內(nèi)容提要

第二近紅外熒光成像(NIR-II FI)引導(dǎo)的NIR-II光熱療法(PTT)因其診斷準(zhǔn)確，增強(qiáng)了對(duì)癌癥的治療效果，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。開發(fā)具有優(yōu)異NIR-II熒光和PTT性能的共軛聚合物存在強(qiáng)的非輻射衰減、在有機(jī)溶液中的低溶解度和顯著的聚集引起的猝滅(ACQ)效應(yīng)等問題，本文通過引入烷基側(cè)鏈修飾的雙噻吩(2TC)作為富電子給體單元，得到了在NIR-II區(qū)具有良好溶解度和強(qiáng)的NIR-II FI信號(hào)的共軛聚合物TTQ-2TC。由TTQ-2TC制備的水溶性納米顆粒(TTQ-2TC NPs)用于精確的NIR-II FI引導(dǎo)的NIR-II PTT治療。體內(nèi)血液和**成像及治療表明TTQ-2TC NPs具有較高的信號(hào)-背景比(SBR)和NIR-II PTT良好的抗**療效。

前言

近年來，，光學(xué)成像引導(dǎo)的光熱治療(PTT) 由于其優(yōu)越的診斷精度，是一種很有前途的抗癌治療策略。迄今為止報(bào)道的絕大多數(shù)PTT平臺(tái)都是基于近紅外第一光學(xué)窗口(NIR- I，750-900 nm)，其治療效果極大地限制在小的組織穿透深度和低的最大允許激光功率，如0.33 W cm ^{- 2}的808 nm)。因此，1064 nm波長(zhǎng)的光作為PTT的光觸發(fā)器受到越來越多的關(guān)注，因?yàn)樗谡＝M織中穿透更深，并且NIR-II區(qū)域(1000~1700 nm波長(zhǎng))的最大允許激光功率(1 W cm^?2)。共軛聚合物(CPs)因其易修飾的化學(xué)結(jié)構(gòu)、可定制的近紅外吸收、優(yōu)越的光熱轉(zhuǎn)換和優(yōu)良的生物相容性等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到人們的廣泛關(guān)注。在目前的光學(xué)成像方法中，無創(chuàng)NIR-II熒光成像(NIR-II FI，1000~1700 nm)具有較高的組織穿透深度(約5~20 mm)，在準(zhǔn)確診斷癌癥方面具有巨大的潛力。盡管NIR-II PTT和NIR-II FI的結(jié)合為癌癥的更準(zhǔn)確診斷和增強(qiáng)治療效果帶來了希望，但是具有優(yōu)異的NIR-II PTT和NIR-II FI的共軛聚合物由于其在有機(jī)溶液中的低溶解度、顯著的聚集猝滅(ACQ)效應(yīng)和強(qiáng)的非輻射衰減而使聚合物的熒光發(fā)射失活，因此對(duì)于滿足準(zhǔn)確診斷和精確高效的癌癥治療的需求具有很高的價(jià)值。本論文以三唑[4,5-g]-喹啉(TTQ)為電子受體單位，長(zhǎng)烷基側(cè)鏈修飾的雙噻吩(2TC)為電子給體單元，設(shè)計(jì)合成了一種新型共軛聚合物(TTQ-2TC)，優(yōu)化的1064 nm波長(zhǎng)吸收，強(qiáng)的NIR-II FI信號(hào)。利用TTQ-2TC制備了NIR-II FI/NIR-II PTT光治療納米顆粒(TTQ-2TC NPs)，具有良好的水分散性、良好的生物相容性、良好的光穩(wěn)定性和**聚集性。TTQ-2TC NPs實(shí)現(xiàn)了后肢和腹部血管的高分辨率血管成像。TTQ-2TC NPs在1064 nm激光照射下可產(chǎn)生熱療效果，具有顯著的體外抗**療效。在體內(nèi)**治療中證實(shí)TTQ-2TC NPs在NIR-II FI成像和NIR-II PTT納米醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有很大的可行性。

