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应用纪要:基于白蛋白与AIEgens促进胶质瘤和脑血管NIR-II荧光成像
点击次数:1072 发布日期:2022-10-19  来源:恒光智影

本文要点:应用外源性聚合物基质构建聚集诱导发射(AIE)纳米探针促进了AIE发光体(AIEgens)在诊断脑部疾病中的应用。然而,基于AIE的纳米探针的有限荧光(FL)和低主动靶向能力阻碍了它们的成像应用。本文报道了一种白蛋白整合的AIE探针,采用内源性白蛋白作为有效的基质来封装AIE探针,以提高荧光量子产率(QY)和主动靶向能力。白蛋白整合策略有效地抑制了白蛋白的分子内振动,并增强了gp60受体介导的细胞内吞作用。



背景:与可见光区域(400-650 nm)和第一个近红外窗口(NIR-I,650-950nm)的传统荧光成像相比,第二个近红外窗口(NIR-II,1000-1700 nm)表现出更高的信噪比(SBR)和更深的组织穿透,这归因于其低组织吸收和散射。在各种 NIR-II 荧光纳米探针中,聚集诱导发射发光剂(AIEgens)在高浓度或聚集状态下具有强荧光,克服了传统有机染料聚集诱导猝灭效应的局限性。疏水性 AIEgens 通常需要使用两亲性聚合物进行后处理,以封装并形成亲水性纳米颗粒(也称为AIE 点)。然而,有限FL和低主动靶向能力使得AIE 点难以实现高质量的脑成像。因此,发展高效的策略制备具有强荧光和脑肿瘤靶向能力的水溶性AIE点具有重要意义。

 

研究内容:作者提出了一种制备AIE点的白蛋白整合策略。白蛋白的疏水结构域与AIEgens强烈相互作用并通过氢键固定AIEgens,有效抑制AIEgens的分子内振动并提高QYs。作者研究了基于白蛋白的AIE点(B-AIE点)在癌细胞和皮下荷瘤小鼠模型中的肿瘤主动靶向能力,采用B-AIE点在原位胶质瘤和局部脑缺血小鼠模型中实现脑肿瘤和脑血管的NIR-II FL成像。

 

AIE点的合成与表征如图所示,作者用DSPE-PEG2000 (D-AIE点)和牛血清白蛋白(B-AIE点)作为封装配体制备了具有不同发射的载有AIEgens(DT,AT,TT)的纳米探针(图1a,b)。如图1c所示,B-DT、B-AT和B-TT AIE点显示出均匀的球形形貌,与D-AIE点相似(图1d)。表明白蛋白可以用作制备AIE点的封装基质。作者通过测量斜率来评估B-AIE点与传统D-AIE点之间的QY变化,如图1e所示,结果表明B-AIE量子点比D-AIE量子点具有更高的量子效率。



图1

 

作者继续研究了白蛋白修饰后QYs的增强机制。如图2a所示,白蛋白的荧光强度随着DT浓度的增加而逐渐降低。图2a插图表明DT与白蛋白之间存在强相互作用。作者使用分子对接技术进行了DT和白蛋白之间的分子对接研究。如图2b所示,DT与白蛋白的结合位点形成适当的空间互补。图2c和2e显示存在AT和TT的情况下,白蛋白的FL猝灭现象与DT相似。较高浓度的AT/TT导致白蛋白更多的荧光猝灭,这表明AT/TT与白蛋白结合。AT和TT的结合常数都小于DT的结合常数。此外,AT和TT的芳香环有助于与Trp213的噻吩环形成π-π堆积相互作用。作为氢键供体,TT中噻吩环上的硫原子与Glu291形成氢键(图2d,f)。DT是三种白蛋白中与白蛋白结合最好的分子。这些相互作用增强了分子构象刚性,提高了荧光发射效率。
 

图2

 

随后,作者评估了不同浓度的AIE点对细胞存活率的影响。如图3a-c所示,白蛋白修饰的AIE点(B-DT、B-AT和B-TT)具有即使在高浓度(100μg·m-1)下对这些细胞系的存活率几乎没有影响。此外,通过传统方法(D-DT、DAT和D-TT)制备的AIE点对正常和肿瘤细胞系也没有表现出不利影响(图3d-f)。
 

