「智能」有機分子試劑提高腫瘤手術效果

最新 06-02

近日，香港科技大學唐本忠院士和南開大學丁丹教授合作在《Nature Communications》發表了題為「Light-driven transformable optical agent with adaptive functions for boosting cancer surgery outcomes」的文章。在該工作中，作者基於外界光刺激調節有機分子試劑的分子結構和光物理過程，首次成功地實現了單一分子的光聲和熒光成像性能可控並且最優化（圖1），有效地提高了腫瘤手術治療效果。

引言

熒光和光聲（PA）成像在生物診斷方面具有重要應用，二者通常可以優勢互補。熒光成像具有很高的靈敏度，但是空間解析度和穿透深度很有限；光聲成像具有很好的穿透能力和空間解析度，但是靈敏度比較低。然而，對於同一個分子，熒光和光聲成像對應的光物理過程存在競爭關係。根據Jablonski能級圖，熒光成像來自於S1到S0的輻射躍遷過程，而光聲成像則源自非輻射躍遷過程產生熱量引起的彈性振動。常用的同時實現熒光和光聲成像的方法是將熒光和光聲試劑結合在一個納米體系，但是這種方法很複雜，重複性較差，兩種試劑相互干擾，而且熒光和光聲性質不可調控。因此，如何實現單一分子的熒光和光聲可控最優化對實際應用非常重要。

光刺激可調控結構和光物理過程的有機分子

作者設計併合成了一種有機分子，將光可控開關環的二噻吩乙烯（DTE）結構和AIE基元相連，使分子可以在AIE和熒光猝滅（ACQ）兩種狀態之間轉換（圖2）。另外，引入吸電子的丙二腈基團，得到D-A結構，可以延長吸收光譜範圍及促進活性氧類（ROS）的產生能力。紫外光照下開環分子可以變為關環結構，可見光照射使關環分子變為開環，該過程多次可逆。關環狀態下，分子具有很好的共軛結構，產生一個很強的近紅外吸收峰，同時化合物具有較平面的分子構型，很強的分子間相互作用，有利於非輻射躍遷過程產生熱量和光聲效應；開環狀態下，化合物具有扭曲的三維結構，抑制了分子間的相互作用，具有明顯的AIE性質，有利於輻射躍遷產生熒光和ROS（圖1）。

圖1. 光調控光物理過程示意圖，吸收的能量可分別集中在輻射躍遷（光聲成像）和非輻射躍遷路徑（熒光成像和光動力治療）

圖2. 「智能」分子及其最優構型和AIE性質

「智能」有機納米粒子的光聲、熒光和ROS性質

作者將該疏水的有機分子通過高分子表面活性劑包覆成有機納米粒子，其顏色和熒光性質同樣可光控，納米粒子為直徑約65 nm的均勻球狀結構（圖3）。可見光（610 nm）照射下，關環分子的納米粒子轉變為開環結構，其近紅外吸收峰降低並消失，熒光發射峰則逐漸增強；紫外光（365 nm）照射下，開環分子的納米粒子則出現相反的過程。該轉變過程多次循環可逆。

圖3. 光可控有機納米粒子及其吸收/熒光變化和可逆性

實驗結果表明，脈衝近紅外光下，關環納米粒子具有很好的光聲性質，而開環納米粒子則沒有光聲信號（圖4）。關環納米粒子優異的光聲性能超過了常見的光聲成像造影劑如半導體聚合物、亞甲基藍（MB）、吲哚菁綠（ICG）等。由於分子具有AIE性質，開環納米粒子表現出很強的熒光發射和ROS產生能力。白光照射下，可以有效地快速產生ROS。此外，該有機納米粒子具有很好的穩定性，有利於活體腫瘤成像。

圖4. 光可控納米粒子的光聲、熒光性質及ROS產生能力

腫瘤靶向的有機納米試劑

為了提高腫瘤靶向能力，作者在納米粒子表面化學修飾了多肽結構（YSAYPDSVPMMS），與癌細胞過量表達的EphA2蛋白具有特異性相互作用（圖5）。該納米粒子在暗態下具有很好的生物相容性。白光照射下，開環納米粒子可以有效地產生ROS，隨著濃度的增大，細胞的光毒性迅速增加。此外，作者還通過放射性125I標記研究了納米粒子的葯代動力學和體內分布。結果表明，尾靜脈注射24小時後，納米粒子在血液中的殘留濃度已經非常低，在其它器官中的代謝速度則相對較慢。

圖5. 腫瘤靶向的納米試劑及其生物相容性、體內代謝

手術前光聲成像和手術中熒光成像/光動力治療

光聲成像的大深度和高解析度適合手術前腫瘤位置和三維結構的探測，而熒光成像的高靈敏度有利於手術中確定殘餘腫瘤和組織邊緣。作者首先將關環納米試劑注入到腫瘤老鼠的尾靜脈，大約4小時後，光聲信號達到最強，可以有效地探測腫瘤形狀。對比實驗表明，連接靶向多肽納米粒子的光聲信號比未連接的更強，說明主動靶向（多肽-蛋白相互作用）和被動靶向（EPR效應）協同作用有利於提高腫瘤靶向性（圖6）。通過光聲成像確定腫瘤位置後，進行手術切除。臨床上，如何快速確定腫瘤是否切除乾淨以及腫瘤邊緣非常重要，手術中的熒光成像可以很好地解決這一難題。610 nm紅光照射5分鐘後，殘留腫瘤組織中的關環納米粒子變為開環結構，熒光迅速「點亮」。即使亞毫米級的小腫瘤也能區分開來，其信噪比可以達到~7.1，超過臨床使用的ICG和MB染料。如果610 nm光照後沒有熒光信號產生，則證明腫瘤已完全切除。上述兩種情況都通過H&E染色進行了驗證。

圖6. 「智能」納米試劑用於手術前光聲成像和手術中「點亮型」熒光檢測殘餘腫瘤

在臨床上，很多情況腫瘤組織無法或者不建議完全切除，如常見的淋巴癌、卵巢癌、中樞神經系統腫瘤等。因此，需要採取腫瘤減縮術切除大部分腫瘤，但是剩餘的腫瘤組織必須進一步治療才能延長病人壽命。經過腫瘤縮減術後，作者對殘餘腫瘤組織進行了光動力治療。通過幾組對比實驗，發現白光照射開環納米粒子產生的ROS可以有效地抑制縮減手術後的殘餘腫瘤，大大提高存活率（圖7）。此外，該有機納米粒子具有很好的生物兼容性，血常規、肝功能、肝腎器官等都沒有明顯影響。

圖7. 手術後殘餘腫瘤的光動力治療效果和老鼠存活率

小結

本文首次報道了熒光和光聲性能可控最優化的「智能」有機分子試劑。通過簡單的外界光刺激，可以有效地調節分子結構和光物理過程，用於光聲的非輻射躍遷和用於熒光的輻射躍遷分別達到最大化。活體實驗表現出優異的手術前光聲成像和手術中熒光檢測/光動力治療，大大提高了腫瘤手術效果，是一種具有應用前景的新型有機分子診斷治療試劑。