RBC Membrane Camouflaged Semiconducting Polymer Nanoparticles for Near-Infrared Photoacoustic Imaging and Photothermal Therapy
Dongye Zheng#,Peiwen Yu#, Zuwu Wei, Cheng Zhong, Ming Wu*, Xiaolong Liu*Nano‑Micro Lett.(2020) 12:94https://doi.org/10.1007/s40820-020-00429-x1. 合成了红细胞膜(RBCM)包覆的具有窄带隙、尺寸小的D-A型半导体聚合物纳米颗粒(SPN@RBCM)用于肿瘤的光声成像和光热治疗。2. D-A型结构使SPN具有优异的近红外吸收能力、较高的光热转换能力和良好的光热稳定性。3. RBCM的包覆提高了SPN生物相容性、延长了其血液循环、增加了其在肿瘤的累积。4. 超小尺寸这一特性赋予了SPN较深的肿瘤穿透能力和被快速清除体外的能力。研究背景
有机半导体纳米材料(SPN)具有生物惰性以及吸收截面大、光热转换效率高等优点，已被广泛用于荧光和光声成像及光热和光动力治疗等领域。然而，人工合成的SPN易被机体免疫系统识别清除、体内循环时间短，导致其在肿瘤部位富集较少；此外，肿瘤部位渗透深度不够以及代谢速度较慢导致的潜在生物毒性也是限制包括SPN在内的众多纳米材料临床转化的一大难题。源于红细胞优异的体内长循环能力，以及超小尺寸颗粒在体内快速代谢和肿瘤深部浸润渗透的能力，我们将两者结合，设计一种尺寸超小、表面“伪装”有红细胞膜的SPN纳米探针，实现了肿瘤部位高效光声成像和光热治疗。福建医科大学孟超肝胆医院吴名、刘小龙团队基于D-A型有机半导体聚合物(SPN)优异的光热转换效率和光热稳定性，开发了一种红细胞包覆、尺寸超小(＜5 nm)、适用于肿瘤光声成像和光热治疗的新型诊疗一体化纳米探针(SPN@RBCM)。红细胞膜的包覆能避免纳米探针被巨噬细胞吞噬、延长了纳米探针在体内的循环时间、增加了在肿瘤部位的富集；超小尺寸特性促进了纳米探针向肿瘤深部渗透，并加快了纳米探针在机体内的代谢、降低了其潜在毒性。借助表面红细胞膜包覆和自身小尺寸效应，纳米探针经尾静脉注射入小鼠体内，可发挥良好的光声成像和光热治疗效果。
通过纳米共沉淀法合成半导体聚合物纳米颗粒(SPN)，取健康小鼠的外周血全血制备红细胞的细胞膜(RBCM)，随后将两者按照比例(RBCM：SPN=1：5，质量比)混匀后，利用挤膜器从大到小依次通过400 nm，200 nm ，100 nm的滤膜挤压得到超小的SPN@RBCM。分子模拟计算D-A型有机半导体材料的能级为1.75 eV(图1A)，与吸收光谱结果相符，证实该材料具有近红外光吸收能力，最大吸收峰为840 nm。TEM图像表明SPN呈均匀的球形分布，大小约为2-5 nm，右上角局部放大衍射条纹进一步验证了其类似量子点晶体结构(图1B)。通过包膜前后SPN表面电位的变化以及考马斯亮蓝染色证实了红细胞膜成功包覆在SPN表面(图1C)。
图1. SPN@RBCM的体外表征。(A) SP二聚体的DFT模拟计算能级；(B) SPN的TEM图像；(C) SPN@RBCM的SDS-PAGE图。
利用SPN@RBCM具有较强的近红外吸收能力，在体外溶液水平探索了其光热转换能力。在808nm(0.8 W/cm2)光照下，SPN@RBCM溶液浓度为60 μg/mL时，光照1000 s后溶液温度从22 ℃上升到 58 ℃(图2A、B)。根据其升温-降温曲线以及降温部分获得的时间与-ln θ的线性关系，在808 nm(0.8 W /cm2)激光的照射下，SPN@RBCM的光热转换效率为59.01%(图2C、D)。通过与临床批准的ICG进行对比证实SPN@RBCM有着良好的光热稳定性以及抗光漂白的能力(图2E、F)。同时随着SPN@RBCM溶液浓度的升高光声信号逐渐增强且有着良好的线性关系(图2G、H)。图2. SPN@RBCM溶液光热性能以及光声成像的表征。(A, B) 808 nm(0.8 W/cm2)激光照射1000 s，不同浓度的SPN@RBCM溶液的升温曲线及热成像图；(C, D) SPN@RBCM的光热转换效率；(E) SPN@RBCM与ICG的光热循环曲线；(F) SPN@RBCM与ICG光照不同时间后的紫外吸收；(G)不同浓度SPN@RBCM溶液的PA图像；(H) PA信号与SPN@RBCM浓度的线性关系图。