Small:非氧依赖型无载体纳米药物用于MRI介导下缺氧肿瘤的光热-热动力协同治疗

纳米药物介导的肿瘤光热(PTT)/光动力(PDT)协同治疗已展现出巨大的临床应用潜力。然而,缺氧的肿瘤微环境对氧依赖型PDT产生较大的负面影响。此外,如何提高肿瘤光疗的精准度以降低对周围正常组织的热损伤,同时克服肿瘤热抗性对光热疗效的不利影响迫在眉睫。为此,利用成像技术准确定位肿瘤,开发具有非氧依赖性的光热协同治疗模式是进一步提高癌症光疗效果的关键。热动力治疗(TDT)是一种由高毒性烷基自由基介导的新型非氧依赖型癌症治疗手段, 主要利用热分解型自由基引发剂(如偶氮类化合物)受热后产生的高毒性烷基自由基诱导细胞凋亡和坏死。通过将TDT与PTT相结合,不但解决了TDT过程中的热源问题,同时可开展癌症协同治疗。因此,构建一种肿瘤成像介导的非氧依赖型PTT/TDT协同治疗纳米药物,对肿瘤后期研究和临床治疗具有重要意义。

无载体纳米药物(carrier-free nanomedicine)是通过药物本身或“两亲性药物-药物缀合物”自组装形成的纳米药物,并能够实现药物的自递送模态。与传统的纳米药物相比,无载体纳米药物具有制备方法简单、抗癌效率高、避免引入无治疗作用载体或材料对机体带来潜在毒性或免疫源性等优点,而且其载药量甚至可达到100%。因此,哈佛大学张兴才、西安交通大学杨哲课题组合作构建了一种无载体纳米诊疗剂,用于磁共振成像(MRI)介导下的非氧依赖型PTT/TDT协同治疗,从而有效改善了缺氧肿瘤的治疗效果。首先,本研究制备了两种近红外光热剂IR780的衍生物 (IR780-PEG及IR780-ATU)。随后,通过纳米沉淀法制备了由IR780衍生物及热分解型自由基引发剂AIBME共组装的纳米药物。此外,由于酰基硫脲(ATU)对过渡金属具有较高的螯合效率,Mn2+在纳米药物自组装的过程中被成功引入,最终得到了PTT/TDT协同治疗纳米药物AIBME@IR780-APM NPs(图1)。

图1. 无载体纳米药物AIBME@IR780-APM NPs的结构(A)及其用于MRI介导的缺氧肿瘤PTT/TDT协同治疗过程(B)。

研究表明,优化后的无载体纳米药物粒径为226.7 nm,电位近中性;在808 nm激光辐照下具有良好的光热升温效果和优于游离IR780的光热稳定性(图2),光热转换效率为25.28%。

图2. 无载体纳米诊疗剂AIBME@IR780-APM NPs的表征。(A-B)纳米药物的TEM图及粒径分布。(C-D)纳米药物的吸收及荧光光谱。(E-H)AIBME@IR780-APM NPs溶液的光热效果及光热稳定性评价。

随后,利用ABTS为自由基捕获剂,比较了不同温度、加热及光照时长下纳米药物的自由基的产生效率 (图3)。结果表明,升温后AIBME可热分解并产生大量烷基自由基。此外,由IR780介导的光热升温也可引发自由基的产生。ESR结果也确定了由基类型为AIBME热分解所产生的烷基自由基。

图3. (A-G)利用ABTS为自由基捕获剂,在不同温度、加热及光照时长下相应无载体纳米药物的自由基的产生效率。(H)加热或激光辐照下纳米药物的ESR谱图。

此外,研究人员利用DCFH-DA作为胞内自由基探针,证明了808 nm激光照射下,经纳米药物孵育后细胞内可有效产生自由基;采用MTT法验证该协同治疗纳米药物可有效杀伤肿瘤细胞,且对于缺氧条件下培养的肿瘤细胞,其细胞杀伤能力依旧显著(图4)。

图4. (A-C)808 nm激光辐照下,经游离AIBME及纳米药物孵育后常氧或缺氧4T1细胞内烷基自由基的产生效率评价。(D-F)激光照射下,游离AIBME及纳米药物对常氧或缺氧4T1细胞的杀伤效果评价。

随后,通过FT-IR及XPS证明了纳米粒子中的ATU对Mn2+的成功鳌合。利用电感耦合等离子体发射光谱计算AIBME@IR780-APM NPs中IR780与Mn2+摩尔比为4.4/1。此外,该诊疗一体纳米药物呈现出较好的体内外成像性能, 包括较高的纵向弛豫率(7.8 mM-1s-1)及良好的肿瘤成像效果(图5)。

图5. (A-B)纳米药物AIBME@IR780-APM NPs的X射线光电子能谱(XPS)。(C-F)纳米药物的体内外MRI信号增强效果。

为评价纳米药物的小鼠体内分布,本实验了构建4T1荷瘤小鼠模型,纳米药物经尾静脉注射入24h 后,该纳米药物可在肿瘤部位有效聚集,优于游离IR780。此外,纳米药物在体内具有良好的光热升温效果。在抑瘤实验中,纳米药物在激光辐照下可通过协同治疗有效抑制皮下肿瘤的生长,且可有效引起肿瘤细胞的凋亡和坏死(图6)。同时,该无载体纳米诊疗剂展现出良好的生物安全性,进一步表明其具有较大的临床应用潜力。

图6. (A-B)纳米药物经尾静脉注射后的小鼠体内分布及肿瘤部位升温效果评价。(C-F)纳米药物的体内抑瘤效果。(G)治疗中小鼠肿瘤的H&E和TUNEL染色图像。

西安交通大学杨哲、田中民及哈佛大学张兴才为文章的共同通讯作者。

论文信息:

NIR/MRI-Guided Oxygen-Independent Carrier-Free Anti-Tumor Nano-Theranostics

Di Gao, Yupeng Shi, Jiahua Ni, Shuojia Chen, Ying Wang, Bin Zhao, Manli Song, Xiaoqing Guo, Xuechun Ren, Xingcai Zhang*, Zhongmin Tian*, Zhe Yang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202106000

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202106000