使用正交供體-受體小分子染料構(gòu)建兩性離子晶狀納米聚集體實(shí)現(xiàn)協(xié)同光療
本文要點(diǎn):開發(fā)小分子染料聚集的納米光敏劑(nanoPS)用于協(xié)同光療,是精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)中引人注目的前沿研究。但目前,對(duì)分子結(jié)構(gòu)、組裝行為和治療功能之間相互作用的研究有限。在這里,引入了“晶體聚集體中的自旋軌道電荷轉(zhuǎn)移系間躍遷(SOCT-ISC)”的概念,能夠顯著增強(qiáng)小分子nanoPS的光動(dòng)力(PD)和光熱(PT)特性。具體而言,在含有三氰基呋喃(TCF)陰離子七甲川青(TCF-Cy7-TCF)染料的中位位置引入了一個(gè)陽離子吡啶(Py)基團(tuán),以構(gòu)建一個(gè)正交電荷轉(zhuǎn)移二聯(lián)體(TCF-Cy7(Py)-TCF),通過SOCT-ISC機(jī)制增強(qiáng)三重態(tài)的形成以增強(qiáng)PD特性。雙性離子基團(tuán)賦予TCF-Cy7(Py)-TCF即使在超低濃度下也具有高結(jié)晶度,決定了其在聚集體中的堆積行為,并增強(qiáng)了PT和PD特性。與TCF-Cy7-TCF相比,TCF-Cy7(Py)-TCF納米聚集體表現(xiàn)出更高的單線態(tài)氧量子產(chǎn)率(0.8% vs 0.2%)和光熱轉(zhuǎn)換效率(55.06% vs 7.78%)。令人印象深刻的是,TCF-Cy7(Py)-TCF優(yōu)先積聚在腫瘤部位,在NIR-I和NIR-II窗口中實(shí)現(xiàn)了高信噪比的腫瘤成像,并且非特異性結(jié)合極少。最終,體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)TCF-Cy7(Py)-TCF納米聚集體作為協(xié)同光療的nanoPS功能,為設(shè)計(jì)單組分PS用于臨床轉(zhuǎn)化提供了一種簡(jiǎn)單而有效的策略。
研究者提出了一種利用“晶體納米聚集體中的SOCT-ISC”的方法,將SOCT-ISC的優(yōu)勢(shì)與PS的超分子組裝結(jié)合到一個(gè)統(tǒng)一的納米平臺(tái)中。在本研究中,通過將吡啶陽離子(Py)引入到對(duì)稱陰離子Cy7(TCF-Cy7-TCF)的中位位置構(gòu)建了一個(gè)雙性離子二聯(lián)體(TCF-Cy7(Py)-TCF)。這個(gè)二聯(lián)體可以在水溶液中以極低的濃度自組裝成納米聚集體,而不需要穩(wěn)定劑和賦形劑(圖1)。通過這種設(shè)計(jì),由于PS的正交幾何結(jié)構(gòu)的自組裝限制了輻射衰減,TCF-Cy7(Py)-TCF的光熱轉(zhuǎn)換效率和ROS生成顯著優(yōu)于市售的ICG以及類似的TCF-Cy7-TCF。值得注意的是,TCF-Cy7(Py)-TCF在聚集體中松散堆積,這可以優(yōu)化非輻射衰減,并有助于增強(qiáng)PTT和PDT性能。具有雙性離子性質(zhì)的TCF-Cy7(Py)-TCF納米聚集體通過增強(qiáng)了的滲透和滯留(EPR)效應(yīng)表現(xiàn)出超低的非特異性組織攝取和高腫瘤積累。使用皮下腫瘤小鼠模型證實(shí),TCF-Cy7(Py)-TCF納米聚集體不僅提供精確的光聲(PA)和近紅外(NIR)熒光成像,還通過“晶體納米聚集體中的SOCT-ISC”機(jī)制表現(xiàn)出PTT/PDT協(xié)同效應(yīng),為設(shè)計(jì)先進(jìn)的光治療劑提供了新的分子指導(dǎo)。
圖2. TCF-Cy7(Py)-TCF及其母體分子TCF-Cy7-TCF的光物理性質(zhì)。
