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應(yīng)用紀(jì)要：基于白蛋白與AIEgens促進(jìn)膠質(zhì)瘤和腦血管NIR-II熒光成像
本文要點(diǎn)：應(yīng)用外源性聚合物基質(zhì)構(gòu)建聚集誘導(dǎo)發(fā)射(AIE)納米探針促進(jìn)了AIE發(fā)光體(AIEgens)在診斷腦部疾病中的應(yīng)用。然而，基于AIE的納米探針的有限熒光(FL)和低主動(dòng)靶向能力阻礙了它們的成像應(yīng)用。本文報(bào)道了一種白蛋白整合的AIE探針，采用內(nèi)源性白蛋白作為有效的基質(zhì)來封裝AIE探針，以提高熒光量子產(chǎn)率(QY)和主動(dòng)靶向能力。白蛋白整合策略有效地抑制了白蛋白的分子內(nèi)振動(dòng)，并增強(qiáng)了gp60受體介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)吞作用。
背景：與可見光區(qū)域（400-650 nm）和第一個(gè)近紅外窗口（NIR-I，650-950nm）的傳統(tǒng)熒光成像相比，第二個(gè)近紅外窗口（NIR-II，1000-1700 nm）表現(xiàn)出更高的信噪比（SBR）和更深的組織穿透，這歸因于其低組織吸收和散射。在各種NIR-II熒光納米探針中，聚集誘導(dǎo)發(fā)射發(fā)光劑(AIEgens)在高濃度或聚集狀態(tài)下具有強(qiáng)熒光，克服了傳統(tǒng)有機(jī)染料聚集誘導(dǎo)猝滅效應(yīng)的局限性。疏水性AIEgens通常需要使用兩親性聚合物進(jìn)行后處理，以封裝并形成親水性納米顆粒（也稱為AIE點(diǎn)）。然而，有限FL和低主動(dòng)靶向能力使得AIE點(diǎn)難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的腦成像。因此，發(fā)展高效的策略制備具有強(qiáng)熒光和腦腫瘤靶向能力的水溶性AIE點(diǎn)具有重要意義。
研究?jī)?nèi)容：作者提出了一種制備AIE點(diǎn)的白蛋白整合策略。白蛋白的疏水結(jié)構(gòu)域與AIEgens強(qiáng)烈相互作用并通過氫鍵固定AIEgens，抑制AIEgens的分子內(nèi)振動(dòng)并提高QYs。作者研究了基于白蛋白的AIE點(diǎn)(B-AIE點(diǎn))在癌細(xì)胞和皮下荷瘤小鼠模型中的腫瘤主動(dòng)靶向能力，采用B-AIE點(diǎn)在原位膠質(zhì)瘤和局部腦缺血小鼠模型中實(shí)現(xiàn)腦腫瘤和腦血管的NIR-II FL成像。
AIE點(diǎn)的合成與表征如圖所示，作者用DSPE-PEG2000(D-AIE點(diǎn))和牛血清白蛋白(B-AIE點(diǎn))作為封裝配體制備了具有不同發(fā)射的載有AIEgens(DT，AT，TT)的納米探針(圖1a，b)。如圖1c所示，B-DT、B-AT和B-TT AIE點(diǎn)顯示出均勻的球形形貌，與D-AIE點(diǎn)相似(圖1d)。表明白蛋白可以用作制備AIE點(diǎn)的封裝基質(zhì)。作者通過測(cè)量斜率來評(píng)估B-AIE點(diǎn)與傳統(tǒng)D-AIE點(diǎn)之間的QY變化，如圖1e所示，結(jié)果表明B-AIE量子點(diǎn)比D-AIE量子點(diǎn)具有更高的量子效率。
作者繼續(xù)研究了白蛋白修飾后QYs的增強(qiáng)機(jī)制。如圖2a所示，白蛋白的熒光強(qiáng)度隨著DT濃度的增加而逐漸降低。圖2a插圖表明DT與白蛋白之間存在強(qiáng)相互作用。作者使用分子對(duì)接技術(shù)進(jìn)行了DT和白蛋白之間的分子對(duì)接研究。如圖2b所示，DT與白蛋白的結(jié)合位點(diǎn)形成適當(dāng)?shù)目臻g互補(bǔ)。圖2c和2e顯示存在AT和TT的情況下，白蛋白的FL猝滅現(xiàn)象與DT相似。較高濃度的AT/TT導(dǎo)致白蛋白更多的熒光猝滅，這表明AT/TT與白蛋白結(jié)合。AT和TT的結(jié)合常數(shù)都小于DT的結(jié)合常數(shù)。此外，AT和TT的芳香環(huán)有助于與Trp213的噻吩環(huán)形成π-π堆積相互作用。作為氫鍵供體，TT中噻吩環(huán)上的硫原子與Glu291形成氫鍵(圖2d，f)。DT是三種白蛋白中與白蛋白結(jié)合好的分子。這些相互作用增強(qiáng)了分子構(gòu)象剛性，提高了熒光發(fā)射效率。
作者繼續(xù)研究了基于白蛋白的AIE點(diǎn)對(duì)過表達(dá)gp60受體的癌細(xì)胞(包括HepG2、4T1和C6細(xì)胞系)的主動(dòng)靶向能力(圖4a)。共聚焦圖像(圖4b)顯示，經(jīng)B-DT AIE點(diǎn)處理的癌細(xì)胞比經(jīng)D-DT AIE點(diǎn)處理的癌細(xì)胞顯示出更強(qiáng)的熒光強(qiáng)度。在HepG2、4T1和C6細(xì)胞系與B-DT AIE點(diǎn)孵育后，F(xiàn)L強(qiáng)度比D-DT AIE點(diǎn)處理的癌細(xì)胞高6.5、9.6和13.0倍(圖4c)。結(jié)果表明，HepG2、4T1和C6細(xì)胞系對(duì)B-DT AIE點(diǎn)的吞噬作用遠(yuǎn)大于D-DT AIE點(diǎn)。因此，推測(cè)基于白蛋白的AIE點(diǎn)對(duì)過表達(dá)gp60受體的癌細(xì)胞具有良好的主動(dòng)靶向能力。
