單分子有機熒光納米點在腫瘤成像與手術導航中的潛在應用

單分子有機熒光納米點在腫瘤成像與手術導航中的潛在應用

近日,浙江大學申有青教授團隊周珠賢副教授和青島大學叢海林教授合作ACS Nano雜志上發表瞭題為Tuning the Brightness and Photostability of Organic Dots for Multivalent Targeted Cancer Imaging and Surgery的研究論文。文中報道瞭一種開發單分子樹枝狀熒光納米點的合成策略,這種熒光納米點具有良好可調的光學特性,在體內熒光成像及手術導航領域的具有潛在的應用價值。該論文周珠賢副教授為通訊作者,叢海林教授王楷淇博士生為文章共同第一作者。該工作得到國傢自然科學基金(No. 21875211, 51603180, 21675091和21874078),國傢重點研發計劃項目(2016YFA0200301)、中央高校基本科研業務費專項資金(2019FZA4020)、山東省泰山青年學者計劃項目(tsqn20161027)、山東省科學與技術創新計劃(2018CXGC1407)、山東省重點研發計劃(2016GGX102028, 2016GGX102039, 2017GGX20111)和山東省創新領導者計劃(No. 168325zhc)的資助。

導讀

熒光分子探針光學成像技術能夠在細胞及分子水平上揭示疾病的內在狀態,對於癌癥的早期檢測、診斷及圖像引導手術具有可觀的應用前景。目前,商業用熒光團大多數為小分子化合物,例如花菁染料,其發展及應用受到光漂白、低熒光量子產率、體內非特異性靶向、不良藥物動力學等缺點的限制。

針對這一問題,作者以有機小分子熒光團苝酰亞胺為核心,以生物可降解的賴氨酸為重復單元,制備得到一系列結構精準的熒光樹枝狀納米點(PDI-PLL-G1~G8)。作者發現可通過調節樹枝狀納米點的尺寸大小來調節其熒光特性,高代數樹枝狀納米點可將疏水性染料完全埋藏在樹枝狀大分子內部,避免分子間聚集誘導的熒光淬滅。相比小分子有機熒光團,高代數的樹枝狀納米點具有更高的熒光亮度,其熒光量子產率可提高20倍,並具有優良的穩定性和抗光漂白能力。隨後,作者以PDI-PLL-G5為例,在分子表面引入生物素(Biotin)作為腫瘤靶向配體,驗證瞭樹枝狀熒光納米點的多價靶向腫瘤成像能力。結果顯示活體腫瘤與正常組織原位信號比(TNR)約為3,持續時間超過5天,體外TNR約為17,腫瘤和健康組織分界清晰,可為小鼠轉移瘤模型的圖像引導手術提供準確判斷。

本文研究要點

1、作者以苝酰亞胺染料為核,安全無毒的賴氨酸為分支單元,合成瞭一系列具有結構精準,單分散性良好且純度較高的樹枝狀大分子。

單分子有機熒光納米點在腫瘤成像與手術導航中的潛在應用
圖1:PDI-PLL-G0~8的精確合成與表征

2、PDI-PLL樹狀大分子的光學性質具有尺寸依賴性,其熒光量子產率隨著尺寸增加而增大,提高約30倍,光學壽命以及水溶液光穩定性也呈現出隨著尺寸增加而升高的趨勢。相較於有機小分子熒光染料Cy5,PDI-PLL樹枝狀大分子在細胞水平及活體水平上更具備長期熒光成像追蹤的能力。

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圖2:尺寸依賴的PDI-PLL 樹枝狀大分子的熒光亮度及光穩定性

3、表面修飾影響著樹枝狀熒光探針的靶向能力、血液清除動力學和生物分佈。相較於未經修飾的G5-Ac,LC-Biotin配體的引入並未增加PDI-PLL-G5對受體陽性細胞系的攝取和靶向腫瘤能力,反而加快腎臟清除率。多價PEG-Biotin的引入,可提高PDI-PLL-G5對受體陽性細胞系的攝取及靶向腫瘤能力,且多價配體與受體的結合效果要優於單價,隨著配體數目增多,細胞攝取量明顯提高,血液循環時間更長,腫瘤特異性靶向能力更強。

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圖3:生物素靶向的樹枝狀大分子用於細胞成像
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圖4:生物素靶向的樹枝狀大分子用於活體腫瘤成像

4、多價靶向樹枝狀探針可特異性靶向腫瘤,在腫瘤組織內熒光穩定且持久,並可準確的實現腫瘤邊界的界定,在熒光圖像手術導航中表現出優異的潛力。

單分子有機熒光納米點在腫瘤成像與手術導航中的潛在應用
圖5:生物素靶向的樹枝狀大分子的長期靶向活體成像
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圖6:轉移瘤檢測及熒光手術導航

全文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c01034

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