TCF-Cy7(Py)-TCF二聯(lián)體的穩(wěn)態(tài)紫外-可見-近紅外(UV-Vis-NIR)吸收光譜進(jìn)行了研究(圖2)。在有機(jī)溶劑如甲醇(MeOH)中,TCF-Cy7(Py)-TCF二聯(lián)體的吸收(圖2a,b)和熒光(圖2c)光譜與相關(guān)的TCF-Cy7-TCF染料非常相似。具體而言,TCF-Cy7(Py)-TCF二聯(lián)體在甲醇中的吸收光譜在904 nm處顯示出一個(gè)強(qiáng)烈的峰值,相比于TCF-Cy7-TCF(888 nm)發(fā)生了紅移(圖2b)。此外,TCF-Cy7(Py)-TCF二聯(lián)體的熒光光譜也相應(yīng)地紅移(圖2c),但其Stokes位移保持不變。對(duì)于TCF-Cy7-TCF和TCF-Cy7(Py)-TCF二聯(lián)體的主要發(fā)色團(tuán),獲得了類似的ESP分布,負(fù)區(qū)域出現(xiàn)在兩側(cè)的TCF基團(tuán)中,而正區(qū)域集中在Cy7的多亞甲基橋中,表明它們具有高度對(duì)稱的電子結(jié)構(gòu)(圖2d)。值得注意的是,TCF-Cy7(Py)-TCF二聯(lián)體的Py基團(tuán)上出現(xiàn)了一個(gè)極度正的區(qū)域,表明Py基團(tuán)具有強(qiáng)烈的電子吸引特性(圖2d)。為了進(jìn)一步可視化電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué),進(jìn)行了飛秒瞬態(tài)吸收(fs-TA)測(cè)量(圖2f,g)。在780 nm的脈沖激光激發(fā)下,水中的TCF-Cy7-TCF和TCF-Cy7(Py)-TCF二聯(lián)體均在其最大吸收處顯示出明顯的負(fù)吸收帶,這被歸因于基態(tài)漂白(GSB)。對(duì)于TCF-Cy7-TCF(40 µm),在≈570 nm處觀察到激發(fā)態(tài)吸收(ESA)帶(圖2f),這歸因于1TCF-Cy7-TCF態(tài),其衰減時(shí)間僅為≈96 ps(圖2h)。相比之下,TCF-Cy7(Py)-TCF二聯(lián)體(40 µm)在1.11 ps內(nèi)在≈600 nm處呈現(xiàn)出一個(gè)特別顯著的峰值,這可以歸因于CTS(TCF-Cy7-TCF–Py+?,圖2g)。其衰減動(dòng)力學(xué)在納秒時(shí)間尺度上(>3 ns)未顯示出恢復(fù),這表明具有慢電荷重組的長(zhǎng)壽命CTS可以優(yōu)先松弛到激發(fā)的T1態(tài)(圖2h)。
圖3. TCF-Cy7(Py)-TCF 在水溶液中的自組裝和光療性能
使用動(dòng)態(tài)光散射(DLS)對(duì)水中的明顯聚集體進(jìn)行表征,發(fā)現(xiàn)TCF-Cy7-TCF僅表現(xiàn)出有限的聚集,未形成納米聚集體。相比之下,TCF-Cy7(Py)-TCF形成了平均水動(dòng)力直徑約為155 nm的納米聚集體。這樣的納米聚集體非常穩(wěn)定,在水或補(bǔ)充血清的細(xì)胞培養(yǎng)基中孵育24小時(shí)后不會(huì)沉淀或形成大塊(圖3a)。透射電子顯微鏡(TEM)和掃描電子顯微鏡(SEM)圖像顯示TCF-Cy7(Py)-TCF納米聚集體的形態(tài)為規(guī)則的球形納米粒子,平均大小約為140 nm(圖3b)。使用高倍TEM進(jìn)一步研究了納米粒子中TCF-Cy7(Py)-TCF分子的堆積模式,顯示存在一些小的超分子晶體域(圖3c)。TCF-Cy7(Py)-TCF納米粒子的粉末X射線衍射圖譜顯示了與其單晶相似的圖譜,表明TCF-Cy7(Py)-TCF分子的排列方式類似于其單晶中的排列(圖3d)。此外,原子力顯微鏡(AFM)顯示納米粒子具有清晰的圓形邊緣,其厚度/直徑比遠(yuǎn)小于1,表明其結(jié)構(gòu)類似于二維結(jié)構(gòu)的納米碟(圖3e)。值得注意的是,TCF-Cy7(Py)-TCF能夠在低至35 nm的濃度下形成這樣的納米碟,這種超低臨界膠束濃度(CMC)表明納米碟在臨床相關(guān)濃度下可能比商業(yè)膠束更穩(wěn)定。
接著研究了TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟在激光照射下產(chǎn)生高熱或ROS的能力。在近紅外(NIR)照射下(808 nm, 1.0 W cm?2)10分鐘,TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟的溶液溫度分別在10、20和40 µm的濃度下增加到47.6、54.0和59.5 °C(圖3f)。TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟的光熱轉(zhuǎn)換效率(η)值為55.06%,顯著高于TCF-Cy7-TCF(7.78%)(圖3g)。TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟的產(chǎn)熱能力在連續(xù)五次輻照-冷卻循環(huán)后保持一致(圖3h),表明其光熱穩(wěn)定性優(yōu)于TCF-Cy7-TCF。如圖3i所示,DPBF在NIR照射(808 nm,0.3 W cm?2)下迅速降低吸收,表明TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟產(chǎn)生了ROS,而單獨(dú)的DPBF在相同照射5分鐘內(nèi)保持穩(wěn)定(圖3j)。然后確定DPBF的分解速率常數(shù)(圖3k),計(jì)算出TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟在水中的Φ?為0.8%,是ICG的四倍。同時(shí),在水中具有有限聚集但缺乏正交Py的TCF-Cy7-TCF的Φ?測(cè)量值為0.21%,略高于相同條件下的ICG。使用 “聚集體中的SOCT-ISC”機(jī)制,該機(jī)制將SOCT-ISC的益處與PS的超分子組裝集成到一個(gè)平臺(tái)中,實(shí)現(xiàn)高效的PTT/PDT。
圖4. TCF-Cy7(Py)-TCF 納米碟在腫瘤細(xì)胞中的光療性能
圖4a中的黃色熒光表明TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟與溶酶體的共定位,得到的Pearson相關(guān)系數(shù)(Rr)約為92%。相比之下,4T1細(xì)胞中TCF-Cy7-TCF和LysoTracker Green的Rr僅為73%,表明TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟和TCF-Cy7-TCF通過不同的途徑被細(xì)胞內(nèi)化。這些發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步表明TCF-Cy7-TCF表現(xiàn)出有限的聚集,并且不形成大尺寸的納米粒子。
通過商業(yè)試劑確定細(xì)胞中由照射介導(dǎo)的ROS生成。在近紅外(NIR)照射(808 nm, 0.3 W cm?2)下,使用TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟處理的4T1細(xì)胞產(chǎn)生強(qiáng)烈的細(xì)胞內(nèi)綠色熒光,這種熒光增強(qiáng)被ROS清除劑維生素C(Vc)顯著抑制。相比之下,在用TCF-Cy7-TCF或PBS處理的對(duì)照組中,無論是否激光照射,均未檢測(cè)到明顯的熒光信號(hào)(圖4b)。結(jié)果表明,TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟在NIR照射下具有在細(xì)胞中生成ROS的強(qiáng)大能力,使其非常適合用于PDT。
為了驗(yàn)證增強(qiáng)的PDT和PTT的協(xié)同效應(yīng),使用等濃度的TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟或TCF-Cy7-TCF(12.5 µm)處理4T1細(xì)胞,進(jìn)行LIVE/DEAD染色試驗(yàn)。結(jié)果顯示,TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟在單模式(單一PTT或PDT)和協(xié)同光療(圖4c)中均表現(xiàn)出優(yōu)于TCF-Cy7-TCF的效果,同時(shí)具有良好的生物相容性(圖4d)。隨后,計(jì)算了在NIR照射下細(xì)胞的半數(shù)最大抑制濃度(IC50),得出了TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟在單一PDT、單一PTT和PDT與PTT結(jié)合中的IC50值分別為16.8、5.6和5.0 µM(圖4d)。相比之下,在4T1細(xì)胞中,TCF-Cy7-TCF在單一PTT和PDT/PTT結(jié)合中的IC50值分別為29.6和25.4 µM。這些結(jié)果表明,TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟介導(dǎo)的PTT和PDT結(jié)合作為一種有前途的策略,可以在空間和時(shí)間可控的方式中,以高生物安全性有效消除癌細(xì)胞。
