J. Am. Chem. Soc.：可变形氧化钆纳米线圈改善磁共振成像纳米探针的生物相容性

【前言】

磁共振(MR)成像作为一种无损伤性技术，正越来越多地用于临床诊断，以获取有关体内组织解剖、功能和代谢的信息。为了提高成像灵敏度，科学家已经使用造影剂来加速水分子的弛豫速率，从而增加特定组织或器官之间所需的对比度。与临床认可的常规钆螯合物相比，氧化钆(Gd₂O₃)纳米颗粒对T1加权MR图像显示出更高的增强效率，因为高度暴露的钆表面原子协同缩短了附近质子的纵向弛豫(T1)时间。然而，它们的生物安全风险代表着巨大的商业价值，被认为是普遍关注的必要问题。纳米粒子与蛋白质的相互作用从根本上影响了成像纳米探针的体内生物相容性和毒性，其中血清蛋白质吸附产生的生物界面通过受体介导的内吞作用诱导它们进入细胞。纳米材料对蛋白质的非特异性吸附导致网状内皮系统的清除，通过与细胞膜的相互作用促进内吞作用，从而导致细胞毒性。此外，在某些情况下，非特异性相互作用导致纳米颗粒与细胞膜、细胞外基质和细胞核结合，导致标记效率低下、检测不准确和遗传毒性。纳米颗粒的大小、形状、表面电荷和溶解度对蛋白质的相互作用有着重要的贡献，这已经被很好地探索为导致毒性的因素。

这些现有成像纳米探针的共同特征是它们具有固定的形态。由于聚合物链的空间构型自由度，聚合物涂层作为一种表面改性策略已经被主要用于降低细胞毒性和延长纳米材料的循环时间；这种方法通过构象熵损失驱动的空间排斥抑制蛋白质吸收。

【成果简介】

为了设计用于生物医学应用的功能纳米材料，科学家面临的挑战是进一步了解其独特的毒理学特性。蛋白质的非特异性粘附和内吞作用被认为是成像纳米探针的主要生物毒性来源。近日，来自北大口腔医学院的刘燕和北京中科院化学所的王铁研究员（共同通讯）在J. Am. Chem. Soc.上发表文章，为： “Biocompatibility of Magnetic Resonance Imaging Nanoprobes Improved by Transformable Gadolinium Oxide Nanocoils”。作者制造了具有低杨氏模量的超薄氧化钆(Gd₂O₃)纳米线圈，它在溶液中提供可变形的性质。超薄纳米线圈的空间构型自由度诱导了蛋白质非特异性吸附的空间排斥，这反过来抑制了细胞摄取，从而改善了它们的生物相容性。超薄纳米线圈中更多的暴露在表面的钆原子提供了增强的T1磁共振(MR)成像对比度和高信号激活。这种纳米造影剂应用于体内MR生物成像，可以延长循环寿命。可转化的Gd₂O₃纳米线圈改善了生物相容性，为未来各种纳米生物药物的设计和构建开辟了新的视角。
【图文导读】

图1. 结构形貌表征

(a) 超薄纳米的TEM图像；

(b) 液体TEM图像显示纳米线圈的可变形特性(用箭头标记) :纳米线圈从围巾状(1s，3s)逐渐打开到蠕虫状(19s)；

(c) 通过“定向附着”机制(顶部)纳米线圈形成过程的示意图。电子束辐照下活性超小Gd₂O₃纳米粒子的各向异性组装。辐照0、5和15分钟后超小Gd₂O₃纳米粒子的HRTEM图像(底部)。

(d) 四种固定形态纳米材料的TEM图像，依次是超小纳米颗粒、三脚架形、三角形和盘状纳米片。

(e) 五种不同Gd₂O₃纳米材料的平均杨氏模量；#，α< 0.05 vs纳米线圈；$，α< 0.05 vs纳米粒子；&，α< 0.05 vs纳米三脚架；@，α< 0.05 vs纳米三角形。

图2. 蛋白定量表征

(a) 使用紫外-可见分光光度计测定五种不同Gd₂O₃纳米材料上吸收蛋白质的定量含量；

(b) 电泳分析洗脱的非特异性吸附蛋白质。

(c) 用SDS - PAGE定量分析吸附的牛血清白蛋白；

(d) BSA在纳米线圈上吸附的示意图

图3. 与可变形纳米线圈和其他四种形态固定纳米材料一起孵育后的细胞形态

(a) 将MG - 63细胞与纳米线圈、纳米颗粒、纳米三脚架、纳米三角形和纳米盘一起孵育12小时后，用盐水作为对照的荧光图像。图示是MG - 63细胞的详细形态(比例尺: 20 μm )。绿色代表肌动蛋白丝，蓝色代表细胞核；

(b) 通过CCK - 8评估用不同Gd₂O₃纳米材料培养的MG - 63的细胞活力；

(c) 与纳米线圈、纳米颗粒、纳米三脚架、纳米三角形和纳米圆盘一起孵育后，caspase - 3的免疫荧光染色。caspase - 3用抗体(红色和蓝色)染色；

(d) 细胞凋亡通过caspase - 3的光密度统计来评估；

(e) 显示超薄纳米线圈的细胞内吞作用的示意图和共聚焦图像:红色荧光信号代表RhB共轭纳米线圈；绿色是细胞骨架，蓝色代表细胞核；

(f) 显示超小颗粒细胞内吞作用的示意图和共聚焦荧光图像；

图4. 体内MR生物成像

(a) 不同浓度下具有不同形貌的硅涂层Gd₂O₃纳米材料的T1加权图像；

(b) 计算五种纳米材料的纵向弛豫率(R1)；

(c) 体内磁共振生物成像是通过将纳米线圈和纳米颗粒注射到C - 57小鼠体内实现的；

(d) 具有不同纳米线圈给药途径的小鼠的体内T1加权MR图像；

(e) 15、30、45和60分钟超小纳米粒子静脉注射时小鼠的T1加权MR图像；

(f) 超薄纳米线圈静脉注射后20、40、60、80、100、120、140和180分钟小鼠的T1加权MR图像；

【总结】

数据显示，可转化的Gd₂O₃纳米线圈可以抑制蛋白质的非特异性吸附，从而抑制细胞内吞作用。人们会期望纳米材料可以提供一个极好的机会来改善MR成像，因为它们具有高的表面积与体积比，但是由于注射后血浆蛋白的非特异性吸附，纳米材料受到了生物毒性的限制。作者观察到的生物相容性的增加对于成像具有低杨氏模量的纳米探针是重要的，因为可变形纳米探针应该提供对蛋白质的空间排斥。成像纳米探针的细胞分布可以帮助理解可变形纳米探针的这种生物相容性。在小鼠模型中证明有效延长MRI增强时间显然是监测特定疾病部位的一个重要步骤。原则上，除了MRI造影剂之外，其他成像剂，例如荧光探针、X射线成像探针和光声探针，也可以根据这种概念证明来设计，以改善生物相容性。

文献链接：Biocompatibility of Magnetic Resonance Imaging Nanoprobes Improved by Transformable Gadolinium Oxide Nanocoils, (J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b08118)

本文由材料人生物&高分子组Z. Chen编译。

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