美国史蒂文斯理工学院Hongjun Wang教授和厦门大学任磊教授等人AFM: 具有近红外二区等离子共振性能的介孔金纳米骨架用于拉曼光声成像和光化学肿瘤治疗

【背景介绍】

光热治疗（PTT）是一种与光相伴的诊断和治疗方法，具有微创、高效、特异性好、时空可控等优点，是治疗癌症的一种理想方法。基于金属金（Au）的纳米材料具有从可见光到近红外区域的局部表面等离子共振（LSPR）的可调波长，以及通用的化学修饰和高生物相容性而受到特别关注，从而在传感、光声（PA）成像、药物递送、光热疗法（PTT）和光动力疗法中被广泛应用。考虑到近红外二区（NIR-II：1000-1350 nm）比近红外一区（NIR-I：750-1000 nm）具有更深的组织穿透力和更高的皮肤最大允许辐射量（MPE），因此，更需要Au纳米材料具有NIR-II LSPR。虽然已经为NIR-II的PTT和体内光声成像（PAT）开发了各种纳米材料，但是对于Au纳米结构的进展却十分有限。此外，尽管某些纳米材料（MXene@Au纳米复合材料）也可以在NIR-II中实现PTT效应，但是由于NIR-II的吸光度相对较低，使其PAT性能仍保留在NIR-I（约900 nm）。因此，需要探索在NIR-II中高度活跃的Au光热治疗剂，使其在抗肿瘤治疗中具有高穿透深度的PTT和PAT的巨大应用潜力。

此外，LSPR中Au纳米结构附近的强电磁场可以实现表面增强的拉曼散射（SERS），以进行生物分析。尤其是基于SERS的拉曼成像可以高特异性和高灵敏度检测肿瘤。基于拉曼探针产生的指纹散射信号，SERS拉曼成像可以灵敏地追踪富集于肿瘤中的Au纳米治疗药物。当与NIR-II PAT结合使用时，SERS拉曼成像的高空间分辨率和NIR-II PAT的深入观察可以实现优势互补，更有效的定位纳米材料。因此，开发出在NIR-II区具有高活性、结构良好的Au纳米治疗剂对PAT/拉曼双模态成像引导的光热疗法具有重要意义。

【成果简介】

基于此，美国史蒂文斯理工学院的Hongjun Wang教授和厦门大学的任磊教授（共同通讯作者）联合报道了一种利用脂质体为模板介导并合成具有较大介孔结构（≈40 nm）的新型金纳米骨架（AuNFs），用于多模态成像和光热治疗。合成的AuNFs在NIR-II区表现出强吸收性，为深部肿瘤提供了NIR-II光热疗法（PTT）和光声（PA）成像。通过透明质酸（HA）修饰AuNFs后，使其对CD44过表达的肿瘤细胞具有靶向能力，同时将阿霉素（DOX）负载到孔洞中。而4-氨基硫酚（4-ATP）偶联到AuNFs上，可得到表面增强的拉曼散射（SERS）指纹信息，用于拉曼光谱/成像，并形成了新型纳米药物分子（HA-4-ATP-AuNFs-DOX）。通过荷瘤异种移小鼠体内评估发现，在PA-拉曼双模态成像引导的光化学疗法下，HA-4-ATP-AuNFs-DOX在根除实体瘤方面具有很高的效率。因此，当前的AuNFs提供了光热学方面的通用性能。该研究成果以题为“Gold Nanoframeworks with Mesopores for Raman-Photoacoustic Imaging and Photo-Chemo Tumor Therapy in the Second Near-Infrared Biowindow”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文解读】

图一、HA-4-ATP-AuNFs-DOX纳米系统的表征
（a）多孔AuNFs的示意图；

（b）AuNFs的TEM图像；

（c）多孔AuNFs的SEM图像；

（d）以不同角度倾斜的单个AuNF的一系列TEM显微照片；

（e-f）AuNFs的HR-TEM图像，并显示结晶度；

（g）从一个AuNF记录的电子衍射图。

图二、HA-4-ATP-AuNFs-DOX纳米系统的体外测试
（a）AuNFs的UV-vis-NIR光谱随金前体（HAuCl₄）浓度的增加而显示局部表面等离子体共振（LSPR）峰的红移；

（b）在1064 nm激光辐照下，AuNFs的光热效应的浓度依赖性；

（c）用1064 nm激光辐照600 s后，AuNFs水溶液的时间分辨光热效应；

（d）冷却时间与从冷却阶段获得的温度驱动力的负自然对数的关系图；

（e）在1064 nm激光照射下，不同浓度的AuNFs的光热图像；

（f）不同浓度的AuNFs的光声图像；

（g）光声强度与AuNF水溶液浓度之间的线性关系；

（h）用散射长平面波辐照下，AuNFs的近长电磁场模拟分布图。

图三、HA-4-ATP-AuNFs-DOX纳米系统的测试和细胞成像
（a）不同样品的拉曼光谱；

（b）去除过量的游离药物分子后，在不同负载DOX药物浓度下获，HA-4-ATP-AuNFs的UV-vis-NIR光谱；

（c）在37^oC、1和4 h和1064 nm激光照射下，有无透明质酸酶1（Hyal-1）的情况下，从HA-4-ATP-AuNFs释放DOX的能力；

（d）在NIR-II生物窗口中，HA定向的光热细胞消融和药物释放的示意图；

（e）MDA-MB-231和HUVEC细胞对负载DOX的HA-4-ATP-AuNFs的细胞摄取；

（f）孵育4 h后，MDA-MB-231细胞中HA-4-ATP-AuNFs在细胞内定位的TEM图像。

图四、HA-4-ATP-AuNFs-DOX纳米系统的体外基于SERS的拉曼成像和细胞毒性作用
（a）与HA-4-ATP-AuNFs孵育的MDA-MB-231细胞的拉曼成像；