結(jié)果與討論

獲得理想的聚合物具有吸收在1064 nm NIR-II PTT和NIR-II FI NIR-II有強(qiáng)烈的熒光，TTQ為吸電子單元， 2TC為給電子單元，實(shí)現(xiàn)高有機(jī)溶劑溶解度。該π共軛聚合物為TTQ-2TC通過Stille偶聯(lián)聚合。TTQ-2TC共聚物在氯仿、四氫呋喃(THF)、甲苯等常用有機(jī)溶劑中可以完全溶解(圖1b)。TTQ-2TC在600~1300 nm處顯示吸收帶，對(duì)應(yīng)于D-A-D電荷轉(zhuǎn)移態(tài)的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT)，在815 nm處的吸收峰較寬。吸收結(jié)果表明，該聚合物在1064 nm波長(zhǎng)具有很強(qiáng)的吸收。采用808 nm激光激發(fā)， TTQ-2TC共聚物的主熒光發(fā)射峰位于1070 nm處，肩峰位于1270 nm處，量子產(chǎn)率(QY)測(cè)量為0.3%(在THF中以IR-1061標(biāo)準(zhǔn))。TTQ-2TC THF溶液在不同濾波器(1064長(zhǎng)通(LP)，1100?1200，1200?1300和1300?1400 nm)下的NIR-II FI(圖1c)。在所有的NIR-II濾波器中，甚至在1300 ~ 1400 nm的NIR-II區(qū)域都可以清晰地觀察到NIR-II成像信號(hào)。

圖1。(a)吸收和發(fā)射光譜;(b) TTQ-2TC溶液在THF中的照片;(c) TTQ-2TC在不同濾光片(1064 LP, 1000?1100,1100?1200,1200?1300和1300?1400 nm) THF (0.03 mg mL?1)中的NIR-II熒光成像;808nm激光為激發(fā))。

作者利用兩親性共聚物PS - PEG負(fù)載TTQ-2TC通過超聲納米沉淀法。圖2a為TTQ-2TC NPs在水中的吸收光譜和發(fā)射光譜。TTQ-2TC NPs在700~1200 nm有較寬的吸收峰，吸收峰為880 nm。在808 nm激光照射下，TTQ-2TC NPs在1050 ~ 1400 nm表現(xiàn)出較強(qiáng)的NIR-II熒光，最大發(fā)射峰和肩發(fā)射峰分別出現(xiàn)在1270 nm和1135 nm處。TTQ-2TC NPs具有較高的量子產(chǎn)率(QY)，為0.03%。TTQ-2TC NPs溶液顏色為紅色(圖2b)， TTQ-2TC NPs的水動(dòng)力直徑約為140 nm, PDI為0.13(圖2b)。TTQ-2TC NPs具有球形形貌，平均直徑為130 nm，透射電鏡(TEM)圖像(圖2c)。TTQ-2TC NPs在PBS(磷酸鹽緩沖鹽水)、FBS(含10%胎牛血清的溶液)和DMEM (Dulbecco’s modified Eagle’s培養(yǎng)基)中基本保持一致(圖2d)?？紤]到TTQ-2TC NPs在水中具有高1064 nm的吸收(圖2a)，并且與之前報(bào)道的NIR-II光熱治療納米劑類似，TTQ-2TC NPs在1064 nm處的消光系數(shù)為6.2 L g^?1cm^?1(圖S6a)。TTQ-2TC NPs在1064 nm激光照射下具有良好的光熱轉(zhuǎn)換能力，在1064 nm激光照射360 s后，0.04和0.08 mg mL?1的TTQ-2TC NPs溶液分別從30°C和67°C增加，而在相同條件下的純水中，僅增加了2°C(如圖2e所示)。在1064 nm激光照射下，TTQ-2TC NPs的光熱轉(zhuǎn)換效率(η)為34.9%，反映了TTQ-2TC NPs在1064 nm激光照射下的優(yōu)異光熱性能，具有作為PTT光熱劑的潛力。

圖2。(a)吸收和發(fā)射光譜；(b) TTQ-2TC NPs的水動(dòng)力直徑。插圖：TTQ-2TC NPs熒光照片；(c) TTQ-2TC NPs的TEM；(d)不同介質(zhì)中TTQ-2TC NPs；(e)不同濃度TTQ-2TC NPs在1064 nm (1.0 W cm^?2)激光照射360 s時(shí)溫度升高；(f)在恒定激光曝光(1064 nm, 1.0 W cm^?2)下TTQ-2TC NPs的光熱穩(wěn)定性

TTQ-2TC NPs NPs與MDA-MB-231細(xì)胞系孵育24 h后，MTT測(cè)定TTQ-2TC NPs的體外細(xì)胞毒性，在沒有1064 nm激光照射的情況下，超過95%的細(xì)胞系存活，表明TTQ-2TC NPs在0.8 mg mL^?1內(nèi)的細(xì)胞毒性可以忽略不計(jì)。TTQ-2TC NPs孵育4 h后，MDA-MB-231細(xì)胞中檢測(cè)到強(qiáng)烈的NIR-II圖像信號(hào)。為了評(píng)價(jià)TTQ-2TC NPs對(duì)MDA-MB-231細(xì)胞的光熱治療毒性，我們首先采用MTT法測(cè)定了MDA-MB-231細(xì)胞的活性。在1064 nm激光照射(5 min, 1.0 W cm^?2)后，隨著TTQ-2TC NPs濃度的增加，細(xì)胞活力明顯下降(如圖3a所示)。采用Calcein-AM/PI染料染色活細(xì)胞和死細(xì)胞，“TTQ-2TC NPs +激光”組可見明顯的紅色熒光，顯示大部分細(xì)胞壞死，TTQ2TC NPs對(duì)細(xì)胞有良好的PTT作用(圖3b)。所有對(duì)照組的細(xì)胞均呈現(xiàn)綠色熒光，說明TTQ-2TC NPs具有最佳的生物相容性，且1064 nm激光照射對(duì)細(xì)胞無損傷。

