中科院深圳先进技术研究院Adv. Mater.:托珠单抗共轭聚合物纳米粒子用于NIR-II光声成像介导的类风湿性关节炎的治疗

【背景介绍】

类风湿性关节炎（RA）是一种隐匿的自身免疫性关节炎性疾病，其直接病因目前尚不清楚。类风湿性关节炎的特点是持续性滑膜炎和软骨以及骨的渐进性破坏，导致周围关节对称性疼痛、发红和肿胀，在某些情况下会导致永久性残疾。不幸的是，在这种疾病的早期，患者的症状与其他形式的炎症性多关节炎相似，因此早期诊断和治疗是一个重大挑战。在临床实践中，目前的诊断方法需要血清学检查和使用常规成像方式，如关节造影、肌肉骨骼超声和磁共振成像。而这些血清学方法费时，且经常会出现假阳性。此外，这些成像方式的低灵敏度限制了它们在类风湿关节炎后期观察关节结构变化的用途，不适合监测治疗进展。近红外（NIR）荧光成像技术已成为RA早期诊断的一种有效方法。与前面提到的成像方式相比，这种技术可以通过荧光检测特定的类风湿关节炎生物标志物来提供关节的特定病理生理信息。然而，荧光成像有限的组织穿透深度阻碍了获得完整诊断信息的能力。因此，发展一种能够在大成像深度获得特定分子信息的成像方式对类风湿关节炎的诊断是非常必要的。

NIR-II（1000-1700nm）光声（PA）分子成像（PMI）是一种新兴的无创诊断方法，具有高信噪比（SNR）、大成像深度和高灵敏度。与传统光学成像方式相比，NIR-II PMI具有许多显著的优势。而观察到的PA信号是由分子在短脉冲激光照射下吸收光而产生的。由于声波在生物组织中的散射远小于光的散射，这种成像策略克服了常见的光学扩散限制。与在NIR-I区域（650-900 nm）中使用激发波长相比，NIR-II区域（1000-1700 nm）显著减少了光散射和衰减，且来自内源性生色团和组织（如血红蛋白、黑色素、脂肪和组织液）的背景干扰最小。近年来，美国和其他国家的研究表明，NIR-II PMI具有较高的信噪比、灵敏度和良好的深度穿透能力，可用于脑血管脉络和原位肝细胞癌等疾病的诊断。然而，迄今为止，RA靶向NIR-II PMI仍然是一个有待开发的领域，主要原因在于：1）与肿瘤相比，RA关节具有更复杂的组织环境，例如，RA关节除了内源性发色团外，还有软骨和骨组织，需要更深入的成像穿透；2）RA关节有关节腔，生物相容性低的材料容易停滞，导致更严重的关节损伤。目前的NIR-II探针范围从无机材料、小分子染料到共轭聚合物基材料。长期使用无机材料的安全性问题限制了其发展，小分子染料表现出较强的NIR-II吸收和良好的生物相容性，但其光稳定性较差。有机共轭高分子材料由于具有较强的NIR-II吸收、高的光稳定性和良好的生物相容性，正逐渐成为PA诊断的候选材料。

【成果简介】

最近，中国科学院深圳先进技术研究院刘成波副研究员、张鹏研究员和南开大学丁丹研究员团队合作报道了一种用于NIR-II光声成像介导治疗类风湿性关节炎的托珠单抗共轭聚合物纳米粒子。作者通过把抗风湿靶向药物托珠单抗（TCZ）与聚合物纳米粒子（PNPs）结合，开发了第一例用于光声（PA）成像介导治疗类风湿关节炎（RA）的NIR-II治疗纳米平台TCZ-PNPs。实验研究表明，TCZ-PNPs具有较强的NIR-II消光系数、高的光稳定性和良好的生物相容性。NIR-IIPMI的结果显示TCZ-PNPs具有良好的靶向性，在3D-PA断层图像中具有35.8dB的高信噪比。同时，经一个月的治疗和TCZ-PNPs监测PA显示RA被显著抑制。此外，NIR-II-PMI对RA小鼠的治疗评价与临床micro-CT和组织学分析一致。作者认为，TCZ PNP辅助的NIR-II PMI为RA治疗、治疗监测等提供了新的策略。相关成果以“Tocilizumab-Conjugated Polymer Nanoparticles for NIR-II Photoacoustic-Imaging-Guided Therapy of Rheumatoid Arthritis”发表于Adv. Mater.期刊上。

【图文导读】

图一

（a）TCZ-PNPs用于NIR-II光声成像和1064 nm激光治疗RA模型小鼠的示意图；

（b）TCZ-PNPs的TEM图像；

（c）水溶液中TCZ-PNPs的DLS测定；

（d）PBDTBBT在CHCl₃溶液中的归一化UV-vis-NIR吸收光谱和TCZ-PNPs在水中的标准化吸收光谱。插图显示了PBDTBBT在CHCl₃溶液中的照片（i）和在水中制备的TCZ PNPs（ii）。

