纳米探针 | 基于白蛋白与AIEgens促进胶质瘤和脑血管NIR-II荧光成像

2022-10-25 04:24:01, 恒光智影上海恒光智影医疗科技有限公司

本文要点：应用外源性聚合物基质构建聚集诱导发射(AIE)纳米探针促进了AIE发光体(AIEgens)在诊断脑部疾病中的应用。然而，基于AIE的纳米探针的有限荧光(FL)和低主动靶向能力阻碍了它们的成像应用。本文报道了一种白蛋白整合的AIE探针，采用内源性白蛋白作为有效的基质来封装AIE探针，以提高荧光量子产率(QY)和主动靶向能力。白蛋白整合策略有效地抑制了白蛋白的分子内振动，并增强了gp60受体介导的细胞内吞作用。

背景：与可见光区域（400-650 nm）和第一个近红外窗口（NIR-I，650-950nm）的传统荧光成像相比，第二个近红外窗口（NIR-II，1000-1700 nm）表现出更高的信噪比（SBR）和更深的组织穿透，这归因于其低组织吸收和散射。在各种 NIR-II 荧光纳米探针中，聚集诱导发射发光剂(AIEgens)在高浓度或聚集状态下具有强荧光，克服了传统有机染料聚集诱导猝灭效应的局限性。疏水性 AIEgens 通常需要使用两亲性聚合物进行后处理，以封装并形成亲水性纳米颗粒（也称为AIE 点）。然而，有限FL和低主动靶向能力使得AIE 点难以实现高质量的脑成像。因此，发展高效的策略制备具有强荧光和脑肿瘤靶向能力的水溶性AIE点具有重要意义。

研究内容：作者提出了一种制备AIE点的白蛋白整合策略。白蛋白的疏水结构域与AIEgens强烈相互作用并通过氢键固定AIEgens，有效抑制AIEgens的分子内振动并提高QYs。作者研究了基于白蛋白的AIE点(B-AIE点)在癌细胞和皮下荷瘤小鼠模型中的肿瘤主动靶向能力，采用B-AIE点在原位胶质瘤和局部脑缺血小鼠模型中实现脑肿瘤和脑血管的NIR-II FL成像。

AIE点的合成与表征如图所示，作者用DSPE-PEG2000 (D-AIE点)和牛血清白蛋白(B-AIE点)作为封装配体制备了具有不同发射的载有AIEgens(DT，AT，TT)的纳米探针(图1a，b)。如图1c所示，B-DT、B-AT和B-TT AIE点显示出均匀的球形形貌，与D-AIE点相似(图1d)。表明白蛋白可以用作制备AIE点的封装基质。作者通过测量斜率来评估B-AIE点与传统D-AIE点之间的QY变化，如图1e所示，结果表明B-AIE量子点比D-AIE量子点具有更高的量子效率。

图1

作者继续研究了白蛋白修饰后QYs的增强机制。如图2a所示，白蛋白的荧光强度随着DT浓度的增加而逐渐降低。图2a插图表明DT与白蛋白之间存在强相互作用。作者使用分子对接技术进行了DT和白蛋白之间的分子对接研究。如图2b所示，DT与白蛋白的结合位点形成适当的空间互补。图2c和2e显示存在AT和TT的情况下，白蛋白的FL猝灭现象与DT相似。较高浓度的AT/TT导致白蛋白更多的荧光猝灭，这表明AT/TT与白蛋白结合。AT和TT的结合常数都小于DT的结合常数。此外，AT和TT的芳香环有助于与Trp213的噻吩环形成π-π堆积相互作用。作为氢键供体，TT中噻吩环上的硫原子与Glu291形成氢键(图2d，f)。DT是三种白蛋白中与白蛋白结合最好的分子。这些相互作用增强了分子构象刚性，提高了荧光发射效率。

图2

随后，作者评估了不同浓度的AIE点对细胞存活率的影响。如图3a-c所示，白蛋白修饰的AIE点(B-DT、B-AT和B-TT)具有即使在高浓度(100μg·m-1)下对这些细胞系的存活率几乎没有影响。此外，通过传统方法(D-DT、DAT和D-TT)制备的AIE点对正常和肿瘤细胞系也没有表现出不利影响(图3d-f)。

