Adv. Mater. CsxWO3纳米棒作为一种多功能纳米材料用于双模态成像引导的光热/光动力疗法治疗肿瘤

【引言】

将多模态成像和治疗相结合的可激活矫治术已经引起了生物医学应用领域的广泛关注，这是因为通过多模态成像实现的协同作用可以提供高度互补和更准确的信息，使我们能够更好地跟踪感兴趣区域中涉及的生理和病理过程以及分析治疗功效。在各种多模态成像技术中，X射线计算机断层摄影（CT）/光声成像断层摄影（PAT）的双重成像模态在疾病精确的诊断中引起了人们的兴趣。原因在于CT成像在3D全身图像和深部组织穿透中具有优势，而PAT具有高空间分辨率，非侵入性，深穿透和精确定量的特点，同时具有在手术中引导大块肿瘤切除的能力。因此，CT/PAT的组合不仅提供关于结构（CT）以及病理生理状态（PAT）的丰富信息，而且还允许我们阐明治疗后药物在肿瘤中的逐渐积累无论肿瘤局部施用或静脉全身施用。另外，PD已被证明对于肿瘤的富氧部分（即外部）是有效的，但是由于组织氧的耗尽，治疗时间的过去，治疗恶化严重。PT消融由于热积聚而对于肿瘤的内部是高效的，但PT在大血管附近热沉有低效率的风险。因此，并入PD和PT治疗将产生协同作用，改善治疗结果。总而言之，这将为多模态癌症成像和治疗提供了一个独特的机会。

【成果简介】

近日，来自哈尔滨工业大学的刘绍琴（通讯作者）和果崇申（通讯作者）课题组开发了一种基于Cs_xWO₃的“四合一”多功能治疗剂，用于CT/PAT双成像引导PT/PD双合疗法治疗肿瘤。Cs_xWO₃ NR@PEM系统在NIR区域具有强的光吸收，并且对恶性HeLa细胞和正常细胞都表现出优异的生物相容性。体内研究表明Cs_xWO₃ NR@PEM有望作为有前途的造影剂用于肿瘤或深部组织的CT和PAT成像。此外，体外和体内研究证明其作为新型光热和光动力剂有着巨大优势以用于NIR诱导的PT/PD消融治疗肿瘤，这是由于它们显着的光热转化效率以及它们对单线态氧形成极为敏感的结果。令人印象深刻的是，在880或1064nm激光（2W cm^-2，10分钟）的照射下，在Cs_xWO₃ NR@PEM施用组（5mg kg^-1的Cs_xWO₃ NR@PEM）中成功地实现了肿瘤的完全消融。此外，在实验过程中，Cs_xWO₃ NR@PEM对被治疗小鼠的主要器官没有产生明显的毒性。

【图文导读】

图1 Cs_xWO₃ NRs的制备，表面改性及相应的材料学表征

a）Cs_xWO₃ NRs的TEM图像和EDS映射图像（插图显示Cs_xWO₃ NR的尺寸分布）

b）Cs_xWO₃ NRs上的表面改性方案和分散在含有10％胎牛血清（v/v）的培养基中的Cs_xWO₃ NRs和Cs_xWO₃ NR @PEMs的照片。

c）Cs_xWO₃ NR @PEM的TEM图像（插图显示了Cs_xWO₃ NR @PEM的尺寸分布）

d）Cs_xWO₃ NRs和Cs_xWO₃ NR @PEM的xRD图谱（JCPDS No.831334作为参考）

e）在Cs_xWO₃ NR @PEM的W 4f核心水平上的拟合xPS光谱

f）具有不同浓度的Cs_xWO₃ NR @PEM水性悬浮液的吸收光谱以及相应浓度和吸光度之间的线性拟合（插图：顶部曲线表示在1064nm处的吸收强度，底部曲线表示在880nm处的吸收强度）

图2 Cs_xWO₃ NR @PEM的水性悬浮液的激光诱导热产生的评价

a，b）NIR激光诱导的Cs_xWO₃ NR @PEM水溶液的热产生（功率密度为2W cm^-2）：a）880nm和b）1064nm

c）10分钟照射时间内温度变化（ΔT）对Cs_xWO₃ NR @PEM浓度的曲线

d）不同浓度的Cs_xWO₃ NR @PEM溶液的PAT信号

e）880nm激发下Cs_xWO₃ NR @PEM的PAT信号对浓度的曲线（插图：分散在蒸馏水中具有不同浓度的Cs_xWO₃ NR @PEM的体外PAT图像）

f）Cs_xWO₃ NR @PEM和商业碘海醇的HU值对浓度的曲线（插图：分散在盐水中不同浓度的Cs_xWO₃ NR @PEM（顶线）和商业碘海醇（底线）的体外CT图像）

