòu)，粒徑約為100 nm（圖1B）。對于金屬-多酚螯合，Hf離子在單個CPPDA-Hf@Poloxamer納米顆粒中的分布利用高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）證實(shí)了這一點(diǎn)（圖1C）。利用能量色散X射線光譜（EDX）分析確認(rèn)Hf與CPPDA的準(zhǔn)確螯合作用（圖1D）。CPPDA-Hf@Poloxamer中的Hf比率計(jì)算結(jié)果為通過電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）測定2.7 wt%。CPPDA-Hf@Poloxamer在808 nm激光（900–1500 nm）下具有寬吸收（600–1100 nm）和寬NIR-II發(fā)射（圖1E）。CPPDA-Hf@Poloxamer也可能被1064 nm激光激發(fā)，并顯示出類似的NIR-II發(fā)射，表明CPPDA-Hf@Poloxamer可作為一種潛在的近紅外熒光顯像劑。CPPDA-Hf@Poloxamer的NIR-II熒光使用成像儀器（圖1F，λex=808 nm）進(jìn)行了研究，并顯示了強(qiáng)度和濃度之間的線性關(guān)系（圖1G），這進(jìn)一步證實(shí)了CPPDA-Hf@Poloxamer的良好成像特性. 量子產(chǎn)率（QY）計(jì)算為1.9%（λex=808nm，IR 1061作為標(biāo)準(zhǔn)參考，QY=1.8%）和0.57%（λex=1064nm，IR 26為標(biāo)準(zhǔn)參考，QY=0.05%）。在兩種不同波長的激光照射下，納米顆粒濃度與NIR-II熒光強(qiáng)度表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，證明了CPPDA-Hf@Poloxamer的光學(xué)穩(wěn)定性，由于其在600至1100 nm范圍內(nèi)的廣泛吸收，CPPDA——Hf@Poloxamer應(yīng)具有良好的光熱轉(zhuǎn)換性能。CPPDA-Hf@Poloxamer的光熱容量在不同濃度（0.5～0.03125 mg/mL），在808 nm輻射（P=1 W c m-2）下測量。通常，CPPDA–Hf@泊洛沙姆的zui大溫升為55℃，0.5 mg/mL（圖1H）。由于在1064 nm處的吸收（P=1 W c m-2），還測量了CPPDA–Hf@Poloxamer在1064 nm輻照下的光熱容量，zui大溫升為44.9℃， 0.5 mg/mL （圖1I）。進(jìn)行光熱成像以可視化溫度升高過程（圖1J）。然后，CPPDA-Hf@Poloxamer的冷卻曲線（0.5 mg/mL）在輻照（λex=1064 nm，P=1 W c m-2）下測得（圖1K）。因此，CPPDA-Hf@Poloxamer的光熱轉(zhuǎn)換效率計(jì)算了兩個輻射波長分別為808和1064 nm的輻射。CPPDA-Hf@Poloxamer的光熱轉(zhuǎn)換效率在1064nm照射下（45.5%）高于808nm照射下（33.3%）。因此，CPPDA-Hf@Poloxamer可作為一種具有近紅外II區(qū)熒光和光熱性質(zhì)的良好顯像劑。根據(jù)CPPDA-Hf@Poloxamer的這些光物理性質(zhì)，作者認(rèn)為能夠使用808nm激光識別病變部位，并使用1064nm激光產(chǎn)生熱量消融實(shí)體瘤。

圖1 CPPDA-Hf@Poloxamer的表征. （A）金屬-多酚半導(dǎo)體聚合物CPPDA-Hf和兩親性聚合物Pluronic F127的化學(xué)結(jié)構(gòu)。（B） CPPDA-Hf@Poloxamer納米顆粒核殼結(jié)構(gòu)的TEM圖像。（C） CPPDA-Hf@Poloxamer納米顆粒（黃色點(diǎn)代表Hf）的HAADF-STEM圖像。（D） CPPDA-Hf@Poloxamer的EDX分析. （E） CPPDA-Hf@Poloxamer在808/1064nm激光照射下的吸收和發(fā)射光譜。（F） CPPDA-Hf@Poloxamer在808nm的輻射下不同濃度（范圍0.03125–1 mg/mL）的溶液的NIR-II熒光信號。（G）分別在808nm和1064nm輻射下NIR-II熒光與CPPDA-Hf@Poloxamer濃度之間的線性關(guān)系。CPPDA-Hf@Poloxamer的光熱效應(yīng)（0.03125～0.5mg/mL）用1 W c m-2，808 nm激光（H）和1064 nm激光（I）照射。（J） CPPDA-Hf@Poloxamer的光熱圖像（0.5 mg/mL）在1064nm輻射下。（K） CPPDA-Hf@Poloxamer（0.5 mg/mL）的加熱和冷卻曲線和光熱轉(zhuǎn)換效率的分析

為了研究CPPDA–Hf@Poloxamer在體外的抗癌作用，隨后作者采用MTT法評估4T1乳腺癌細(xì)胞的生存能力。CPPDA-Hf@Poloxamer即使在相對較高的1 mg/mL 濃度下也沒有細(xì)胞毒性（圖2A）。在X射線（6 Gy）照射下，CPPDA-Hf@Poloxamer對細(xì)胞活力有明顯的抑制作用。與不含Hf的納米顆粒CPPDA@Poloxamer相比，CPPDA–Hf@Poloxamer在X射線照射下實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞毒性的明顯增強(qiáng)，表明Hf離子的放射增敏效應(yīng)。使用4–8 Gy范圍內(nèi)的X射線輻照功率，CPPDA——Hf@Poloxamer細(xì)胞毒性逐漸增強(qiáng)（圖2B）。