在牛血清白蛋白(BSA)溶液中使用TCF-Cy7(Py)-TCF納米碟的吸收和熒光光譜評(píng)估TCF-Cy7(Py)-TCF的非特異性結(jié)合,陰離子TCF-Cy7-TCF作為對(duì)照(圖5a,b)。在含有BSA的水溶液中,TCF-Cy7-TCF恢復(fù)了其在有機(jī)溶劑中的特征吸收,并在≈950 nm處顯示出強(qiáng)烈的熒光,表明TCF-Cy7-TCF通過與BSA結(jié)合從寡聚體轉(zhuǎn)變?yōu)閱误w。相比之下,TCF-Cy7(Py)-TCF在BSA溶液中的吸收和熒光光譜未顯示顯著變化,這表明它與BSA沒有顯著的相互作用。進(jìn)一步進(jìn)行分子對(duì)接研究,通過使用優(yōu)化構(gòu)象評(píng)估TCF-Cy7-TCF和TCF-Cy7(Py)-TCF與BSA的相互作用。TCF-Cy7-TCF與BSA的結(jié)合能為?9.86 kcal mol?1,而TCF-Cy7(Py)-TCF與BSA的結(jié)合能僅為?5.81 kcal mol?1,表明由于其雙性離子和親水性性質(zhì),TCF-Cy7(Py)-TCF與BSA結(jié)合口袋的結(jié)合要比陰離子TCF-Cy7-TCF弱得多(圖5c)。
由TCF-Cy7(Py)-TCF納米微?;騎CF-Cy7-TCF的光熱轉(zhuǎn)換引起的熱彈性膨脹產(chǎn)生了光聲(PA)信號(hào),該信號(hào)被用作非侵入性PA成像的造影劑。如圖5d,e所示,腫瘤部位TCF-Cy7(Py)-TCF納米微粒的PA信號(hào)在1-8小時(shí)內(nèi)迅速增加,并且顯著高于腫瘤中TCF-Cy7-TCF的PA信號(hào),這可能是由于TCF-Cy7(Py)-TCF納米微粒的光-熱轉(zhuǎn)換較高。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是,用TCF-Cy7(Py)-TCF納米微粒處理的小鼠的初始PA背景遠(yuǎn)低于TCF-Cy7-TCF,并且在24小時(shí)后幾乎可以忽略不計(jì),這可能是由于快速清除和低非特異性攝取TCF-Cy7(Py)-TCF。相反,TCF-Cy7-TCF在同一時(shí)間過程中幾乎沒有背景降低,表明在正常組織和器官中有顯著的非特異性攝?。▓D5d)。
之后研究者測(cè)量了TCF-Cy7(Py)-TCF納米AUCER或TCF-Cy7-TCF在小鼠4T1腫瘤模型中的體內(nèi)性能。注射后8小時(shí),小鼠接受剖腹手術(shù),僅在腫瘤(信號(hào)背景比,SBR:2.57±0.56)和腸道(SBR:1.65±0.56)中觀察到NIR窗口I(NIR-I,700-900 nm)中TCF-Cy7(Py)-TCF納米微粒的熒光,而TCF-Cy7-TCF主要在肝臟(SBR:2.47±0.10)和腸道(SBR:5.02±0.26)等代謝器官中表現(xiàn)出高NIR-I信號(hào),證實(shí)TCF-Cy7(Py)-TCF納米微??梢遭g化Ely通過EPR效應(yīng)在腫瘤部位累積(圖5f)。值得注意的是,在含白蛋白的環(huán)境中,TCF-Cy7-TCF的熒光峰紅移至943 nm,而TCF-Cy7(Py)-TCF納米微粒的最大發(fā)射保持在980 nm(圖5b),兩者均顯示第二個(gè)NIR窗口(NIR-II,1000-1700 nm)的尾部熒光,由于穿透深度更深,分辨率更高,自發(fā)熒光為零,可用于避免剖腹手術(shù)和開胸手術(shù)。注射后6-8小時(shí),通過用NIR-II PL體內(nèi)成像系統(tǒng)(系列III 900/1700)繪制NIR-II熒光強(qiáng)度圖,TCF-Cy7(Py)-TCF納米微粒的信號(hào)在腫瘤(SBR:7.95±0.11)和肝臟(SBR:6.08±1.56)中積累,對(duì)比度良好(圖5g)。為了比較,系統(tǒng)地觀察到TCF-Cy7-TCF的NIR-II信號(hào),在沒有腫瘤靶向的正常組織和器官中顯示出顯著的非特異性攝取。剖腹手術(shù)后的影像學(xué)結(jié)果非常相似(圖5g)。總體而言,兩性離子TCF-Cy7(Py)-TCF納米微粒通過電荷/疏水性屏蔽最小化了與血清白蛋白的相互作用,并在腫瘤部位累積,減少了正常組織和器官中的非特異性攝取,從而產(chǎn)生足夠高的腫瘤背景比成像。