III SPN@RBCM体内分布、代谢、瘤内渗透效果构建4T1荷瘤小鼠模型，纳米探针通过静脉注射入小鼠体内后，肿瘤部位可观察到明显的荧光信号。同时相比SPN，包覆有RBCM的纳米探针(SPN@RBCM)在肿瘤部位的信号更强，证明RBCM的包覆可提高纳米探针在肿瘤部位的富集程度(图3A、B)。为了证明肿瘤富集增强的主要原因是因为RBCM包覆延长了纳米探针的血液循环时间，通过收集注射纳米探针后不同时间点的血液，离心分别取20 μL的血清测得其中荧光强度后分析血药浓度，测定纳米探针药代动力学参数。包覆RBCM后，纳米探针的血浆半衰期(t1)从4.74 h延长至29.15 h(图3C)；同时利用流式细胞术检测CD11b阳性细胞(巨噬细胞)中纳米探针的荧光信号强度，证实SPN@RBCM能够降低巨噬细胞的吞噬(图3D)。光声成像结果与荧光成像结果相符，证实包覆有RBCM的纳米探针在肿瘤部位的富集程度显著增加(图3E)。将肿瘤组织从上至下切成3片，每片均可观察到荧光信号，且SPN@RBCM比SPN荧光更强，证明SPN@RBCM可渗透至肿瘤深部(图3F、G)。注射纳米探针4天后，小鼠的主要器官未再观察到明显的荧光信号，表明SPN@RBCM能够在短时间内被体内清除，从而降低了纳米颗粒长期存在于体内引起的潜在毒副作用(图3H)。图3. SPN@RBCM体内分布、代谢、瘤内渗透效果。(A, B) 4T1荷瘤小鼠静脉注射负载DIR的SPN或SPN@ RBCM 0-48 h后体内活体及48 h后离体荧光成像图；(C) 静脉注射负载DIR的SPN或SPN@ RBCM后，不同时间点血清中的归一化荧光强度图；(D) 流式细胞仪分析体内巨噬细胞对负载DiO的SPN和SPN@ RBCM的摄取效果；(E) 静脉注射SPN或SPN@RBCM 后，肿瘤部位PA信号；(F, G) 静脉注射负载DIR的SPN或SPN@RBCM后，肿瘤切片的荧光成像图；(H) 静脉注射负载DIR的SPN@RBCM不同天数后的主要器官体外荧光成像图。构建4T1荷瘤小鼠模型，尾静脉注射PBS、SPN、SPN@RBCM，24 h后，对需要照射激光的小组进行激光照射808 nm(0.5 W/cm2)，照射的过程中每隔2 min记录一次小鼠的全身热成像图 (图4A)，并在接下来的30天内持续记录小鼠肿瘤体积。第30天时，记录肿瘤重量。结果表明，SPN@RBCM在激光照射下表现出良好的肿瘤治疗效果(图4B、C)。图4. (A) 光热治疗时各个时间点不同组小鼠全身热像图；(B) 光热治疗结束后肿瘤体积变化曲线；(C) 光热治疗结束第30天肿瘤重量。
吴名
本文通讯作者
福建医科大学孟超肝胆医院，副研究员
多模态分子影像、药物输送纳米载体和“诊疗一体化”纳米探针。主持国家自然科学基金青年科学基金项目、中国博士后面上项目、福建省卫生-教育联合攻关项目等科研项目；以第一/通讯作者身份在Nano-Micro Letters, Theranostics, ACS Applied Materials & Interfaces, Advanced Functional Materials, Chemical Communications等杂志发表论文20多篇；入选福建省青年拔尖人才计划，荣获2015年度英国物理学会“China Top Cited Author Award”、第十三届福建省自然科学优秀学术论文奖。
刘小龙
本文通讯作者
福建医科大学孟超肝胆医院，研究员
从事肿瘤早期诊断新技术与新方法、免疫治疗与精准医学方面的基础与临床转化研究。主持国家自然科学基金“国家重大科研仪器研制项目”、面上项目、国家传染病防治科技重大专项等科研项目；以通讯作者在Advanced Science, ACS Nano, Clinical Cancer Research，Small等杂志发表论文90多篇；入选福建省百人计划、福建省卫生健康突出贡献中青年专家，荣获2015年日本肿瘤学会青年科学家奖、2019年福建省科学技术进步一等奖。▍Email: xiaoloong.liu@gail.comNano-Micro Letters 是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在 Springer 开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。
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