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                            應用紀要:基于白蛋白與AIEgens促進膠質瘤和腦血管NIR-II熒光成像

                            文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2023/3/3     瀏覽次數:    

                              本文要點:應用外源性聚合物基質構建聚集誘導發射(AIE)納米探針促進了AIE發光體(AIEgens)在診斷腦部疾病中的應用。然而,基于AIE的納米探針的有限熒光(FL)和低主動靶向能力阻礙了它們的成像應用。本文報道了一種白蛋白整合的AIE探針,采用內源性白蛋白作為有效的基質來封裝AIE探針,以提高熒光量子產率(QY)和主動靶向能力。白蛋白整合策略有效地抑制了白蛋白的分子內振動,并增強了gp60受體介導的細胞內吞作用。



                              背景:與可見光區域(400-650 nm)和第一個近紅外窗口(NIR-I,650-950nm)的傳統熒光成像相比,第二個近紅外窗口(NIR-II,1000-1700 nm)表現出更高的信噪比(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,聚集誘導發射發光劑(AIEgens)在高濃度或聚集狀態下具有強熒光,克服了傳統有機染料聚集誘導猝滅效應的局限性。疏水性AIEgens通常需要使用兩親性聚合物進行后處理,以封裝并形成親水性納米顆粒(也稱為AIE點)。然而,有限FL和低主動靶向能力使得AIE點難以實現高質量的腦成像。因此,發展高效的策略制備具有強熒光和腦腫瘤靶向能力的水溶性AIE點具有重要意義。

                              研究內容:作者提出了一種制備AIE點的白蛋白整合策略。白蛋白的疏水結構域與AIEgens強烈相互作用并通過氫鍵固定AIEgens,抑制AIEgens的分子內振動并提高QYs。作者研究了基于白蛋白的AIE點(B-AIE點)在癌細胞和皮下荷瘤小鼠模型中的腫瘤主動靶向能力,采用B-AIE點在原位膠質瘤和局部腦缺血小鼠模型中實現腦腫瘤和腦血管的NIR-II FL成像。

                              AIE點的合成與表征如圖所示,作者用DSPE-PEG2000(D-AIE點)和牛血清白蛋白(B-AIE點)作為封裝配體制備了具有不同發射的載有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點顯示出均勻的球形形貌,與D-AIE點相似(圖1d)。表明白蛋白可以用作制備AIE點的封裝基質。作者通過測量斜率來評估B-AIE點與傳統D-AIE點之間的QY變化,如圖1e所示,結果表明B-AIE量子點比D-AIE量子點具有更高的量子效率。


                              作者繼續研究了白蛋白修飾后QYs的增強機制。如圖2a所示,白蛋白的熒光強度隨著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相互作用。作者使用分子對接技術進行了DT和白蛋白之間的分子對接研究。如圖2b所示,DT與白蛋白的結合位點形成適當的空間互補。圖2c和2e顯示存在AT和TT的情況下,白蛋白的FL猝滅現象與DT相似。較高濃度的AT/TT導致白蛋白更多的熒光猝滅,這表明AT/TT與白蛋白結合。AT和TT的結合常數都小于DT的結合常數。此外,AT和TT的芳香環有助于與Trp213的噻吩環形成π-π堆積相互作用。作為氫鍵供體,TT中噻吩環上的硫原子與Glu291形成氫鍵(圖2d,f)。DT是三種白蛋白中與白蛋白結合好的分子。這些相互作用增強了分子構象剛性,提高了熒光發射效率。


                              隨后,作者評估了不同濃度的AIE點對細胞存活率的影響。如圖3a-c所示,白蛋白修飾的AIE點(B-DT、B-AT和B-TT)具有即使在高濃度(100μg·m-1)下對這些細胞系的存活率幾乎沒有影響。此外,通過傳統方法(D-DT、DAT和D-TT)制備的AIE點對正常和腫瘤細胞系也沒有表現出不利影響(圖3d-f)。


                              作者繼續研究了基于白蛋白的AIE點對過表達gp60受體的癌細胞(包括HepG2、4T1和C6細胞系)的主動靶向能力(圖4a)。共聚焦圖像(圖4b)顯示,經B-DT AIE點處理的癌細胞比經D-DT AIE點處理的癌細胞顯示出更強的熒光強度。在HepG2、4T1和C6細胞系與B-DT AIE點孵育后,FL強度比D-DT AIE點處理的癌細胞高6.5、9.6和13.0倍(圖4c)。結果表明,HepG2、4T1和C6細胞系對B-DT AIE點的吞噬作用遠大于D-DT AIE點。因此,推測基于白蛋白的AIE點對過表達gp60受體的癌細胞具有良好的主動靶向能力。