图二、TCZ-PNPs的NIR-IIPA特性

（a）TCZ-PNPs的PA谱；

（b、c）用800、1064和1200 nm波长脉冲激光对1.5 cm鸡胸下不同浓度TCZ-PNPs的照片和扫描PA图像进行分析；

（d）该图对应于（c）中的红色虚线；

（e）不同浓度TCZ-PNPs在1.5 cm鸡胸下不同浓度激光激发PA强度的统计结果；

（f）（c）中不同浓度TCZ-PNPs PA图像的信噪比比较；

（g）在1064 nm激发时，PA强度与TCZ-PNPs浓度的函数关系。插图显示了不同浓度TCZ-PNPs水溶液在1064 nm激发下的PA图像；

（h）1064 nm脉冲激光激发5 min后PA强度的变化；

（i）A/A₀与不同辐照时间的关系图。A和A₀分别是ICG和TCZ-PNPs在连续激光照射前后808 nm和1064 nm处的最大近红外吸收强度。

图三

（a）RA诱导和PA成像实验计划流程图；

（b）正常组和RA模型组前爪图像；

（c）免疫小鼠两次免疫后的临床评分；

（d）分别在800、1064和1200 nm波长脉冲激光照射下前爪的最大振幅投影（MAP）图像和对应的统计PA强度；

（f、g）f）绘制PA/US图像和g）正常组、RA模型组和RA模型组前爪相应的PA强度统计值；

（h、i）静脉注射TCZ-PNPs后RA模型足的B超图像。

图四、类风湿关节炎的体内PMI监测与治疗

（a）治疗和诊断的实验计划；

（b、c）第一次免疫后第27天、第42天和第57天，正常和TCZ-PNPs治疗RA模型组前爪的照片和PA图像；

（d、e）第一次免疫后第27天、第42天和第57天，正常组和TCZ-PNPs治疗组前爪MAP PA（d）和B扫描PA（e）强度的统计结果；

（f）第一次免疫后第27天、第42天和第57天，正常组和TCZ-PNPs治疗组的前爪厚度。

 图五

（a、b）正常组、生理盐水组、TCZ组、PNPs组和TCZ-PNP治疗组第57天前爪有代表性的MAP-PA图像及相应的统计数据；

（c、d）正常组、生理盐水组、TCZ组、PNPs组和TCZ-PNPs治疗组第57天前爪的典型显微CT图像和骨密度；

（e、f）正常组、生理盐水组、TCZ组、PNPs组和TCZ-PNPs治疗组在第57天有代表性的H&e染色图像和组织学评分；

（g，h）正常组、生理盐水组、TCZ组、PNPs组和TCZ-PNPs治疗组第57天的代表性番红-o染色图像和软骨含量。

【小结】

综上所述，作者开发了一种基于TCZ的共轭聚合物纳米粒子TCZ-PNPs，并将其用于RA的诊断和治疗监测。作者首先将具有RA治疗和靶向功能的单克隆抗体tocilizumab（TCZ）与PNPs偶联，制备了用于RA靶向并行成像和治疗的集成的TCZPNPs。同时，作者采用胶原诱导关节炎（CIA）动物模型进行RA的体内诊断。由于TCZ-PNPs具有良好的光生理稳定性、大的吸收系数、良好的生物相容性和理想的PA特性，可以在体内进行深部组织PA成像。作者通过结合定制的PA三维断层成像仪，实现了NIR-II PA分子成像引导下的RA治疗，其具有高灵敏度、高特异性和高信噪比。经过长时间的治疗和使用大样本量（40只小鼠）的TCZ-PNPs对RA进行治疗和NIR-II 3D-PA监测可以显著抑制RA。此外，作者发现TCZ-PNPs具有较高的炎症特异性，在鉴别早期类风湿关节炎与其他炎症性疾病方面有很大优势。在对RA关节组织进行NIR-II PMI显示，可以清楚地显示肿胀和软骨组织，这表明其在无创监测RA疾病进展方面的诊断潜力。进一步的TCZ-PNPs诊断结果均经临床应用的显微CT成像和组织学分析证实：TCZ-PNPs克服了单抗药代动力学差的缺点，显示出比游离TCZ更有效的治疗效果。治疗1个月后，小鼠RA组织出现超低PA强度，与正常小鼠的PA强度相当。最重要的是，这是第一例使用NIR-II PMI同时诊断和治疗监测RA的例子。因此，作者认为TCZ-PNPs在未来的临床转化中具有重要的应用潜力。

文献链接：Tocilizumab‐Conjugated Polymer Nanoparticles for NIR‐II Photoacoustic‐Imaging‐Guided Therapy of Rheumatoid Arthritis（Adv. Mater. 2020, 2003399）

本文由我亦是行人编译。

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