圖2 CPPDA-Hf@Poloxamer的細(xì)胞試驗(yàn). （A）不同濃度納米顆粒（CPPDA-Hf@Poloxamer)與沒有Hf離子(CPPDA@Poloxamer)X射線照射下的（X:X射線，6Gy）細(xì)胞活力對比。（B）用CPPDA-Hf@Poloxamer（0.015625–1 mg/mL）納米顆粒在不同的X射線輻照功率（4、6和8Gy）處理時的細(xì)胞活力。

為了評估CPPDA-Hf@Poloxamer在體內(nèi)的可追溯性和累積性，作者對攜帶4T1腫瘤的小鼠進(jìn)行NIR-II區(qū)域內(nèi)全身成像。在808nm照射下，腫瘤區(qū)域內(nèi)的熒光強(qiáng)度逐漸增加（圖3A）。CPPDA-Hf@Poloxamer累積在腫瘤中，熒光強(qiáng)度在24小時達(dá)到峰值，之后熒光強(qiáng)度降低到該值的77%左右，表明一個代謝過程（圖3B）。注射CPPDA–Hf@ Poloxamer 24小時后，在1064 nm輻射（1 W cm-2）下，腫瘤區(qū)域的溫度在120秒內(nèi)迅速升高至56 ℃（圖3C和D）。這種產(chǎn)生的熱量足以用于PTT，表明CPPDA-Hf@Poloxamer具有潛在光熱治療性能。

圖3 CPPDA-Hf@Poloxamer在體內(nèi)的成像特性。腫瘤區(qū)域用白色圓圈標(biāo)記。（A）靜脈注射CPPDA-Hf@Poloxamer（1 mg/mL）治療后4T1荷瘤小鼠的NIR-II熒光成像；λex =808納米。（B）腫瘤區(qū)域的平均熒光強(qiáng)度（MFI）曲線。（C）注射CPPDA-Hf@Poloxamer 24小時后4T1荷瘤小鼠的光熱成像（1 mg/mL）；λex=1064納米。（D）腫瘤區(qū)域內(nèi)的溫度變化曲線。

為了研究CPPDA–Hf@Poloxamer的抗癌作用，通過靜脈注射CPPDA–Hf@Poloxamer對4T1荷瘤小鼠進(jìn)行了不同的治療. 經(jīng)過各種處理后，發(fā)現(xiàn)沒有明顯的重量損失，這表明納米材料具有合理的生物安全性（圖4A）。注射CPPDA-Hf@Poloxamer后產(chǎn)生腫瘤抑制效應(yīng)（圖4B），在1064 nm激光（L）和X射線（X）的聯(lián)合照射下顯示出zui有效的腫瘤抑制效應(yīng)。在第6天終止治療后，腫瘤體積開始逐漸增大，這表明CPPDA-Hf@Poloxamer對腫瘤生長的抑制有限。由于X射線在CPPDA-Hf@Poloxamer中的參與（L/X）激光組腫瘤生長停止。因此，放療與PTT的聯(lián)合應(yīng)用可以有效地zui大限度地提高抗腫瘤療效。在病灶中能觀察到腫瘤抑制的這種差異（圖4C）。此外，我們還通過比較CPPDA-Hf@Poloxamer（X）組和PBS（X）組，進(jìn)一步證實(shí)了Hf離子的放射增敏作用。治療后，處死小鼠，剝離腫瘤稱量并成像（圖4D）。在蘇木精-伊紅（H&E）染色的腫瘤切片中，在CPPDA-Hf@Poloxamer（L/X）中觀察到明顯的膜溶解和細(xì)胞壞死，CPPDA-Hf@Poloxamer（L）和CPPDA-Hf@Poloxamer（X）組（圖4E）最終證明聯(lián)合PTT/RT具有令人欽佩的抗腫瘤作用，CPPDA-Hf@Poloxamer使用NIR-II激光和X射線照射呈現(xiàn)出良好的腫瘤消退特性。這些結(jié)果表明治療過程中所有材料的系統(tǒng)安全性。

圖4 CPPDA-Hf@Poloxamer的治療效果（L：1064nm激光，1Wcm-2；X:X射線，6Gy）。不同治療方法下的體重（A）和腫瘤體積（B）變化曲線。（C）第15天接受CPPDA-Hf@Poloxamer治療后采用1064nm激光照射的腫瘤區(qū)域照片（L:1064nm激光照射；L/X:1064nm激光/X射線照射；紅色虛線圓圈表示腫瘤復(fù)發(fā)區(qū)域）。（D）不同治療后的腫瘤重量和相應(yīng)的腫瘤照片。（E）通過H&E染色檢查腫瘤切片。

參考文獻(xiàn)

Li Jie, etal."A metal-polyphenolic nanosystem with NIR-II fluorescence-guidedcombined photothermal therapy and radiotherapy.." Chemical communications(Cambridge, England) .(2021): doi:10.1039/D1CC04628D.

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