圖3。 (a)不同處理組的細(xì)胞存活率:不同濃度的TTQ-2TC NPs(黑色柱)或不(紅色柱)1064 nm激光照射5 min (1.0 W cm^?2);(b) calcein-AM/PI連體細(xì)胞CLSM圖像:沒有任何處理MDA-MB-231細(xì)胞，只有TTQ-2TC NPs或1064 nm激光照射(1.0 W cm^?2,5 min)處理細(xì)胞以及TTQ-2TC NPs和1064 nm照射處理細(xì)胞。比例尺: 50 μm。

在808 nm激光照射下，TTQ-2TC NPs可以在NIR-II區(qū)(900 ~ 1400 nm)發(fā)出強(qiáng)熒光。因此，選擇健康BALB/c小鼠進(jìn)行TTQ-2TC NPs的體內(nèi)NIR-II FI性能。BALB/c小鼠靜脈注射TTQ-2TC NPs (1.0 mg mL^?1,100 μL)后，獲得全身NIR-II顯像。在808 nm激光照射下，從周圍背景組織中可以清晰地觀察到小鼠的明亮腦血管，特別是腹部(圖4a,)。如圖4c, d所示。通過放大腦、后肢區(qū)域，量化主血管橫切面的熒光強(qiáng)度(以紅線表示)，腦、后肢血管成像的信號(hào)背景比(SBR)分別高達(dá)8和9.5。后肢和腹部血管寬度分別為0.29 mm和0.25 mm，證實(shí)了TTQ-2TC NPs具有高分辨率成像能力，是體內(nèi)NIR-II成像的理想探針。

圖4。健康BALB/c小鼠注射TTQ-2TC NPs, 808 nm激光激發(fā)(1064 nm LP濾光片，100 ms曝光時(shí)間)后的NIR-II熒光圖像:(a)小鼠體脈管系統(tǒng)，(b)腹部，(c)大腦，(d)后肢。(e)腦血管和(f)后肢的SBR(信號(hào)-背景比)和橫斷面熒光強(qiáng)度剖面圖(根據(jù)紅色虛線)

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)NIR-II FI在體內(nèi)**中的作用，作者將TTQ-2TC NPs靜脈注射到皮下移植MDA-MB-231荷瘤小鼠體內(nèi)。分別在靜脈注射TTQ2TC NPs前后1、4、8、12、24 h，獲得**NIR-II熒光圖像(圖5a)。注射TTQ-2TC NPs (1.0 mg mL^?1,100 μL)，**血管系統(tǒng)檢測(cè)到較強(qiáng)的NIR-II成像信號(hào)。在注射后4 h，**內(nèi)部明亮的NIR-II成像信號(hào)開始逐漸增加，這表明TTQ2TC NPs由于增強(qiáng)的通透性和保留(EPR)作用而在**組織中積累。另外，在注射TTQ-2TC NPs 12 h后，**部分量化的NIR-II顯像信號(hào)不斷增強(qiáng)并上升至最高水平(圖5b)。這些結(jié)果表明TTQ-2TC NPs在NIR-II FI引導(dǎo)的NIR-II PTT中表現(xiàn)出被動(dòng)靶向**的能力。為了評(píng)估TTQ-2TC NP在體內(nèi)的分布，注射TTQ-2TC NPs 24小時(shí)后，解剖**和主要器官(肝、肺、脾、腎、心和腸)進(jìn)行體外NIR-II FI，從這些離體NIR-II熒光圖像中，我們注意到清晰的NIR-II熒光信號(hào)主要見于**、肝臟和脾臟組織。說明TTQ-2TC NPs具有較強(qiáng)的EPR效應(yīng)，可在**中積累，肝膽系統(tǒng)是NPs的主要代謝途徑。