（b）HA-4-ATP-AuNFs在NIR-I区和NIR-II区的拉曼光谱；

（c）用不同处理后，MDA-MB-231细胞的细胞存活率；

（d）在有无近红外激光辐照下，处理的活/死MDA-MB-231细胞的荧光显微镜图像。

图五、HA-4-ATP-AuNFs纳米系统基于PAT/SERS的体内拉曼成像和生物分布
（a）在注射后，不同时间点在肿瘤部位的HA-4-ATP-AuNFs的PA图像；

（b）图（a）中肿瘤部位的平均PA强度；

（c）切除的肿瘤组织的拉曼成像；

（d）从c图位置I和II获得的拉曼光谱；

（e）从c图位置II获得组织的H＆E染色和TEM图像；

（f）用于DOX定位的切除的MDA-MB-231肿瘤的免疫荧光图像。

图六、HA-4-ATP-AuNFs纳米系统的体内肿瘤治疗效果
（a）静脉内注射PBS和HA-4-ATP-AuNFs后，暴露于NIR-II区的MDA-MB-231荷瘤小鼠的光热图像；

（b）不同时间点，小鼠在不同治疗下的肿瘤生长曲线；

（c）不同处理后，从小鼠切除的最终肿瘤重量曲线；

（d）用PBS、HA-4-ATP-AuNFs、HA-4-ATP-AuNFs-DOX和HA-4-ATP-AuNFs+NIR-II和HA-4-ATP-AuNFs-DOX+NIR-II治疗下，不同组的切除肿瘤的数字图像和H＆E染色的横截面；

（e）不同组的主要器官的H＆E染色。

【总结】

综上所述，作者报道了一种基于新型金纳米结构的高效光热治疗策略，即具有介孔的AuNFs，利用PA/Raman双模态成像引导的光热化学联合治疗癌症。以脂质体作为AuNFs合成的模板，不仅可以指导和控制孔的形成，而且还为Au纳米结构提供了一种简单而绿色的制备方法。合成的AuNFs在NIR-II中表现出优异的光热效应，具有高吸光度、良好的光热稳定性和高的光热转换效率。由于AuNFs中存在高密度热点，因此可以将4-ATP的拉曼散射共轭接在AuNFs表面上用于具有显着扩增指纹信号的拉曼成像。利用HA表面修饰AuNFs后，可以特异性靶向CD44过表达的肿瘤细胞（MDA-MB-231），以及孔洞中可以负载DOX。通过体外（细胞）和体内（荷瘤异种移植）评估都证明，HA-4-ATP-AuNFs-DOX对NIR-II中实体瘤的PA-Raman双模态成像引导光化学疗法具有很高的疗效，几乎可以彻底根除肿瘤。总之，HA-4-ATP-AuNFs-DOX纳米系统已显示出广泛的应用潜力，而进一步评估其生物安全性和不同疗法的负载效率对于其将来的临床转化至关重要。

文献链接：Gold Nanoframeworks with Mesopores for Raman-Photoacoustic Imaging and Photo-Chemo Tumor Therapy in the Second Near-Infrared Biowindow（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.201908825）

通讯作者简介

Hongjun Wang，美国史蒂文斯理工学院教授。毕业于南开大学并先后获得理学学士、硕士、博士学位；之后，于荷兰德温特大学学习并获生物医学工程博士学位；在美国哈佛医学院从事博士后研究后加入美国史蒂文斯理工学院从事生物医学材料，3D组织重建以及纳米医学方面的研究。目前担任生物医学工程系系主任。近年来共发表学术论文近100篇，论文总引用近4,000次。长期担任Advanced Materials、Nature Communication、PNAS、JACS, Biomaterials、ACS Nano等杂志的审稿人。

任磊，厦门大学教授，博导。先后毕业于天津大学（学士，1990）、中国协和医科大学（硕士，1997）和日本冈山大学（博士，2001）。2001至2003年在新加坡国立大学材料系从事博士后研究，2003年起任为厦门大学生物医学工程研究中心副教授、厦门大学生物材料系教授。任磊教授课题组长期从事纳米生物领域的研究，近十年来先后承担和参加了科研项目20多项，包括主持国家自然科学基金项目7项等。2007年入选福建省新世纪优秀人才支持计划。在Advanced Materials、Biomaterials等学术刊物上发表了SCI收录论文100多篇，论文被引用1500多次。

本文由CQR编译。

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