NIR-II 發(fā)光的AIEgen用于單激光激活的光動力-光熱治療

本文要點：作者開發(fā)了一種基于新型AIE染料（ZSY-TPE）的多功能NIR-II光學(xué)診療平臺，并將其用于單束激光激活的、成像指導(dǎo)的光熱-光動力聯(lián)合治療。體內(nèi)實驗研究證實，ZSY-TPE可以對小鼠4T1腫瘤和金黃色葡萄球菌感染模型有高性能的NIR-II引導(dǎo)聯(lián)合光療特點，且無明顯副作用。因此，作者提出ZSY-TPE作為強(qiáng)大的光熱療平臺，可用于精確的NIR-II熒光/ PA成像以及對腫瘤和細(xì)菌感染的協(xié)同光動力/光熱療法。

 

 

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光誘導(dǎo)的治療診斷平臺是使用多功能探針同時進(jìn)行光學(xué)成像和成像引導(dǎo)的光學(xué)療法的聯(lián)合治療方法，已經(jīng)在治療惡性腫瘤、細(xì)菌感染和代謝異常等方面進(jìn)行了驗證。近些年，NIR-II熒光成像的出現(xiàn)，彌補了可見光成像和NIR-I熒光成像在散射、穿透性、光療效率的不足。但是，大部分NIR-II有機(jī)熒光團(tuán)會發(fā)生聚集淬滅，這會影響它們的光物理性。在此背景下，作者合成了一種基于AIE的新型NIR-II光熱療劑ZSY-TPE，可用于成像引導(dǎo)的光學(xué)療法。ZSY-TPE具有兩個功能單元：一個是發(fā)射NIR-II熒光/ PA信號并誘導(dǎo)PTT和PDT的D-A-D支架，以及具有高發(fā)射效率和出色的光穩(wěn)定性的AIE結(jié)構(gòu)TPE（圖1）。

圖1：ZSY-TPE的結(jié)構(gòu)及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

 

圖2：a）ZSY-TPE的密度泛函理論（DFT）計算。b）ZSY-TPE在DCM中的吸收光譜和熒光發(fā)射光譜。c）ZSY-TPE在0％和90％水體積分?jǐn)?shù)（fw）下的NIR-II熒光成像（808 nm，10 mW / cm2，1000 LP，20 ms）。d）不同fw下ZSY-TPE的FL強(qiáng)度比（I / I0）。e）ZSY-TPE在DCM中的PA光譜。f）在不同濃度時ZSY-TPE的PA強(qiáng)度。g）ZSY-TPE的DLS輪廓和TEM圖像。比例尺：200μm。h）通過DLS分析確定的不同孵育時間后，PBS和FBS中ZSY-TPE點的平均直徑。i）在808 nm激光下，以0.2 W / cm2的條件，將ZSY-TPE和ICG NPs溶液分別連續(xù)照射60分鐘。以15分鐘為間隔收集NIR-II熒光圖像（808 nm，10 mW / cm2，1000 LP，20 ms）。

 

圖3：a）不同濃度ZSY-TPE在808 nm激光照射5分鐘（1 W / cm2）下的光熱曲線。b）ZSY-TPE（5μM）+ DCFH（20μM）在808 nm激光照射（0.5 W / cm2）下持續(xù)5分鐘的熒光光譜（λex= 488 nm）。c）ZSY-TPE與4T1細(xì)胞共孵育2 h的共定位圖像（20μM）。比例尺：5μm。d）將ZSY-TPE（20μM）與4T1細(xì)胞孵育2 h后，用DCFH-DA（20μM）再處理30分鐘，在激光輻射（0.5 W / cm2）照射下，測定4T1細(xì)胞的ROS生成。比例尺：25μm。e）在有無808 nm激光照射（1 W / cm2，5分鐘）的情況下，ZSY-TPE孵育后，4T1細(xì)胞的MTT結(jié)果和金黃色葡萄球菌的存活率。g）金黃色葡萄球菌與ZSY-TPE（40μM）孵育0.5小時的熒光圖像。比例尺：10μm。 

 

ZSY-TPE的特征吸收峰和熒光發(fā)射峰分別在730 nm和1020 nm處，光聲（PA）光譜在740 nm處顯示出強(qiáng)信號。在體外測定PTT和PDT效應(yīng)的實驗中，光熱效應(yīng)與ZSY-TPE濃度呈正比（圖3a）。通過ROS檢測實驗發(fā)現(xiàn)在808 nm激光照射下，ZSY-TPE可以產(chǎn)生ROS（圖3b），而且具有PDT效應(yīng)（圖3d）。將ZSY-TPE與4T1細(xì)胞和金黃色葡萄球菌共孵育，可以影響4T1細(xì)胞和金黃色葡萄球菌的活性（圖3e，3f）。

