厦大高锦豪团队Nano Lett.：级联的多响应自组装19F MRI纳米探针通过激活/扩增两个阶段对进行肿瘤精确的检测和成像

【背景介绍】

相对正常生理环境而言，病理状态常表现为酸中毒、缺氧、某些蛋白过表达、氧化还原失衡等现象。目前，已广泛的探索了响应于生物相关刺激的可激活探针，并将其用于成像和药物递送，以通过疾病部位特异性的递送、激活和控制释放来提高诊断和治疗效果。例如，谷胱甘肽（GSH）在许多生理过程中起着至关重要的作用。鉴于癌细胞中GSH的浓度是正常细胞的4倍以上，因而利用特异性响应GSH荧光探针对肿瘤成像及引导肿瘤治疗。然而，由于荧光探针的组织穿透性较低，极大的限制了其应用。因此，亟需开发能够进行深部组织可视化的替代荧光探针。

近些年来，由于磁共振成像（MRI）具有无创性、空间分辨率高和组织穿透性强等优点而成为应用最广泛的诊断技术之一。然而，由于水分子中的固有¹H信号，使得传统¹H MRI的刺激响应探针受到对比度低和背景干扰的影响。由于¹⁹F MRI具有高灵敏度（¹H的83％），宽泛的化学位移（>350 ppm）和可忽略的背景（人体中<10^-6 M）等优点，使其有望弥补传统¹H MRI的不足。虽然现在已报道了多种通过改变环境（生物分子、化学条件和外部物理条件）来智能性的控制响应¹⁹F MRI，但是很少报道关于¹⁹F MRI对多种刺激反应的。因此，利用具有多个级联信号激活/扩增的刺激响应的¹⁹F MRI可能是一种更好的策略，原因如下：（1）级联的信号激活/扩增涉及多个刺激响应过程，将显着增强探针的特异性；（2）级联的信号激活/扩增由于倍增效应可极大增强信号。

【成果简介】

基于此，厦门大学的高锦豪教授（通讯作者）团队报道了一种级联的多响应的自组装纳米探针，其能够连续氧化还原触发和近红外（NIR）辐照诱导¹⁹F MR信号激活/扩增，以进行传感和成像。具体而言，设计并合成了一种基于两亲性氧化还原反应的含¹⁹F的聚合物和吸收NIR的吲哚菁绿（ICG）分子自组装的级联的多响应性的含¹⁹F纳米探针。利用该纳米探针可以在还原性肿瘤微环境中实现19F信号的激活，并通过光热过程实现随后的信号放大。通过在体外和体内的¹⁹F NMR和MRI实验，证实了¹⁹F信号能够逐步的分阶段激活/扩增。利用具有能够级联¹⁹F信号激活/扩增和光热效应发挥作用的多响应¹⁹F纳米探针可以对肿瘤进行精确的感测和成像。研究成果以题为“Cascaded Multiresponsive Self-Assembled ¹⁹F MRI Nanoprobes with Redox-Triggered Activation and NIR-Induced Amplification”发布在著名期刊Nano Lett.上。

【图文解读】

图一、1-ICG纳米探针的示意图和表征
（a）级联¹⁹F信号激活/扩增的自组装多响应的¹⁹F纳米探针示意图；

（b-c）自组装的1-ICG NPs的TEM图像和通过DLS的粒径分析；

（d）水中游离ICG和自组装的1-ICG NPs的UV-vis（黑线）和荧光发射（红线）光谱。

图二、自组装的1-ICG纳米探针的级联信号激活/扩增和特异性评估
（a）1-ICG NPs在500 μL10％ D₂O/H₂O中与GSH一起孵育指定时间的¹⁹F NMR光谱；

