斯坦福大学/苏州大学Nano Letters ：Janus纳米粒子Fe3O4@Semoconducting polymer通过磁成像实现示踪细胞

【引言】

以细胞为基础的治疗，如癌症免疫治疗或干细胞治疗，作为新兴的癌症治疗手段，得到了广泛的关注。将这些细胞引入体内后，这些治疗手段需要非侵入式的成像技术来对引入细胞进行实时的示踪，并报告不同治疗细胞在生物体内的命运，激活和分化情况，更理想的情况是任何组织深度灵敏度都可达到单细胞水平。常用的细胞示踪技术主要有磁共振成像（MRI），放射性核素成像（如：SPECT, PET），以及光学成像（荧光、生物发光、光声）。然而，光学成像通常具有很高的灵敏度，可见光子在穿过生物组织时会被吸收并发生散射，这就限制了其在组织深部的成像，即使是穿透深度在几个毫米的长波长范围（1000-1700 nm）也无法实现深部成像。MRI具有优异的组织穿透深度，空间分辨率高；但是，T1造影剂对分子成像的敏感度较差，T2或T2*造影剂如氧化铁纳米粒子产生负增强对比，这就很难与天然MRI信号低的组织（骨头，肺）进行区分。放射性核素成像需要利用放射性物质，且空间分辨率差。

随着分子影像学科的发展，磁性粒子成像（MPI）作为从MRI衍生来的一个新型分子影像技术，采用特殊组合方式的旋转磁场，直接检测氧化铁纳米粒子，与现有方法相比，MPI具有较大的穿透深度，可线性定量，正对比，无辐射，且基本没有组织产生的背景。

【成果简介】

近日，斯坦福大学饶江宏教授（通讯作者）和苏州大学刘庄教授团队在Nano Letters在线发表了一篇题为“Janus Iron Oxides @ Semiconducting Polymer Nanoparticle Tracer for Cell Tracking by Magnetic Particle Imaging”的文章，介绍了可通过磁性粒子成像实现细胞示踪的两亲性纳米粒子：Fe₃O₄@PFODBT-COOH，该磁性粒子不仅灵敏度高，无组织穿透深度的限制，而且可以实现线性定量，为细胞示踪提供新思路。

【图文导读】

图1. 磁性纳米粒子的合成调控及表征    

(a) 310℃合成的氧化铁纳米粒子的TEM照片

(b) 310℃合成的氧化铁纳米粒子粉末的XRD图谱

(c) PSMA修饰310℃合成的氧化铁纳米粒子的MPI峰值信号（相当于200 μL水中含8μg Fe）(d) 预先合成的氧化铁纳米粒子的TEM照片

(e) 预先合成的氧化铁纳米粒子粉末的XRD图谱

(f) 线性扫描预先合成的氧化铁纳米粒子（相当于200 μL水中含8μg Fe ）的MPI光谱

(g) 装有Fe₃O₄−COOH 和Vivotrax（含铁8μg）的PCR管的照片以及相应的线性扫描MPI光谱

(h) Fe₃O₄−COOH（在310℃/31h下制备）和Vivotrax的MPI信号相对于在200μL H₂O中的Fe量

图2. Fe₃O₄@Semiconducting polymers的合成过程以及相应表征

(a) 纳米沉淀法制备两性纳米粒子Fe3O4@PFODBT-COOH示意图

(b) 两性纳米粒子Fe₃O₄@PFODBT-COOH的TEM照片

(c) Fe₃O₄-COOH和Fe₃O₄@PFODBT-COOH在PBS中的DLS粒径表征

(d) PFODBT（THF溶解）、Fe₃O₄-COOH（PBS溶解）和Fe₃O₄@PFODBT-COOH（PBS溶解）的UV-vis 吸收光谱

(e) Fe₃O₄@PFODBT-COOH的荧光光谱图（540 nm激发）

(f) Fe含量（8μg）相同的Fe₃O₄-COOH和Fe₃O₄@PFODBT-COOH的MPI扫描的二维投影，及其对应的线性扫描MPI谱图

(g) Fe₃O₄@PFODBT-COOH的MPI信号相对于在200μL H₂O中的Fe量的图

图3. 磁性纳米粒子在细胞水平的成像评价

(a) 共聚焦显微镜观察Hela细胞对Fe₃O₄@PFODBT-COOH的内吞作用；用Fe含量60μg/mL的Fe₃O₄@PFODBT-COOH孵育Hela细胞4小时后将细胞固定并用DAPI进行染色。（蓝色：细胞核，红色：Fe₃O₄@PFODBT-COOH位置）

