恒光讲堂｜近红外二区的双模态乳腺癌成像：可被肝脏快速清除的稀土核壳纳米探针

2021-12-04 17:13:44, 恒光智影上海恒光智影医疗科技有限公司

本文要点：相较受限于传统的低穿透力、低信噪比和高背景自荧光干扰的基于紫外(UV,200-400 nm)和可见光(Vis, 400-650 nm)的光学方法，近红外二区 (NIR-II 1000-1700 nm)纳米探针的研究在体内成像领域引起了广泛关注。遗憾的是，大多数NIR-II荧光探针，尤其是无机物的纳米颗粒，几乎不能从网状内皮系统(RES)中排泄，从而产生了潜在的长期循环安全问题。

作者开发了一种简单的荧光成像策略：合成了在NIR-II窗口中具有强烈发射的Nd3+掺杂稀土核壳纳米颗粒（Nd-RENPs），NaGdF4:5%Nd@NaLuF4。更重要的是，Nd-RENPs可以从肝胆通路中迅速消除，从而降低RES长期保留的潜在风险。此外，研究者将Nd-RENPs成功用于NIR-II成像和磁共振成像（MRI）造影剂，从而能够精确检测乳腺癌。

研究者首先利用LSS合成法合成了NaGdF4:5%Nd核心与NaLuF4壳层，随后用两端分别为甲氧基和二磷酸基的聚乙二醇（PEG）进行表面改性。材料合成后，对之进行了一系列表征（图1）。

图1: NaGdF4:5%Nd@NaLuF4NP的表征。a Nd-RENP合成的示意图。b NaGdF4:5%Nd核心的透射电镜图像（比例尺100nm）。c NaGdF4:5%Nd@NaLuF4NP的透射电镜图像（比例尺100 nm）。d 核心和核壳RENPs的直径分布。e 在808 nm激发激光下，核心（NaGdF4:5%Nd）和核-壳RENPs（NaGdF4：5%Nd@NaLuF4）的下转换光致发光光谱。f 使用808 nm激发激光获得H2O、核和核壳RENPs的荧光成像（1000 nm长通滤光片）。g 808 nm激光下OA修饰的Nd-RENPs和PEGylated Nd-RENPs的荧光发射光谱。

核心RENP（NaGdF4:5%Nd）和核壳RENP（NaGdF4:5%Nd@NaLuF4）的平均直径分别约为14.7±1.9和25.7±2.3 nm（图1b-d）。如图1e光谱所示，在808nm激光激发下，NaGdF4:5%Nd RENPs和NaGdF4:5%Nd@NaLuF4 RENPs在NIR-II区域具有两个发射峰（1060和1340 nm）。在1060 nm下，同浓度的NaGdF4:5%Nd@NaLuF4的荧光强度比NaGdF4:5%Nd高3.4倍，可归因于NaLuF4外壳有效降低Nd3+离子的非辐射转变过程。相同结果也通过荧光成像得以证实（图1f）。然而，RENPs表面的油酸酯配体（OA）导致颗粒在水中的溶解度很低，这不利于其生物医学应用。于是研究者采用了两端分别为甲氧基和二磷酸基的聚乙二醇代替油酸酯配体，提高Nd-RENPs的水溶性和生物相容性。图1g荧光光谱结果表明，表面改性后，1060 nm处的荧光强度降低了近4.2倍。这可能是配体交换过程破坏钝化效果并暴露更多的表面缺陷，从而导致PL淬灭。

图2: Nd-RENPs的体外毒性。a,b 孵育24 h后，通过MTT分析Nd-RENPs在4T1（a）和MCF-7（b）细胞系中引起的细胞毒性。c,d 通过颜色观察（c）和分光光度法（d）评估Nd-RENPs的溶血活性

生物相容性对于成像探针的应用至关重要。本研究通过MTT和溶血率测定法研究了PEGylated NaGdF4:5%Nd@NaLuF4的潜在细胞毒性。图2a和b显示，即使Gd3+浓度高达200μg/mL，用Nd-RENPs处理24小时后，细胞存活（4T1和MCF-7细胞）也超过80%。此外，红细胞的溶血率显著低于5%，表明Nd-RENP具有显着的血液相容性（图2c,d）。

图3: 基于NIR-II的Nd-RENPs体内成像。a,b Nd-RENP给药后4T1荷瘤小鼠在1060和1340nm处的NIR-II成像。c,d通过1060和1340 nm处小鼠的NIR-II 荧光成像计算TBR和LBR。TBR=[（肿瘤平均荧光强度）-（背景平均荧光强度）]/[（正常组织的平均荧光强度）-（背景的平均荧光强度）]。LBR=[（肝脏平均荧光强度）-（背景平均荧光强度）]/[（正常组织的平均荧光强度）-（背景的平均荧光强度）] （n=3）

光学成像是一种很有前途的诊断方法，因为没有辐射和高时间分辨率。因此，研究者构建了一个简单的皮下荷瘤模型来评估Nd-RENPs在NIR-II区的成像性能。通过尾静脉将Nd-RENPs（每Kg体重15mgGd3+）注射到含肿瘤小鼠体内后，在不同的时间点（15min，2，4，8和24h）获取NIR-II荧光成像。图3a和b表示注射后15分钟后的荧光信号。注射后第4 h时，NIR-II荧光信号增强并达到最大值（图 3c,d）。

图4: Nd-RENPs的体内清除行为。Nd-REN给药后仰卧裸鼠的NIR-II成像（比例尺：10 mm）。b肝脏中NIR-II荧光的定量分析（计算肝脏的半衰期为15.8小时）。c Nd-REN的血液循环行为（n=3）。

图4a显示了给药后肝脏中荧光信号逐渐增加，并在4小时达到峰值。随后，肝脏中的信号开始减少，注射72小时后不可见，表明几乎所有颗粒都从肝脏中清除。肝脏中Nd-RENPs的体内半衰期计算为15.8小时（图4b），这比以前报道的类似纳米探针短得多。此外，图4c揭示纳米颗粒的血液半衰期约为10.5 min，这有助于体内快速清除。