唐本忠院士团队Adv. Mater.：聚集诱导发光材料与二维黑磷纳米片结合实现肿瘤的多模态诊疗

【引言】

癌症作为威胁人类健康的重大疾病之一，已引起研究者的高度重视。在过去几十年取得的众多进展中，癌症遗传学将精确诊断和靶向治疗巧妙地整合到空间共定位的单一平台中，引起了基础研究和临床试验的极大兴趣。与传统的小分子药物相比，纳米尺度的治疗平台在实现最大的治疗效率和最小的脱靶毒性方面具有巨大的潜力。尽管如此，工程具有多重诊断成像和协同癌症治疗综合功能的有效治疗性纳米平台仍然是特别具有挑战性的。先前开发的治疗药物系统显示出各自或共同的缺陷，包括诊断成像质量不满意、治疗负荷和存储稳定性低、固有成分的毒性和不可降解性，以及生产复杂性。在这种情况下，探索具有良好生物相容性、突出的诊断成像和治疗效果的多功能治疗性纳米平台对癌症治疗的需求很大。在各种诊断成像技术中，荧光成像（FLI）以其优异的选择性和敏感性、相对低廉的成本和良好的重现性，成为一种强大的非侵入式癌症诊断工具。此外，一些荧光团被认为是一种非常有效的光敏剂（PSs），可以用于光动力治疗（PDT），这是一种新兴的癌症治疗方式，具有侵袭性小、副作用小、时空精度高、光控特性好等内在优势。考虑到它们显著的特点，FLI与PDT在具有精确空间共域的单一配方中的整合已被证明是一种显著的癌症药物治疗方案。在这个研究领域，特别感兴趣的是聚集诱导发射（AIE）-活性PSs。AIE指的是一种独特的光物理现象，即一组荧光团分子溶解在溶剂中是无发射或弱发射的，但在聚集体中表现出增强发射。AIE 发光剂具有特殊的性能，包括聚集物的高发射亮度、生物标本的高对比度成像以及优异的光稳定性，是FLI的一种特殊替代品。黑磷（BP）纳米片作为2D材料的后起之秀，由于其光热转换效率高、表面积/体积比大、生物相容性好、生物降解性好等优越的物化性能，近年来在生物医学领域受到广泛关注。事实上，BP纳米片已经被证明是一种前所未有的携带嗜冷性物种的功能纳米模板，而构建的有机/无机纳米热激材料，表现出了良好的稳定性、高载药效率和多功能性。此外，BP纳米片独特的光热性能使其在光热疗法（PTT）中得到了显著应用，在PTT中BP纳米片将光能转化为热疗，从而破坏癌细胞。同时，作为一种温度敏感成像方式，光热成像（PTI）可以与PTT一起有效地实现。另一方面，PDT与PTT的巧妙合作可以克服各自的缺点，实现协同效应，提高治疗效果，具有开创性。尽管上面提到了这些有趣的进步，就我们所知，这种系统尚未得到报道。

【成果简介】

近日，唐本忠院士团队首次设计了一种结合AIE PS和BP纳米片的新型多功能治疗诊断纳米平台。通过静电作用在BP纳米片表面涂上一层水溶性带正电荷的AIE PS（NH₂-PEG-TTPy），从而制备出了纳米平台BP@PEG-TTPy。这一策略不仅提高了BP纳米片的生物相容性和生理稳定性，而且赋予了该治疗性纳米平台在近红外区域的强荧光发射和PDT能力。体外和体内评估均显示，多功能BP@PEG-TTPy在近红外FLI-PTI双成像引导的PDT - PTT协同光疗的癌症治疗学中表现良好。该成果以题为“Aggregation-Induced Emission Luminogens Married to 2D Black Phosphorus Nanosheets for Highly Efficient Multimodal Theranostics”发表在了Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1 BP@PEG-TTPy纳米片的制备过程