 

將ZSY-TPE注射到4T1細(xì)胞載瘤小鼠的腫瘤部位，可以同時檢測到熒光信號和光聲信號，并在注射后24 h信號值達(dá)到最大，信噪比最高為6.7和7..1（圖4a，4b）。其NIR-II / PA雙模成像特點可以提供有關(guān)腫瘤的詳細(xì)信息，精確指導(dǎo)后續(xù)的聯(lián)合光療。

 

隨后，作者探究了ZSY-TPE在小鼠腫瘤模型中產(chǎn)生PDT / PTT的潛力。兩組4T1細(xì)胞載荷瘤小鼠分別靜脈注射ZSY-TPE和PBS，并給予激光照射腫瘤區(qū)域。ZSY-TPE處理組中心區(qū)域的溫度迅速升高，在照射5分鐘內(nèi)可以達(dá)到53.5℃，而在PBS治療組中僅觀察到輕微的溫度升高（圖4c，4d）。而且通過激光照射治療16天后，ZSY-TPE組小鼠腫瘤大小明顯小于PBS治療組腫瘤，并在體重變化，存活率方面均優(yōu)于對照組（圖4e，4f，4g）。證明ZSY-TPE具有良好的光治療潛力。

 

圖4.：a）尾靜脈注射ZSY-TPE（0.2 mM，150μL）后，4T1腫瘤小鼠模型的NIR-II熒光（808 nm，10 mW / cm2、1000 LP和100 ms）和PA圖像。黑色虛線圓圈（在NIR-II熒光圖像中，上方）和白色虛線圓圈（在PA圖像中，下方）表示腫瘤部位。b）歸一化熒光強(qiáng)度和信噪比（SBR）（n = 4）。c）注射ZSY-TPE（0.2 mM，150μL）或PBS（0.01 M，150μL）后，808 nm激光（1 W / cm2）照射下的紅外圖像。d）圖4c中腫瘤溫度與激光照射時間的變化關(guān)系圖。e）不同治療組動物模型中腫瘤生長變化。（f）不同治療組治療后小鼠的相對體重曲線（n = 3）。g）經(jīng)過不同處理的4T1荷瘤小鼠的存活率（n = 3）。h）不同處理的小鼠腫瘤切片的H＆E和TUNEL染色。

 

接下來，作者將2 × 107 CFU的金黃色葡萄球菌注射到小鼠皮膚表面，造皮下感染模型，探究ZSY-TPE 對細(xì)菌感染的抑制作用（圖5a）。作者發(fā)現(xiàn)，在NIR-II熒光圖像中，經(jīng)靜脈注射的ZSY-TPE很快到達(dá)感染區(qū)域并有強(qiáng)烈信號（圖5b，5c）。經(jīng)過5天的808 nm激光照射治療后，ZSY-TPE組小鼠感染傷口逐漸愈合，與對照組形成顯著對比（圖5f）。

 

圖5：a）尾靜脈注射ZSY-TPE（0.2 mM，150μL）后，金黃色葡萄球菌感染小鼠的NIR-II熒光成像（808 nm，10 mW / cm2、1000 LP和50 ms）。黃色虛線圓圈表示腹部皮下感染區(qū)域。b）歸一化后的熒光強(qiáng)度圖。d）注射ZSY-TPE 48小時后，小鼠的感染皮膚和正常皮膚的離體明場和熒光圖像。e）不同處理后金黃色葡萄球菌感染傷口的照片，比例尺：10 mm。f）不同處理后相對傷口面積隨時間的變化（在第1、3和5天）（n = 3）。  

 

結(jié)論：我們開發(fā)了一個多功能的光熱學(xué)平臺，該平臺展示了雙模NIR-II熒光/ PA成像引導(dǎo)下的PDT / PTT對癌癥和病原體的抑制特性。在單激光照射下，ZSY-TPE在治療癌癥和細(xì)菌感染小鼠模型中顯示出良好的光穩(wěn)定性和協(xié)同活性。此外，我們考慮到有關(guān)細(xì)菌與人類癌細(xì)胞之間緊密關(guān)系的最新報道，或許我們的探索不僅可以為深層器官細(xì)菌感染成像提供解決辦法，還可以使用我們的平臺治療這些細(xì)菌感染。

 

參考文獻(xiàn)

Xu Y, Zhang Y, Li J, et al. NIR-II emissive multifunctional AIEgen with single laser-activated synergistic photodynamic/photothermal therapy of cancers and pathogens. Biomaterials. 2020 Nov;259:120315. doi: 10.1016/j.biomaterials.2020.120315. Epub 2020 Aug 15. PMID: 32836057.

 

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