图3 体内CT和PAT成像

a）肿瘤内注射分散在盐水中的Cs_xWO₃ NR @PEM（4mg/mL，50µL）之前和之后的小鼠的CT图像。CT对比在小鼠肿瘤中显著增强（红色虚线圆圈）

b）肿瘤内注射50µL Cs_xWO₃ NR @PEM（2mg mL^-1）之前和之后不同时间的携带HeLa肿瘤的小鼠体内PAT图像（肿瘤部位标有红色虚线圈）

图4 Cs_xWO₃ NR @PEM对HeLa细胞的体外PT/PD治疗效果

a-f）激光照射后用Cs_xWO₃ NR @PEM（250µg/mL）培养24小时的HeLa细胞的钙黄绿素AM（活细胞，绿色荧光）和PI（死细胞，红色荧光）共染色荧光图像

图5 通过NIR光触发Cs_xWO₃ NR @PEM检测单线态氧的产生

a）不同照射时间下加入荧光探针后Cs_xWO₃ NR @PEM溶液的吸收光谱

b）具有荧光探针的Cs_xWO₃ NR @PEM在10分钟照射下的ESR光谱

c）在激光照射后用Cs_xWO₃ NR @PEM（250µg/mL）培养24小时的HeLa细胞中活性氧（ROS）产生的荧光图像（NIR激光：2W cm^-2,10分钟; 绿光发射来自ROS指示器H2DCFDA；比例尺：200µm）

d）在不同处理（仅PD组，仅PT组和PD / PT组合组）下，用Cs_xWO₃ NR @PEM（250µg/mL）培养24小时（照射时间：10分钟）后HeLa细胞的相对活性

图6 体内PT/PD治疗

a）在880或1064nm NIR激光辐射下注射Cs_xWO₃ NR @PEM后，携带HeLa肿瘤的小鼠的红外热图像；在880和1064nm处，注入的Cs_xWO₃ NR @PEM的吸光度分别为2.322和3.620

b）在激光照射期间由IR热像仪在不同组上监测的肿瘤的温度变化

c，d）各种处理后不同时间点的小鼠肿瘤体积和小鼠体重的定量测量（黑色：对照；红色：仅Cs_xWO₃ NR @PEM；绿色：NIR 880；蓝色：NIR 1064；青色：Cs_xWO₃ NR @PEM / NIR 880nm 5分钟；洋红色：Cs_xWO₃ NR @PEM / NIR 1064nm 5分钟；紫色：Cs_xWO₃ NR @PEM / NIR 880nm 10分钟；深黄色：Cs_xWO₃ NR @PEM / NIR 1064nm 10分钟）

e）14天处理后带有HeLa肿瘤的小鼠和肿瘤的具有代表性照片

f）14天处理后（红色箭头：坏死细胞增多；蓝色箭头：凋亡）从不同组的小鼠收集的肿瘤切片的组织学染色

【小结】

涂覆聚电解质多层膜的Cs_xWO₃纳米棒被开发以用于双模成像（x射线计算机断层摄影（CT）/光声成像断层摄影（PAT））引导的光热/光动力疗法治疗肿瘤，是一种具有显着潜力的“四合一”多功能纳米材料。由于CT（3D全身）和PAT（高空间分辨率）成像以及PT（肿瘤内部）和PD（肿瘤外部）治疗的互补功能，Cs_xWO₃NR@PEM系统将为未来生物成像和肿瘤治疗开创简单通用的解决方案的途径。

文献链接：Cs_xWO₃ Nanorods Coated with Polyelectrolyte Multilayers as a Multifunctional Nanomaterial for Bimodal Imaging-Guided PhotothermalPhotodynamic Cancer Treatment（Adv. Mater.,2016, DOI: 10.1002/adma.201604157）

本文由材料人编辑部生物材料小组陈鑫整理编译，点我加入材料人编辑部。

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