图2 BP@PEG-TTPy的性能表征

A）样品的Zeta电位。

B-E）BP@PEG-TTPy的XPS光谱：总谱、P 2p、C 1s和N 1s光谱。

F-H）BP@PEG-TTPy的F）TEM、G）AFM图像和H）拉曼光谱。

I）样品的紫外-可见-近红外光谱。（I）中的插图：i-iii）以下照片：i）BP纳米片，ii）NH₂-PEG-TTPy和iii）BP@PEG-TTPy。

J）样品的荧光光谱。浓度：NH₂-PEG-TTPy（4 mg mL^-1），BP@PEG-TTPy-1（50μgmL-1 BP NSs，4 mg mL-1 NH₂-PEG-TTPy），BP@PEG-TTPy （100 µg mL^-1的BP纳米片，4 mg mL^-1的NH₂-PEG-TTPy）和BP纳米片（100 µg mL^-1）。激发波长：488nm。

K）在808 nm NIR激光照射下，不同BP浓度下PBS中BP@PEG-TTPy的光热加热曲线。

L）用808 nm NIR激光在五个开/关照射周期中BP@PEG-TTPy在PBS中的光热稳定性。

图3 4T1细胞中的细胞内ROS产生

A）以DCFH-DA作为指示剂，在白光和808 nm NIR激光照射下产生ROS。

B）DCFH-DA检测4T1细胞中的细胞内ROS产生。核用Hoechst 33342染色。

C）在有或没有白光（24 mW cm^-2）和808808 nm近红外激光（1 W cm^-2）照射10分钟情况下，在不同的BP和NH₂-PEG-TTPy处理4T1细胞后的相对存活率。* P <0.05，** P <0.01和*** P <0.001。

D）分别在预先安排的时间间隔用BP@PEG-TTPy、LysoTracker Green和MitoTracker Green进行共刺激后，对4T1细胞进行CLSM成像。

E，F）在用BP@PEG-TTPy和MitoTracker Green配色后，白光和808 nm近红外激光照射前（E）和（F）5分钟后线粒体形态的变化。

G）BP@PEG-TTPy的细胞内递送途径和协同抗肿瘤治疗。

图4 体内成像和抗肿瘤作用的4T1-肿瘤小鼠

A）注射BP@PEG-TTPy后的小鼠延时近红外荧光检测。

B）注射BP@PEG-TTPy和PBS 24小时后，主要器官和肿瘤的延时近红外荧光图像。

C）在波长808 nm 近红外激光和白光照射期间，注射BP@PEG-TTPy的荷瘤裸鼠的肿瘤区域温度变化和相应的红外热像仪图像（插图）。

D，E）各种处理后每隔一天记录小鼠肿瘤体积（D）和裸鼠体重（E）的变化（* P <0.05）。（D）中的插图：第6组治疗小鼠在第0天和第14天的代表性照片。

F）第14天，从所有处死的小鼠中摘除的肿瘤的数字照片。

G）不同治疗组的肿瘤切片：H＆E彩色的、有代表性的TUNEL染色图像（蓝色：DAPI和红色：TUNEL-荧光素）和CD31染色图像（蓝色：DAPI和绿色：CD31-荧光素）。

【小结】

综上所述，团队首次成功地研制出了结合AIEgen的二维黑磷纳米片。该杂化纳米材料具有高稳定性和良好的生物相容性，能够有效地产生ROS，并表现出强的FR/NIR荧光和良好的光热转换效率。这些显著的特征使其在近红外FLI-PTI双成像引导下协同PDT - PTT的体外和体内癌症治疗诊断方面具有显著的性能。这一多模式治疗方法的成功案例将为下一代用于癌症治疗的高效治疗方法学提供蓝图。

文献链接：Aggregation-Induced Emission Luminogens Married to 2D Black Phosphorus Nanosheets for Highly Efficient Multimodal Theranostics（Adv. Mater.，2020，DOI:10.1002/adma.202003382）

本文由木文韬翻译编辑。

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