(b) 不同孵育浓度绘制细胞对颗粒的摄取（ICP进行测定）

(c) Fe₃O₄@PFODBT-COOH标记的细胞在新鲜培养基中培养不同时间的增殖情况

(d) MPI信号相对于Fe₃O₄@PFODBT-COOH标记的细胞数量的图（31pg Fe/cell, 细胞数量范围：2500-640000）

(e) 2500个标记过的细胞（31pg Fe/cell）的线性扫描MPI光谱（插图是2500个细胞的MPI投影图像）

(f-g) 标记后细胞的MPI线性扫描光谱(f)500个细胞(g)250个细胞

(h) 荧光信号相对于标记后不同细胞数量（0-16万）的图（插图是含不同细胞数量的荧光图像）

(i) 标记后细胞的T2加权磁共振成像相对于标记后细胞数量的图（插图是0-8万细胞的MRI成像图）

图4. 磁性纳米粒子在动物水平的成像评价

(a,b) 老鼠局部皮下注射Fe₃O₄@PFODBT-COOH标记的细胞后荧光的前视图和后视图（540 nm激发，680 nm发射）

(c,d) 老鼠局部皮下注射标记的细胞后老鼠前视和后视磁成像的二维投影

(e) 局部皮下注射标记细胞后老鼠的磁成像三维投影和CT成像的结合

(f) 老鼠植入250个细胞后白光和磁成像二维投影的叠加（扣掉背景）

(g) 局部皮下注射用Fe₃O₄@PFODBT-COOH标记的细胞后的小鼠身体的横断面MRI图

(h) 不同时间点代表性小鼠的纵向荧光图（540 nm激光,680 nm发射）

(i) 肿瘤位置荧光信号强度定量（%）作为植入后时间的函数（相对于植入后10天的信号值）

(g) 代表性小鼠纵向MPI图像的二维投影（10天后）

(k) 肿瘤位置MPI信号强度定量（%）作为植入后时间的函数（相对于植入10天后的信号值）

(l) 植入20天后整个老鼠的MPI成像的三维投影和CT成像

(m) 植入20天后肿瘤切片的共聚焦成像（红色：Fe₃O₄@PFODBT-COOH，蓝色：DAPI）

【小结】

该研究得到的磁成像氧化铁纳米粒子MPI信号强度是医用MPI造影剂（铁羧葡安）的三倍，而且在铁含量相同的情况下，比美国已批准的Feraheme磁共振造影剂信号高7倍。利用荧光半导体聚合物对氧化铁进行包封，还可同时实现细胞的磁成像和荧光成像，这一材料的发明为后续癌症细胞治疗方面的研究提供了新的方向和思路。

关于具有磁成像功能的氧化铁纳米粒子合成过程的研究表明，温度和反应时间会影响立方Fe₃O₄晶体的质量进而影响磁成像的强度。该文章中合成条件得到的Fe₃O₄纳米粒子性能优异，用荧光半导体聚合物对Fe₃O₄纳米粒子进行包封，得到的两性纳米粒子可实现对细胞的高效标记，植入老鼠后磁成像示踪灵敏。这里只介绍了其在细胞示踪方面的应用，后续利用肿瘤靶向配体进行功能化可能实现多模态癌症成像。

文献链接：Janus Iron Oxides @ Semiconducting Polymer Nanoparticle Tracer for Cell Tracking by Magnetic Particle Imaging （Nano Letters，2017，DOI:10.1021/acs.nanolett.7b03829）

本文由材料人编辑部魏巧琳编译，刘宇龙审核，点我加入材料人编辑部。

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