                              作者進一步建立了皮下腫瘤小鼠模型(4T1,HepG2)來評估體內主動腫瘤靶向能力。如圖5a所示,在使用探針2小時后,可以在腫瘤區域檢測到FL信號。B-TT AIE點處理的小鼠的腫瘤區域比D-TT AIE點處理的小鼠的腫瘤區域更亮。腫瘤區域的FL信號在注射后6 h達到較強。B-TT AIE點處理組的SBR為4.3(注射后6小時),高于D-TT AIE dot處理組的SBR為3.4(圖5c)。B-TT AIE點處理組的SBR在24小時僅下降到3.9,而D-TT AIE點處理組下降到2.4。推測B-TT AIE點可以通過主動靶向在腫瘤中積累,從而在腫瘤區域停留較長時間。在HepG2荷瘤小鼠模型中也觀察到類似的現象(圖5b,5d)。


                              隨后作者建立原位膠質瘤小鼠模型以評估不同修飾的AIE點的腫瘤靶向成像性能。磁共振成像(MRI)和生物發光成像顯示,所構建的原位神膠質瘤具有相似的腫瘤大小和細胞增殖活性(圖6c,d)。如圖6a所示,靜脈注射D-TT AIE點后,FL信號幾乎沒有變化,這表明D-TT AIE點在神經膠質瘤中并不富集。相比之下,在靜脈注射B-TT AIE點后,小鼠神經膠質瘤區域的FL信號顯著增強,并隨時間逐漸增加,這表明B-TT AIE點可以通過BBB在神經膠質瘤中積累(圖6b)。這可能是因為基于白蛋白的AIE點可以通過gp60介導的仿生轉運機制穿透血腦屏障并靶向膠質瘤細胞。定量分析表明SBR達到較大值在注射后12小時為3.2,比D-TT AIE點處理的小鼠高約2倍(圖6e)。作者進一步應用B-TT AIE點對小鼠模型的腦缺血進行成像。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域中幾乎沒有血管,表明形成了局部缺血(圖6g)。成像區域的高斯擬合顯示分辨率可達70微米,SBR高達90,表明該探頭能夠高靈敏度、高分辨率地對腦缺血區域進行準確成像(圖6h,I)。


                              作者評估了基于白蛋白的AIE dots的生物安全性。結果表明基于白蛋白的AIE點具有優異的組織相容性(圖7a-q)。


                              總結:作者開發了一種白蛋白整合的方法來增強FL并提高AIEgens的主動腫瘤靶向能力。結合常數的測定和分子對接模擬揭示了這種結合機制。與傳統的D-AIE納米探針相比,B-AIE納米探針顯示出更高的QYs和細胞攝取效率。在體內腦腫瘤和腦缺血模型中,使用B-TT AIE點的NIR-II FL可以實現高的SBR(~90微米)和分辨率(70微米)。因此,與傳統的兩親聚合物相比,白蛋白是開發AIE納米探針的良好平臺,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勢。

                              參考文獻

                              doi.org/10.1021/acsami.1c22700

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                              近紅外二區小動物活體熒光成像系統-MARS

                              NIR-II in vivo imaging system



                              高靈敏度-采用Princeton Instruments深制冷相機,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,空間分辨率優于3um

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                              高速采集-速度優于1000fps(幀每秒)

                              多模態系統-可擴展X射線輻照、熒光壽命、一區熒光成像、原位成像光譜,CT等

                              顯微鏡-近紅外二區高分辨顯微系統,兼容成像型光譜儀

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                              恒光智影

                              上海恒光智影醫療科技有限公司,專注于近紅外二區成像技術。致力于為生物醫學、臨床前和臨床應用等相關領域的研究提供先進的、一體化的成像解決方案。自主研發近紅外二區小動物活體熒光成像系統-MARS。

                              與基于可見光波長的傳統成像技術相比,我們的技術側重于X射線、紫外、紅外、短波紅外、太赫茲范圍,可為腫瘤學、神經學、心血管、藥代動力學等一系列學科的科研人員提供清晰的成像效果,助力科技研發。

                              同時,恒光智影還具備探針研發能力,我們已經成功研發了超過15種探針,這些探針將廣泛地應用于眾多生物科技前沿領域的相關研究中。
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