图3

作者继续研究了基于白蛋白的AIE点对过表达gp60受体的癌细胞(包括HepG2、4T1和C6细胞系)的主动靶向能力(图4a)。共聚焦图像(图4b)显示，经B-DT AIE点处理的癌细胞比经D-DT AIE点处理的癌细胞显示出更强的荧光强度。在HepG2、4T1和C6细胞系与B-DT AIE点孵育后，FL强度比D-DT AIE点处理的癌细胞高6.5、9.6和13.0倍(图4c)。结果表明，HepG2、4T1和C6细胞系对B-DT AIE点的吞噬作用远大于D-DT AIE点。因此，推测基于白蛋白的AIE点对过表达gp60受体的癌细胞具有良好的主动靶向能力。

图4

作者进一步建立了皮下肿瘤小鼠模型(4T1，HepG2)来评估体内主动肿瘤靶向能力。如图5a所示，在使用探针2小时后，可以在肿瘤区域检测到FL信号。B-TT AIE点处理的小鼠的肿瘤区域比D-TT AIE点处理的小鼠的肿瘤区域更亮。肿瘤区域的FL信号在注射后6 h达到最强。B-TT AIE 点处理组的SBR为4.3(注射后6小时)，高于D-TT AIE dot处理组的SBR为3.4(图5c)。B-TT AIE点处理组的SBR在24小时仅下降到3.9，而D-TT AIE点处理组下降到2.4。推测B-TT AIE点可以通过主动靶向在肿瘤中积累，从而在肿瘤区域停留较长时间。在HepG2荷瘤小鼠模型中也观察到类似的现象(图5b，5d)。

图5

随后作者建立原位胶质瘤小鼠模型以评估不同修饰的AIE点的肿瘤靶向成像性能。磁共振成像(MRI)和生物发光成像显示，所构建的原位神胶质瘤具有相似的肿瘤大小和细胞增殖活性(图6c，d)。如图6a所示，静脉注射D-TT AIE点后，FL信号几乎没有变化，这表明D-TT AIE点在神经胶质瘤中并不富集。相比之下，在静脉注射B-TT AIE点后，小鼠神经胶质瘤区域的FL信号显著增强，并随时间逐渐增加，这表明B-TT AIE点可以通过BBB在神经胶质瘤中积累(图6b)。这可能是因为基于白蛋白的AIE点可以通过gp60介导的仿生转运机制穿透血脑屏障并靶向胶质瘤细胞。定量分析表明SBR达到最大值在注射后12小时为3.2，比D-TT AIE点处理的小鼠高约2倍(图6e)。作者进一步应用B-TT AIE点对小鼠模型的脑缺血进行成像。通过静脉注射玫瑰孟加拉并照射25分钟建立脑缺血模型(图6f)。在没有照射的情况下，可以在大脑半球中观察到丰富的血管。相比之下，在大脑半球的照射区域中几乎没有血管，表明形成了局部缺血(图6g)。成像区域的高斯拟合显示分辨率可达70微米，SBR高达90，表明该探头能够高灵敏度、高分辨率地对脑缺血区域进行精确成像(图6h，I)。

图6

最后，作者评估了基于白蛋白的AIE dots的生物安全性。结果表明基于白蛋白的AIE点具有优异的组织相容性(图7a-q)。

图7

总结：作者开发了一种白蛋白整合的方法来增强FL并提高AIEgens的主动肿瘤靶向能力。结合常数的测定和分子对接模拟揭示了这种结合机制。与传统的D-AIE纳米探针相比，B-AIE纳米探针显示出更高的QYs和细胞摄取效率。在体内脑肿瘤和脑缺血模型中，使用B-TT AIE点的NIR-II FL可以实现高的SBR (∼90微米)和分辨率(70微米)。因此，与传统的两亲聚合物相比，白蛋白是开发AIE纳米探针的良好平台，在脑部疾病的高灵敏和高分辨率成像方面显示出潜在的优势。

参考文献

https://doi.org/10.1021/acsami.1c22700

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