张兵波 ACS Nano : 具有近红外持久发光和尺寸可调的大型中空空腔发光纳米粒子用于肿瘤发光成像和化疗/光动力疗法

【引言】

众所周知，在中国古代有一件非常出名的宝物 - 夜明珠，其可以持久的发光，本质就是夜明珠使用了大量的持久发光材料。持久发光纳米粒子（PLNPs）是一种材料，它可以在激发光源停止后的几分钟到几天内发光，优于传统的发光材料，消除了对生物医学成像的自动荧光干扰。由于其长期的发射和伴随的优点（例如：零自发荧光背景、高信噪比）在生物医学成像中获得越来越多的关注。尽管现在有很多的合成方法来合成PLNPs，但那些用于构造功能结构的PLNPs的方法仍未被开发。

【成果简介】

近日，同济大学的张兵波教授（通讯作者）等报道了一种近红外（NIR）持久发光的空心结构PLNPs的设计原理、合成路线和概念验证，及近红外光和尺寸可调的肿瘤后发光成像和化疗/光动力疗法。设计原理是利用了在可净化的碳球上固定化的母体离子的结晶。这一策略为煅烧后的PLNPs提供了大的和尺寸可调的空腔。在PLNPs、高的化学药物（DOX）或光敏剂（Si-Pc）负载在空腔上的以实现。DOX/Si-Pc负载的空心PLNPs基于大空腔的特点和PLNPs的后发光特性，表现出高效的肿瘤抑制作用。这些空心结构的PLNPs，像传统的固体PLNPs一样，是相当稳定的，可以被反复激活，特别是可以选择性的靶向肿瘤病变部位，在活的小鼠中允许可充电的后发光成像。他们研究提供的一种合成空心结构PLNPs的策略，有望激发起其它癌症的创新结构研究。研究成果以题为“Large Hollow Cavity Luminous Nanoparticles with Near-Infrared Persistent Luminescence and Tunable Sizes for Tumor Afterglow Imaging and Chemo-/Photodynamic Therapies”发布在国际著名期刊ACS Nano上。

【图文导读】

图一、空心NIR PLNPs的合成、功能化和应用

 图二、空心NIR PLNPs的理化表征 

（a） 原始的碳球的TEM图像，尺寸约为150 nm；

（b） 前体离子标记的碳球的TEM图；

（c） 空心近红外的PLNPs的TEM图；

（d） BSA修饰的空心PLNPs的TEM图；

（e） 碳球的水动力直径；

（f） 前体离子被标记的碳球；

（g） 空心的近红外的PLNPs；

（h） BSA修饰空心的PLNPs；

（i） 空心的PLNPs的SEM；

（j） 空心的PLNPs的高分辨TEM图；

（k） SAED的模式；

（l） (L-Q)元素映射图像；

（m） (R, S) 空心的PLNPs的EDS。

图三、在300 nm的碳球上合成空心PLNPs 

（a） 300 nm的碳球的TEM图；

（b） 前体离子被标记的碳球；

（c） 空心近红外的PLNPs；

（d） 空心近红外的PLNPs的SEM图；

（e） 空心近红外的PLNPs的高分辨TEM图；

（f） 空心近红外的PLNPs的SAED图；

（g）（G-M）空心近红外的PLNPs的元素分布图；

（h）（N）空心近红外的PLNPs的EDS图。

图四、空心NIR PLNPs（50 nm）的表征

（a） 空心NIR PLNPs的激发和发射光谱；

（b） 在254 nm处激发3 min 后，空心NIR PLNPs粉末的NIR余晖衰减曲线，准备好的PLNPs粉的插入图像；

（c） BSA改性中空NIR PLNPs粉在650 nm 重复激发后的NIR余辉衰减曲线；

（d） 在254 nm处5 min后，空心NIR PLNPs水溶液（1 mg/mL）的NIR余辉衰减曲线；

（e） 空心NIR PLNPs粉末在254 nm紫外线灯照射后10 min后在5 min、10 min、15 min、30 min、1和1.5 h的NIR余辉图像,和白光LED灯（1100 lm）在照射5 min后在5min和10 min的余辉衰减图像； 

（f） BSA修饰的空心NIR PLNPs水溶液（2 mg/mL）在254 nm紫外线灯照射后10 min后在5 min、10 min、15 min、30 min、45 min和1 h的NIR余辉图像,和白光LED灯（1100 lm）在照射5 min后在1 min和5 min的余辉衰减图像。

图五、空心NIR PLNPs（50 nm）负载药物和PH值实验表征 

（a） 在PH=7.4和5.0时，空心NIR PLNPs负载DOX在PBS中的药物释放图；

（b） 游离DOX和空心NIR PLNPs-Dox在不同DOX浓度下对4T1细胞进行24 h孵育；

（c） DAPI染细胞核，绿色信号表示空心PLNPs，红色表示DOX;

（d） 用空心PLNPS-DOX培养4T1细胞的生物TEM图，红色箭头表示红色框架纳米粒子的局部放大图像。

图六、空心NIR PLNPs的小鼠体内实验 

（a） 持续发光（PL）或余辉成像实验在体内的概述；

（b） 正常小鼠静脉注射BSA修饰的空心NIR PLNPs（2 mg/mL, 200 uL）;

（c） 用白光LED（1100 lm）每个周期照射5 min后的体内成像图；

（d） 通过小鼠静脉注射24 h后，小鼠的心脏（a）、肝（b）、脾（c）、肺（d）、肾（e）和肠（f）等发光图；

（e） 通过小鼠静脉注射24 h后，小鼠的心脏（a）、肝（b）、脾（c）、肺（d）、肾（e）和肠（f）等的量化图。

【小结】

研究制备了一种大型中空腔和尺寸可调的NIR PLNPs。合成的PLNPs不仅具有均匀的尺寸和规律的形貌，而且具有强烈的持续发光，特别是在体内可重复使用白光LED进行充电。这种由PLNPs介导的后续发光成像技术在生物发光或发射性核素成像方面具有优势，它也不受背景干扰。利用PLNPs的空腔负载DOX和光敏剂（Si-Pc），被用于化疗和后荧光辅助的PDT,两种治疗方式都表现出良好的抗肿瘤能力。并希望通过对空心结构的PLNPs的概念验证能够激发PLNPs的其他功能结构，进一步扩展其在生物医学中的应用。

文献链接：Large Hollow Cavity Luminous Nanoparticleswith Near-Infrared Persistent Luminescence and Tunable Sizes for Tumor Afterglow Imaging and Chemo-/Photodynamic Therapies （ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.7b07606）

本文由材料人生物材料组小胖纸编译。

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