圖6. TCF-Cy7(Py)-TCF體內(nèi)協(xié)同抗腫瘤光療。
在多模式成像的指導(dǎo)下,研究者使用TCF-Cy7-TCF作為對(duì)照,進(jìn)一步評(píng)估了TCF-Cy7(Py)-TCF納米微粒對(duì)攜帶4T1癌癥的皮下腫瘤異種移植小鼠的光療功效。將35只小鼠隨機(jī)分為7組,用紅外熱成像監(jiān)測(cè)腫瘤表面的實(shí)時(shí)溫度(圖6a)。照射后10分鐘內(nèi),“TCF-Cy7(Py)-TCF+0.5 W cm-2”組小鼠的腫瘤表面溫度超過50°C,而“TCF-Cy7(Py)-TCF+0.15 W cm-2”,“TCF-Cy7-TCF+0.5 W cm-2”和“鹽水+0.5 W cm-2”組小鼠的腫瘤表面溫度僅分別增加至41、42和34°C(圖6b)。每組腫瘤大小每2天監(jiān)測(cè)一次,持續(xù)16天(圖6c,d)。對(duì)照組小鼠的腫瘤大小持續(xù)增加,與第1天相比,在第16天經(jīng)歷了約13倍的擴(kuò)張,這些組之間的腫瘤體積沒有顯著差異(圖6d)?!癟CF-Cy7(Py)-TCF+0.5 W cm-2”組小鼠的腫瘤被有效消融,導(dǎo)致腫瘤部位出現(xiàn)燒傷疤痕,這在對(duì)照組中未觀察到(圖6c)。到第11天,用TCF-Cy7(Py)-TCF進(jìn)行協(xié)同光療的小鼠的瘢痕已經(jīng)愈合,并且在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)沒有觀察到腫瘤復(fù)發(fā),直到anlesi之前也沒有任何死亡率。通過蘇木精和曙紅(H&E)以及不同組腫瘤的TUNEL染色也證實(shí)了體內(nèi)腫瘤光療的效果。H&E染色清楚地顯示“TCF-Cy7(Py)-TCF+0.5 W cm-2”組中的腫瘤具有大量壞死區(qū)域,TUNEL染色顯示細(xì)胞凋亡在腫瘤中有效的“TCF-Cy7(Py)-TCF+0.5 W cm-2”組(圖6e)。
總之,本文提出了“聚集體中的SOCT-ISC”的概念,以增強(qiáng)基于小分子的PS的PDT和PTT性能,旨在協(xié)同光療腫瘤?;谶@一概念,通過在陰離子TCF-Cy7-TCF的中間位置摻入陽離子Py基團(tuán)來設(shè)計(jì)小分子PS,從而形成正交的二元TCF-Cy7(Py)-TCF。這種二元自組裝成納米聚集體,與母體分子TCF-Cy7-TCF相比,ROS產(chǎn)生(0.8%)和光熱轉(zhuǎn)換效率(55.06%)顯著增強(qiáng)。值得注意的是,TCF-Cy7(Py)-TCF的兩性離子性質(zhì)賦予納米聚集體以優(yōu)異的穩(wěn)定性,即使在超低濃度下也是如此,并且賦予它們低的非特異性結(jié)合,導(dǎo)致正常組織和器官中的攝取最小,并且腫瘤中的高積累用于多模式成像。最后,TCF-Cy7(Py)-TCF納米聚集體在體外和體內(nèi)均具有優(yōu)異的抗腫瘤功效,并具有高生物相容性。這種的超分子策略可能為設(shè)計(jì)用于抗腫瘤治療中協(xié)同PTT/PDT的高性能小分子PS提供有價(jià)值的見解,顯示出未來臨床實(shí)施的巨大潛力。
參考文獻(xiàn)
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上海恒光智影醫(yī)療科技有限公司,被評(píng)為“國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)”,“上海市專精特新中小企業(yè)”,榮獲“科技部重大儀器專項(xiàng)立項(xiàng)項(xiàng)目”,上海市“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”科學(xué)儀器領(lǐng)域立項(xiàng)單位。
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