圖5。MDA-MB-231荷瘤小鼠的體內(nèi)NIR-II圖像和紅外熱圖像。(a)小鼠在靜脈注射TTQ-2TC NPs后1、4、8、12、24 h的NIR-II圖像(紅色點(diǎn)圈代表MDA-MB-231**區(qū)域)(808 nm激光激發(fā)，1064 nm LP濾光片激發(fā)，曝光時(shí)間為100 ms);(b) TTQ-2TC NPs注射后不同時(shí)間**NIR-II圖像的SBR;(c)經(jīng)靜脈注射TTQ-2TC NPs或PBS, 1064 nm光照射(1.0 W cm?2)12 h后MDA-MB-231**小鼠的紅外熱像;(d)**區(qū)域相應(yīng)的溫升軌跡與照射時(shí)間(MDA-MB-231**小鼠注射TTQ-2TC NPs或PBS)。

評(píng)價(jià)TTQ-2TC NPs在1064 nm光照射下對(duì)MDA-MB-231移植瘤小鼠體內(nèi)NIR-II PTT作用。作者隨機(jī)將MDA-MB-231**異種移植小鼠分成四組(n = 6):一個(gè)PBS治療組(PBS) PBS和波長(zhǎng)1064納米的激光照射治療組(PBS +激光),和一個(gè)只TTQ2TC NPs治療組(TTQ-2TC NPs)，以及TTQ-2TC NPs與波長(zhǎng)1064納米的激光輻照治療組(TTQ-2TC NPs +激光)。注射TTQ-2TC NPs 12小時(shí)后，根據(jù)NIR-II熒光成像結(jié)果，NP積累達(dá)到最大值，因此皮下**用1064 nm激光照射(1.0 W cm^?2,10分鐘)。圖5c為紅外熱像儀拍攝的不同組小鼠經(jīng)過不同治療后**溫度變化情況。**溫度迅速增加到53°C TTQ-2TC NPs +激光組照射5分鐘后,表明高光照轉(zhuǎn)換能力TTQ-2TC NPs在**內(nèi)部,雖然PBS +激光組顯示只有一個(gè)微小的溫度變化在相同的激光條件下32°C。在不同的治療后，我們檢測(cè)**體積和小鼠體，以定量NIR-II PTT療效。1064 nm激光處理的PBS組和TTQ-2TC NPs組，**出現(xiàn)了急劇的生長(zhǎng)趨勢(shì)(圖6a, b)。相反，1064 nm激光處理的TTQ-2TC NPs組，**完全被禁止生長(zhǎng)。第14天，處死所有**小鼠，取MDA-MB-231**及其他主要組織(包括心、肺、脾、腎)進(jìn)行蘇木精和伊紅染色分析(圖6c和7)。“TTQ-2TC NPs +激光”組**細(xì)胞明顯壞死，而其他三個(gè)對(duì)照組未觀察到明顯的組織病理學(xué)損傷。在NIR-II光熱治療下，TTQ-2TC NPs能有效地殺傷**。“TTQ-2TC NPs +激光”組小鼠的心、脾、肺、腎H&E染色(圖7)顯示主要組織的細(xì)胞結(jié)構(gòu)無明顯變化。上述結(jié)果表明TTQ-2TC制劑具有生物安全性。

圖6。 (a)不同治療后MDA-MB-231異種移植瘤小鼠**體積隨時(shí)間變化曲線；(b) NIR-II PTT期末**照片；(c)不同治療小鼠**切片的H&E染色圖像。

結(jié)論

通過引入長(zhǎng)烷基鏈修飾的電子給體2TC制備了一種新型共軛聚合物TTQ-2TC，該聚合物在有機(jī)溶劑中具有良好的溶解度，在NIR-II區(qū)具有優(yōu)化的吸收，并具有明亮的NIR-II熒光信號(hào)。通過與兩親性共聚物PS - PEG的簡(jiǎn)單納米沉淀法得到水溶性共軛聚合物納米顆粒(TTQ-2TC NPs)。TTQ2TC NPs具有良好的水分散性、高分辨率的血管成像質(zhì)量、良好的光穩(wěn)定性以及在1064 nm波長(zhǎng)激光照射下優(yōu)越的光熱效應(yīng)TTQ-2TC NPs可以作為NIR-II FI引導(dǎo)的NIR-II PTT治療皮下移植MDA-MB-231**的有效光療探針。

參考文獻(xiàn)

Xingwen Song, Xiaomei Lu, Bo Sun, Hua Zhang, Pengfei Sun, Han Miao,* Quli Fan,* and Wei Huang, Conjugated Polymer Nanoparticles with Absorption beyond 1000 nm for NIR-II Fluorescence Imaging System Guided NIR-II Photothermal Therapy, ACS Appl. Polym. Mater. 2020, 2, 4171?4179. DOI:10.1021/acsapm.0c00637.

https://dx.doi.org/10.1021/acsapm.0c00637

產(chǎn)品提供

 TTQ-2TC                      BT-BBT-2TC  

TTQ-2TC-4T

近紅外二區(qū)熒光探針/光熱試劑