蒲侃义等人在Adv. Mater.报道：半导体聚合物纳米载体用于活体免疫治疗的即时近红外化学发光成像

【背景介绍】

众所周知，现在临床上常用的化疗、放疗和手术三大治疗癌症的方法存在治疗效果不理想、严重的副作用等问题。随着免疫治疗的发展，为不同类型的癌症提供了新的治疗方法，但是在临床上常常遇到患者反应率有限的难题。为了优化免疫治疗效果，所以监测活体受试者的免疫反应是非常必要的。目前，主要是全血淋巴细胞和免疫细胞因子的测量和肿瘤组织的活检，但这些方法是侵入性的，不能有效地反映动态和空间治疗信息。然而，分子成像可以实时检测评估对象的免疫激活。虽然特异性激活对应于靶向生物标志物的信号的可激活成像探针绕过该组织并具有相对较高的信号特异性，但是目前很少将可激活探针用于免疫治疗应答的体内成像。

其实，活性氧（ROS）是生物体内氧代谢产生的化学活性分子。通过与生物分子中某些基团的优先反应，在调节从细胞稳态到细胞死亡等生物学功能中起着关键作用。在先天免疫反应中，吞噬细胞自发地增加ROS的生成，以通过氧化机制抵抗感染；而在适应性免疫反应中，T细胞受体的激活触发T细胞内ROS的生成，支持T细胞的激活和细胞因子的分泌。因此，ROS可以作为监测免疫激活的生物标志物。其中，半导体聚合物纳米材料（SPNs）由于其吸收系数大、可调光学特性、优异的光稳定性和生物相容性良好等优点而备受关注。

【成果简介】

基于此，山西医科大学附属大义医院的Ruiping Zhang和新加坡南洋理工大学的蒲侃义教授（共同通讯作者）联合报道了一种半导体聚合物纳米载体（SPNRs）与超氧阴离子（O₂^•−）可激活的化学发光信号，用于癌症免疫治疗过程中免疫激活的体内成像。其中，SPNRs由SP和笼状化学发光苯氧基-二氧杂环丁烷底物组成，分别作为化学发光的受体和供体，以实现颗粒内化学发光共振能量的转移。SPNRs本质上是荧光的，但只有在O₂的激活下才会变成化学发光。SPNR3是第一个O₂激活的近红外化学发光基因，可灵敏地将免疫细胞中较高的O₂水平与其他细胞（包括癌症和正常细胞）区分开。在全身给药后，SPNR3被动积聚到活体小鼠的肿瘤中，并激活化学发光信号，该信号响应肿瘤微环境中O₂的浓度。此外，癌症免疫治疗后体内化学发光信号的增强与肿瘤中T细胞数量的增加有关，证明了其追踪T细胞活化的可行性。因此，SPNRs代表了第一类化学发光基团分子，可用于体内免疫激活成像。该研究成果以题为“Semiconducting Polymer Nanoreporters for Near-Infrared Chemiluminescence Imaging of Immunoactivation”发布在著名期刊Adv. Mater.上。

【图文解读】

图一、SPNRs的设计和合成以及用于免疫激活的化学发光成像
（a）SPs的化学结构（PFPV、PFBT和PFODBT）；

（b）利用纳米沉淀法合成SPNRs的示意图；

（c）SPNRs的O₂^•−激活化学发光的机理；

（d）药物诱导的免疫激活后肿瘤中O₂^•−的体内化学发光成像示意图。

图二、SPNRs的光学表征
（a）1×PBS缓冲液中SPNR1、SPNR2和SPNR3的DLS数据；

（b-c）在1×PBS缓冲液中SPNR1、SPNR2和SPNR3的紫外可见吸收和荧光光谱；

（d-f）在1×PBS缓冲液中有无O₂^•−的情况下，SPNR1、SPNR2、和SPNR3的化学发光光谱；

（g）SPNR1、SPNR2和SPNR3的化学发光强度与O₂^•−浓度的关系；

（h）在O₂^•−存在下，SPNRs的化学发光强度衰减；

（i）在37℃下于1×PBS缓冲液中与有无ROS孵育后，SPNRs的化学发光强度之比。

图三、NDF细胞、4T1癌细胞和细胞毒性T细胞中细胞内O₂^•−的体外化学发光成像
（a）经SPNR3处理的NDF细胞、4T1癌细胞和细胞毒性T细胞的化学发光和荧光图像，有无BEC预处理和NAC预处理0.5 h；

（b-c）（a）中单细胞的平均化学发光和荧光强度；

（d）处理后，细胞的化学发光/荧光强度比。

图四、动物实验
（a）建立肿瘤BEC治疗和成像模型的示意图；

（b）O₂化学发光成像和SPNR荧光跟踪的示意图；

（c）在未治疗或经BEC预处理的小鼠中，肿瘤荧光强度与SPNR3注射后时间的关系；

（d）静脉注射SPNR3后，未治疗和经BEC预处理的4T1荷瘤BALB/c小鼠在不同时间点的NIR荧光成像；

（e）在未经治疗或经BEC预处理的小鼠中，肿瘤化学发光强度与SPNR3注射后时间的关系；

（f）在静脉内注射SPNR3后，在不同的时间点对未经治疗和经BEC预处理的4T1荷瘤小鼠进行化学发光成像；

（g）实时成像后，来自未经治疗和经BEC预处理的荷瘤小鼠的肿瘤组织的CD8和CD4染色的共聚焦荧光显微图像；

（h）体内成像后，从未经治疗和经BEC预处理的荷瘤小鼠中提取的主要器官的组织学H＆E染色。

【小结】

综上所述，作者合成了一类SPNRs用于检测O₂进行药物诱导的癌症免疫激活的实时体内化学发光成像。由于有效的iCRET、SPNR3在存在O₂的情况下，可以选择性地在700 nm处打开490倍的近红外化学发光信号，显示LOD低至11.8×10^-9 M。SPNR3是第一个可激活O₂的NIR化学发光基团分子。这种高选择性和敏感性使得SPNR3可以作为细胞内的纳米载体来检测不同细胞系的内源性O₂^•−水平，表明细胞毒性T细胞的内源性O₂^•−水平高于肿瘤细胞和正常细胞。此外，SPNR3在全身给药后优先在活体小鼠的肿瘤处积累，并且可以开启化学发光信号以检测在癌症免疫治疗过程中与激活的细胞毒性T细胞和辅助性T细胞群体有关的O₂水平。总之，本研究介绍了第一类有机化学发光纳米载体，以用于癌症免疫疗法的实时体内成像，并为高通量筛选免疫疗法提供了广阔的前景。

文献链接：Semiconducting Polymer Nanoreporters for Near-Infrared Chemiluminescence Imaging of Immunoactivation（Adv. Mater., 2019, DOI:10.1002/adma.201906314）

本文由CQR编译。

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