隨后作者建立原位膠質(zhì)瘤小鼠模型以評(píng)估不同修飾的AIE點(diǎn)的腫瘤靶向成像性能。磁共振成像(MRI)和生物發(fā)光成像顯示，所構(gòu)建的原位神膠質(zhì)瘤具有相似的腫瘤大小和細(xì)胞增殖活性(圖6c，d)。如圖6a所示，靜脈注射D-TT AIE點(diǎn)后，F(xiàn)L信號(hào)幾乎沒有變化，這表明D-TT AIE點(diǎn)在神經(jīng)膠質(zhì)瘤中并不富集。相比之下，在靜脈注射B-TT AIE點(diǎn)后，小鼠神經(jīng)膠質(zhì)瘤區(qū)域的FL信號(hào)顯著增強(qiáng)，并隨時(shí)間逐漸增加，這表明B-TT AIE點(diǎn)可以通過BBB在神經(jīng)膠質(zhì)瘤中積累(圖6b)。這可能是因?yàn)榛诎椎鞍椎腁IE點(diǎn)可以通過gp60介導(dǎo)的仿生轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制穿透血腦屏障并靶向膠質(zhì)瘤細(xì)胞。定量分析表明SBR達(dá)到較大值在注射后12小時(shí)為3.2，比D-TT AIE點(diǎn)處理的小鼠高約2倍(圖6e)。作者進(jìn)一步應(yīng)用B-TT AIE點(diǎn)對(duì)小鼠模型的腦缺血進(jìn)行成像。通過靜脈注射玫瑰孟加拉并照射25分鐘建立腦缺血模型(圖6f)。在沒有照射的情況下，可以在大腦半球中觀察到豐富的血管。相比之下，在大腦半球的照射區(qū)域中幾乎沒有血管，表明形成了局部缺血(圖6g)。成像區(qū)域的高斯擬合顯示分辨率可達(dá)70微米，SBR高達(dá)90，表明該探頭能夠高靈敏度、高分辨率地對(duì)腦缺血區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確成像(圖6h，I)。
作者評(píng)估了基于白蛋白的AIE dots的生物安全性。結(jié)果表明基于白蛋白的AIE點(diǎn)具有優(yōu)異的組織相容性(圖7a-q)。
總結(jié)：作者開發(fā)了一種白蛋白整合的方法來增強(qiáng)FL并提高AIEgens的主動(dòng)腫瘤靶向能力。結(jié)合常數(shù)的測(cè)定和分子對(duì)接模擬揭示了這種結(jié)合機(jī)制。與傳統(tǒng)的D-AIE納米探針相比，B-AIE納米探針顯示出更高的QYs和細(xì)胞攝取效率。在體內(nèi)腦腫瘤和腦缺血模型中，使用B-TT AIE點(diǎn)的NIR-II FL可以實(shí)現(xiàn)高的SBR(～90微米)和分辨率(70微米)。因此，與傳統(tǒng)的兩親聚合物相比，白蛋白是開發(fā)AIE納米探針的良好平臺(tái)，在腦部疾病的高靈敏和高分辨率成像方面顯示出潛在的優(yōu)勢(shì)。
參考文獻(xiàn)
doi.org/10.1021/acsami.1c22700
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近紅外二區(qū)小動(dòng)物活體熒光成像系統(tǒng)-MARS
NIR-II in vivo imaging system
高靈敏度-采用Princeton Instruments深制冷相機(jī)，活體穿透深度高于15mm
高分辨率-定制高分辨大光圈紅外鏡頭，空間分辨率優(yōu)于3um
熒光壽命-分辨率優(yōu)于5us
高速采集-速度優(yōu)于1000fps（幀每秒）
多模態(tài)系統(tǒng)-可擴(kuò)展X射線輻照、熒光壽命、一區(qū)熒光成像、原位成像光譜，CT等
顯微鏡-近紅外二區(qū)高分辨顯微系統(tǒng)，兼容成像型光譜儀
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恒光智影
上海恒光智影醫(yī)療科技有限公司，專注于近紅外二區(qū)成像技術(shù)。致力于為生物醫(yī)學(xué)、臨床前和臨床應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域的研究提供先進(jìn)的、一體化的成像解決方案。自主研發(fā)近紅外二區(qū)小動(dòng)物活體熒光成像系統(tǒng)-MARS。
與基于可見光波長(zhǎng)的傳統(tǒng)成像技術(shù)相比，我們的技術(shù)側(cè)重于X射線、紫外、紅外、短波紅外、太赫茲范圍，可為腫瘤學(xué)、神經(jīng)學(xué)、心血管、藥代動(dòng)力學(xué)等一系列學(xué)科的科研人員提供清晰的成像效果，助力科技研發(fā)。
同時(shí)，恒光智影還具備探針研發(fā)能力，我們已經(jīng)成功研發(fā)了超過15種探針，這些探針將廣泛地應(yīng)用于眾多生物科技前沿領(lǐng)域的相關(guān)研究中。