图3

 

作者继续研究了基于白蛋白的AIE点对过表达gp60受体的癌细胞(包括HepG2、4T1和C6细胞系)的主动靶向能力(图4a)。共聚焦图像(图4b)显示,经B-DT AIE点处理的癌细胞比经D-DT AIE点处理的癌细胞显示出更强的荧光强度。在HepG2、4T1和C6细胞系与B-DT AIE点孵育后,FL强度比D-DT AIE点处理的癌细胞高6.5、9.6和13.0倍(图4c)。结果表明,HepG2、4T1和C6细胞系对B-DT AIE点的吞噬作用远大于D-DT AIE点。因此,推测基于白蛋白的AIE点对过表达gp60受体的癌细胞具有良好的主动靶向能力。
 

图4

 

作者进一步建立了皮下肿瘤小鼠模型(4T1,HepG2)来评估体内主动肿瘤靶向能力。如图5a所示,在使用探针2小时后,可以在肿瘤区域检测到FL信号。B-TT AIE点处理的小鼠的肿瘤区域比D-TT AIE点处理的小鼠的肿瘤区域更亮。肿瘤区域的FL信号在注射后6 h达到最强。B-TT AIE 点处理组的SBR为4.3(注射后6小时),高于D-TT AIE dot处理组的SBR为3.4(图5c)。B-TT AIE点处理组的SBR在24小时仅下降到3.9,而D-TT AIE点处理组下降到2.4。推测B-TT AIE点可以通过主动靶向在肿瘤中积累,从而在肿瘤区域停留较长时间。在HepG2荷瘤小鼠模型中也观察到类似的现象(图5b,5d)。
 

图5

 

随后作者建立原位胶质瘤小鼠模型以评估不同修饰的AIE点的肿瘤靶向成像性能。磁共振成像(MRI)和生物发光成像显示,所构建的原位神胶质瘤具有相似的肿瘤大小和细胞增殖活性(图6c,d)。如图6a所示,静脉注射D-TT AIE点后,FL信号几乎没有变化,这表明D-TT AIE点在神经胶质瘤中并不富集。相比之下,在静脉注射B-TT AIE点后,小鼠神经胶质瘤区域的FL信号显著增强,并随时间逐渐增加,这表明B-TT AIE点可以通过BBB在神经胶质瘤中积累(图6b)。这可能是因为基于白蛋白的AIE点可以通过gp60介导的仿生转运机制穿透血脑屏障并靶向胶质瘤细胞。定量分析表明SBR达到最大值在注射后12小时为3.2,比D-TT AIE点处理的小鼠高约2倍(图6e)。作者进一步应用B-TT AIE点对小鼠模型的脑缺血进行成像。通过静脉注射玫瑰孟加拉并照射25分钟建立脑缺血模型(图6f)。在没有照射的情况下,可以在大脑半球中观察到丰富的血管。相比之下,在大脑半球的照射区域中几乎没有血管,表明形成了局部缺血(图6g)。成像区域的高斯拟合显示分辨率可达70微米,SBR高达90,表明该探头能够高灵敏度、高分辨率地对脑缺血区域进行精确成像(图6h,I)。
 

图6

 

最后,作者评估了基于白蛋白的AIE dots的生物安全性。结果表明基于白蛋白的AIE点具有优异的组织相容性(图7a-q)。
 

图7

 

总结:作者开发了一种白蛋白整合的方法来增强FL并提高AIEgens的主动肿瘤靶向能力。结合常数的测定和分子对接模拟揭示了这种结合机制。与传统的D-AIE纳米探针相比,B-AIE纳米探针显示出更高的QYs和细胞摄取效率。在体内脑肿瘤和脑缺血模型中,使用B-TT AIE点的NIR-II FL可以实现高的SBR (∼90微米)和分辨率(70微米)。因此,与传统的两亲聚合物相比,白蛋白是开发AIE纳米探针的良好平台,在脑部疾病的高灵敏和高分辨率成像方面显示出潜在的优势。

 

参考文献

doi.org/10.1021/acsami.1c22700

 

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来源:上海恒光智影医疗科技有限公司
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