（b）部分a中¹⁹F NMR光谱的信噪比（SNR）；

（c）在808 nm激光照射下，500 μL10％ D₂O/H₂O中的1-ICG NPs的¹⁹F NMR光谱；

（d）c部分中¹⁹F NMR光谱的SNR；

（e）在不同功率强度下，直接用808 nm激光照射1-ICG NPs的¹⁹F NMR光谱；

（f）与GSH孵育2 h并用808 nm激光照射Ctrl 1-ICG NPs的¹⁹F NMR光谱；

（g）与GSH孵育2 h并用808 nm激光照射10 min时，1-ICG NPs的¹⁹F NMR光谱；

（h）g部分中¹⁹F NMR光谱的SNR；

（i）与GSH孵育2 h后，用不同功率的808 nm激光照射1-ICG NPs水溶液的温度曲线。

图三、级联的多响应1-ICG纳米探针的形貌变化
（a）用20 mM GSH处理2 h后，1-ICG NPs的TEM图像；

（b）a中1-ICG NPs的粒径分布；

（c）用20 mM GSH孵育2 h，并用808 nm激光以1.5 W/cm²辐射10 min后， 1-ICG NPs的TEM图像；

（d）直接用808 nm激光以功率为1.5 / cm²照射10 min后，1-ICG NPs的TEM图像；

（e）d中1-ICG NPs的粒径分布；

（f）直接用808 nm激光照射后，1-ICG NPs的结构变化。

图四、¹⁹F“热点”细胞内模拟成像
（a）用自组装的1-ICG NPs处理HepG2细胞，在808 nm激光辐照后，进行¹⁹F NMR/MRI的示意图；

（b）用自组装的1-ICG NPs处理24 h后，在1.5 W/cm²的808 nm激光照射处理10 min后，HepG2细胞的¹⁹F NMR光谱；

（c）与1-ICG NPs孵育24 h后，用808 nm激光以1.5 W/cm²照射HepG2细胞的温度曲线；

（d）采用不同处理方法后，HepG2细胞裂解物的¹H MRI和相应的¹⁹F MRI模拟图像。

图五、具有逐步分阶段激活/扩增功能的¹⁹F MRI用于检测肿瘤中的外源性GSH
（a）对HepG2荷瘤小鼠注入GSH和自组装的1-ICG NPs，再利用808 nm激光照射后的体内实验示意图；

（b）皮下注射GSH和1-ICG NPs（上图），在808 nm激光以1.5 W/cm²照射处理6 min（下图）后，对HepG2荷瘤小鼠进行¹H/¹⁹F MRI。

图六、通过体内¹⁹F MRS/MRI成像，利用1-ICG NPs检测肿瘤中的内源性GSH
（a）利用自组装的1-ICG NPs处理荷HepG2荷瘤小鼠，并用808 nm激光照射获得¹⁹F MRS/MRI的体内实验示意图；

（b-c）在肿瘤内注射1-ICG NPs 0 h、8 h后，对HepG2荷瘤小鼠进行的实时¹⁹F MRS；

（d）注射1-ICG NPs 8 h后，用808 nm激光照射6 min后，对HepG2荷瘤小鼠的¹H/¹⁹F MRI；

（e）注射Ctrl 1-ICG NPs 8 h后，用808 nm激光照射6 min后，对HepG2荷瘤小鼠的¹H/¹⁹F MRI。

【小结】

综上所述，作者开发了一种新型的级联多响应的¹⁹F纳米探针（1-ICG NPs），可以通过逐步的两个阶段¹⁹F信号激活/扩增来对肿瘤进行精确感测和成像。通过细胞模拟和小鼠体内肿瘤微环境中，发现第一阶段是¹⁹F信号强度从OFF到ON，第二阶段是在光热过程中会显着增强¹⁹F信号的强度。因此，这些能够逐步的分两阶段激活/扩增的级联多响应的1-ICG NPs具有作为智能试剂的巨大潜力，以实现准确而灵敏的¹⁹F MRI诊断。此外，这种简便的系统可以轻松用于肿瘤微环境中其它的特异性响应、准确的传感和成像，例如活性氧（ROS）、酸中毒和缺氧。总之，该探针包含的策略涉及级联的多响应过程中的逐步分两阶段的信号激活/放扩增，对于设计出更具创新性的纳米探针来检测具有高特异性和敏感性的生物靶标分子具有巨大的启发作用。

文献链接：Cascaded Multiresponsive Self-Assembled 19F MRI Nanoprobes with Redox-Triggered Activation and NIR-Induced Amplification（Nano Lett., 2019, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b04016）

通讯作者简介

高锦豪老师：厦门大学化学化工学院教授、博导。2004年南京大学化学系本科毕业，2008年获香港科技大学化学系博士学位。2008-2010年在斯坦福大学医学院从事博士后研究。目前担任厦门大学化学化工学院化学生物学系主任。2010年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，2012年获国家基金委优秀青年基金项目，2014年荣获中国化学会青年化学奖。主要从事活体生理病理特征分子的原位实时磁共振成像和诊断，生命体系中重要物质的成像监测方法和诊断相关研究。在Nat. Commun、Acc. Chem. Res.、JACS、Angew.  Chem.、Adv. Mater.、ACS Nano、Nano Lett.等发表SCI论文80余篇。

本文由CQR编译

欢迎大家到材料人宣传科技成果并对文献进行深入解读，投稿邮箱：tougao@cailiaoren.com.

投稿以及内容合作可加编辑微信：cailiaokefu.