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恒光讲堂｜金属-多酚纳米系统用于近红外二区NIR-II荧光引导的光热疗法和放射疗法的协同治疗

恒光智影

2022.1.20

本文要点：光热疗法（PTT）被认为是一种有效的肿瘤消融治疗方法。光热剂（PTA）将光子转化为热量，这种热疗可以快速消融实体肿瘤。近红外（NIR）激光产生的光子能量较高，组织吸收/散射较低，导致组织穿透深度比在紫外可见区域的光更深，因此被认为适合PTT。NIR激光诱导的PTT是可控的，对几种肿瘤类型的副作用可以忽略不计，包括前列腺癌、肝癌、脑癌等。在PTT过程中，病变区域被加热到42℃或更高温度，以诱导不可逆的细胞坏死。然而，PTA在病变中的不均匀分布有时会导致温度不均匀，导致PTT期间区域温度低于42℃，由此，肿瘤可能复发，导致治疗过程失败。提高治疗温度可能是避免肿瘤复发的相关解决方案，尽管遗憾的是，这种方法可能刺激过度激活的炎症反应。因此需要PTT与适当低温操作的协同治疗策略。

在本文中，作者设计并合成了一种带有多酚部分的半导体聚合物CPPDA螯合高原子序数金属 Hf离子，随后用两亲性聚合物（Pluronic F127）包覆以形成110 nm的纳米结构。CPPDA-Hf@Poloxamer在NIR-II区域内显示荧光，用于病变部位精准成像的同时用于PTT具有合适的光热转换效应。对于Hf-多酚的螯合作用，高原子序数 Hf离子赋予该纳米系统放射增敏性能，从而中和PTT过程中肿瘤复发的缺陷。最终，当PTT与HF增敏放射治疗相结合时，合理地获得了显著的治疗效果。金属-多酚纳米系统利用第二近红外（NIR-II）荧光引导协同PTT/RT示意图如下（方案1）。

方案1：金属-多酚纳米系统用于NIR-II荧光引导PTT和RT（放射疗法）联合精准治疗的示意图

CPPDA与Hf离子螯合（图1A），并用两亲性聚合物Pluronic F127包覆，形成纳米颗粒（CPPDA-Hf@Poloxamer），利用透射电子显微镜（TEM）观察核-壳颗粒结构，粒径约为100 nm（图1B）。对于金属-多酚螯合，Hf离子在单个CPPDA-Hf@Poloxamer纳米颗粒中的分布利用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）证实了这一点（图1C）。利用能量色散X射线光谱（EDX）分析确认Hf与CPPDA的准确螯合作用（图1D）。CPPDA-Hf@Poloxamer中的Hf比率计算结果为通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定2.7 wt%。CPPDA-Hf@Poloxamer在808 nm激光（900–1500 nm）下具有宽吸收（600–1100 nm）和宽NIR-II发射（图1E）。CPPDA-Hf@Poloxamer也可能被1064 nm激光激发，并显示出类似的NIR-II发射，表明CPPDA-Hf@Poloxamer可作为一种潜在的近红外荧光显像剂。CPPDA-Hf@Poloxamer的NIR-II荧光使用成像仪器（图1F，λex=808 nm）进行了研究，并显示了强度和浓度之间的线性关系（图1G），这进一步证实了CPPDA-Hf@Poloxamer的良好成像特性. 量子产率（QY）计算为1.9%（λex=808nm，IR 1061作为标准参考，QY=1.8%）和0.57%（λex=1064nm，IR 26为标准参考，QY=0.05%）。在两种不同波长的激光照射下，纳米颗粒浓度与NIR-II荧光强度表现出良好的线性关系，证明了CPPDA-Hf@Poloxamer的光学稳定性，由于其在600至1100 nm范围内的广泛吸收，CPPDA——Hf@Poloxamer应具有良好的光热转换性能。CPPDA-Hf@Poloxamer的光热容量在不同浓度（0.5～0.03125 mg/mL），在808 nm辐射（P=1 W c m-2）下测量。通常，CPPDA–Hf@泊洛沙姆的最大温升为55℃，0.5 mg/mL（图1H）。由于在1064 nm处的吸收（P=1 W c m-2），还测量了CPPDA–Hf@Poloxamer在1064 nm辐照下的光热容量，最大温升为44.9℃， 0.5 mg/mL （图1I）。进行光热成像以可视化温度升高过程（图1J）。然后，CPPDA-Hf@Poloxamer的冷却曲线（0.5 mg/mL）在辐照（λex=1064 nm，P=1 W c m-2）下测得（图1K）。因此，CPPDA-Hf@Poloxamer的光热转换效率计算了两个辐射波长分别为808和1064 nm的辐射。CPPDA-Hf@Poloxamer的光热转换效率在1064nm照射下（45.5%）高于808nm照射下（33.3%）。因此，CPPDA-Hf@Poloxamer可作为一种具有近红外II区荧光和光热性质的良好显像剂。根据CPPDA-Hf@Poloxamer的这些光物理性质，作者认为能够使用808nm激光识别病变部位，并使用1064nm激光产生热量消融实体瘤。

