Nature 子刊：近红外二区荧光成像实现口服给药微载体在活体胃肠道内药物释放的监控

【引言】

口服药物由于其非侵入性的性质，能避免注射带来的疼痛、不适且能减少污染等优势使它成为目前药物输送中最方便的途径。但是，多肽和蛋白等大部分生物活性药物容易在胃肠道降解或失活。因此，口服制剂在进行临床转化前，其活体药物释放动力学及药物载体本身的代谢情况评估极其重要。目前X射线辐射成像和核磁共振成像等这些检测技术受限于其较低的时间和空间分辨率，无法对药物载体和药物释放情况进行实时监测。因此，亟需一种非侵入性技术监测活体内药物释放。

【成果简介】

最近，复旦大学张凡教授（通讯作者）课题组报道了一个新颖的基于镧系下转换近红外二区的介孔微载体，能够承受胃肠道苛刻的条件用于运载口服蛋白类药物。重要的是，通过镧系下转换纳米颗粒（DCNP），基于吸收竞争原理（ACIE）的新型近红外成像检测信号，实现了动物活体内微载体的追踪和药物释放的实时半定量监测。微载体在胃肠道可以保留长达72小时，释放量高达62%，且释放的酶保持了大部分的生物活性。此外，微载体只有极小量（<0.1%）沉积在肝脏、脾脏和肾脏等非目标器官。该成果以“In vivo gastrointestinal drug-release monitoring through second near-infrared window fluorescent bioimaging with orally delivered microcarriers”于3月10日发表在期刊Nature Communications上。

【图文解读】

图1 ACIE生物成像系统和颗粒制备流程的示意图

(a) 利用InGaAs CCD相机通过ACIE生物成像系统跟踪微载体运动轨迹和实时监测药物释放。口服后，负载BSA-NPTAT的微载体在消化道（pH=1）中几乎无蛋白药物的泄漏，在肠道（pH=8）中缓慢释放，这是由于微载体外壳SSPI的去质子化。

(b) 近红外二区介孔微载体的制备、蛋白药物的负载和SSPI移植的流程图。

图2 合成微载体的结构表征

(a) SiO₂的透射电镜图。                                               (b,c) SiO2-Nd的透射电镜图。

(d) SiO2-Nd@SiO2的透射电镜图。                            (e,f) SiO2-Nd@SiO2@mSiO2的透射电镜图。

(g) SiO2-Nd@SiO2@mSiO2-NH2的透射电镜图。 

(h,i) SiO2-Nd@SiO2@mSiO2-NH2@SSPI的透射电镜图。

(j) SiO2-Nd@SiO2@mSiO2-NH2@SSPI微载体的STEM成像图和微载体中的Si, Gd ,C元素的EDXS元素映射图。

图3 ACIE方法在体外药物释放监测的可行性研究

(a) 分散在己烷中的10 μM DCNPs和分散在水中的 50nM NPTAT的吸收光谱图。

(b) 730 nm激发下，微载体负载不同量的NPTAT的近红外荧光信号图。

(c) 730 nm和808 nm激发下，微载体负载不同量的NPTAT的近红外荧光强度图。

(d) 胃肠道的模拟溶液中，负载BSA-NPTAT微载体的不同时间点的药物释放图。

(e,f) 不同药物释放时间点的微载体近红外荧光成像图和光学成像图。

图4 灌胃不同大小药物载体的活体近红外生物成像

(a) 口服灌胃不同大小（25, 80, 300 , 1000 nm）的颗粒后，在不同时间点的老鼠活体近红外生物成像图。盐水作为阴性对照。

(b-g) 口服灌胃后，颗粒在不同器官（胃，肠，肝，脾，肾）和粪便中不同时间点的生物分布图。

图5 BSA的药代动力学和微载体的毒性评估

(a) ICP和近红外成像检测BSA在（胃，小肠）中药代动力学的评估结果图。

(b) 老鼠¹²⁵I-BSA的时间与血浆浓度关系图。

(c) 老鼠¹²⁵I-BSA的组织分布图。

(d) 老鼠¹²⁵I-BSA的累积排泄量图。

(e) 灌胃微载体（50mg/kg）7天后，苏木精伊红染色的老鼠肠道区域图。

(f) 灌胃盐水7天后，苏木精伊红染色的老鼠肠道区域图。

图6 活体内蛋白的释放和活性评估

(a) 口服灌胃负载BSA–NPTAT的微载体后，在730 nm和808 nm激发下，不同时间点的活体近红外成像图。

(b) a图中相应的信号曲线图。             (c) 微载体中BSA–NPTAT在活体内的不同时间释放量图。

(d) 口服灌胃负载PEP–NPTAT的微载体后，在730 nm和808 nm激发下，不同时间点的活体近红外成像图。

(e) d图中相应的信号曲线图。             (f) 微载体中PEP–NPTAT在活体内的不同时间释放量图。

(g) 灌胃负载PEP–NPTAT的微载体和多肽探针后的活体生物成像图。

(h) 灌胃负载PEP分子和多肽探针后的活体生物成像图。

(i ) g图中相应的信号曲线图。

【展望】

利用近红外二区荧光成像技术实现了口服给药微载体在动物活体内胃肠道药物释放的实时监测，这种新的分析技术有望应用于口服药物开发过程中药代动力学的精准检测，为药物从实验室走向临床提供了更好地的分析检测手段。

文献链接：In vivo gastrointestinal drug-release monitoring through second near-infrared window fluorescent bioimaging with orally delivered microcarriers (Nat. Commun. 2017, DOI: 10.1038/ncomms14702)

本文由材料人生物材料组邓宏华供稿，材料牛编辑整理。

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