图1 CPPDA-Hf@Poloxamer的表征. （A）金属-多酚半导体聚合物CPPDA-Hf和两亲性聚合物Pluronic F127的化学结构。（B） CPPDA-Hf@Poloxamer纳米颗粒核壳结构的TEM图像。（C） CPPDA-Hf@Poloxamer纳米颗粒（黄色点代表Hf）的HAADF-STEM图像。（D） CPPDA-Hf@Poloxamer的EDX分析. （E） CPPDA-Hf@Poloxamer在808/1064nm激光照射下的吸收和发射光谱。（F） CPPDA-Hf@Poloxamer在808nm的辐射下不同浓度（范围0.03125–1 mg/mL）的溶液的NIR-II荧光信号。（G）分别在808nm和1064nm辐射下NIR-II荧光与CPPDA-Hf@Poloxamer浓度之间的线性关系。CPPDA-Hf@Poloxamer的光热效应（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的光热图像（0.5 mg/mL）在1064nm辐射下。（K） CPPDA-Hf@Poloxamer（0.5 mg/mL）的加热和冷却曲线和光热转换效率的分析

为了研究CPPDA–Hf@Poloxamer在体外的抗癌作用，随后作者采用MTT法评估4T1乳腺癌细胞的生存能力。CPPDA-Hf@Poloxamer即使在相对较高的1 mg/mL 浓度下也没有细胞毒性（图2A）。在X射线（6 Gy）照射下，CPPDA-Hf@Poloxamer对细胞活力有明显的抑制作用。与不含Hf的纳米颗粒CPPDA@Poloxamer相比，CPPDA–Hf@Poloxamer在X射线照射下实现了细胞毒性的明显增强，表明Hf离子的放射增敏效应。使用4–8 Gy范围内的X射线辐照功率，CPPDA——Hf@Poloxamer细胞毒性逐渐增强（图2B）。

图2 CPPDA-Hf@Poloxamer的细胞试验. （A）不同浓度纳米颗粒（CPPDA-Hf@Poloxamer)与没有Hf离子(CPPDA@Poloxamer)X射线照射下的（X:X射线，6Gy）细胞活力对比。（B）用CPPDA-Hf@Poloxamer（0.015625–1 mg/mL）纳米颗粒在不同的X射线辐照功率（4、6和8Gy）处理时的细胞活力。

为了评估CPPDA-Hf@Poloxamer在体内的可追溯性和累积性，作者对携带4T1肿瘤的小鼠进行NIR-II区域内全身成像。在808nm照射下，肿瘤区域内的荧光强度逐渐增加（图3A）。CPPDA-Hf@Poloxamer累积在肿瘤中，荧光强度在24小时达到峰值，之后荧光强度降低到该值的77%左右，表明一个代谢过程（图3B）。注射CPPDA–Hf@ Poloxamer 24小时后，在1064 nm辐射（1 W cm-2）下，肿瘤区域的温度在120秒内迅速升高至56 ℃（图3C和D）。这种产生的热量足以用于PTT，表明CPPDA-Hf@Poloxamer具有潜在光热治疗性能。

图3 CPPDA-Hf@Poloxamer在体内的成像特性。肿瘤区域用白色圆圈标记。（A）静脉注射CPPDA-Hf@Poloxamer（1 mg/mL）治疗后4T1荷瘤小鼠的NIR-II荧光成像；λex =808纳米。（B）肿瘤区域的平均荧光强度（MFI）曲线。（C）注射CPPDA-Hf@Poloxamer 24小时后4T1荷瘤小鼠的光热成像（1 mg/mL）；λex=1064纳米。（D）肿瘤区域内的温度变化曲线。

为了研究CPPDA–Hf@Poloxamer的抗癌作用，通过静脉注射CPPDA–Hf@Poloxamer对4T1荷瘤小鼠进行了不同的治疗. 经过各种处理后，发现没有明显的重量损失，这表明纳米材料具有合理的生物安全性（图4A）。注射CPPDA-Hf@Poloxamer后产生肿瘤抑制效应（图4B），在1064 nm激光（L）和X射线（X）的联合照射下显示出最有效的肿瘤抑制效应。在第6天终止治疗后，肿瘤体积开始逐渐增大，这表明CPPDA-Hf@Poloxamer对肿瘤生长的抑制有限。由于X射线在CPPDA-Hf@Poloxamer中的参与（L/X）激光组肿瘤生长停止。因此，放疗与PTT的联合应用可以有效地最大限度地提高抗肿瘤疗效。在病灶中能观察到肿瘤抑制的这种差异（图4C）。此外，我们还通过比较CPPDA-Hf@Poloxamer（X）组和PBS（X）组，进一步证实了Hf离子的放射增敏作用。治疗后，处死小鼠，剥离肿瘤称量并成像（图4D）。在苏木精-伊红（H&E）染色的肿瘤切片中，在CPPDA-Hf@Poloxamer（L/X）中观察到明显的膜溶解和细胞坏死，CPPDA-Hf@Poloxamer（L）和CPPDA-Hf@Poloxamer（X）组（图4E）最终证明联合PTT/RT具有令人钦佩的抗肿瘤作用，CPPDA-Hf@Poloxamer使用NIR-II激光和X射线照射呈现出良好的肿瘤消退特性。这些结果表明治疗过程中所有材料的系统安全性。

图4 CPPDA-Hf@Poloxamer的治疗效果（L：1064nm激光，1Wcm-2；X:X射线，6Gy）。不同治疗方法下的体重（A）和肿瘤体积（B）变化曲线。（C）第15天接受CPPDA-Hf@Poloxamer治疗后采用1064nm激光照射的肿瘤区域照片（L:1064nm激光照射；L/X:1064nm激光/X射线照射；红色虚线圆圈表示肿瘤复发区域）。（D）不同治疗后的肿瘤重量和相应的肿瘤照片。（E）通过H&E染色检查肿瘤切片。

参考文献

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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