Nat. Commun.：低毒纳米液态金属材料用于集药物控释、光热治疗、光动治疗、抑制钙通量和光声成像

【引言】

室温液态金属(LMs)是低熔点的一类金属的简称，例如水银。由于具有独特的物理化学性质，如高导电率和良好的灵活性，最近在微流体、生物材料等领域具有较广泛的应用，但是几乎所有的液态金属在生物体内都具有较大的毒性，因此急需开发新型的纳米载体可以在继承其优良性质的同时也能克服毒性较大等缺点。

【成果简介】

近日，日本国家先进工业科学技术研究所Eijiro Miyako教授（通讯作者）设计制备了一种新型的光聚合的液态金属纳米囊，该材料具有较好的水分散性和无毒等性质，并以题为“Light-driven liquid metal nanotransformers for biomedical theranostics”于期刊Nature communications发表研究论文。在生理条件下近红外光（NIR）照射时，液态金属纳米囊能产生热量（转换效率高达52%）和活性氧物质，同时还观察到纳米囊发生变形直至破裂，为药物非接触可控释放提供了新的方法，微流体血管模型和时空靶向的光学操作有助于生物器官和活体小鼠的X射线增强成像。通过利用LMs的物理化学性质，可以有效地消除癌症细胞和控制细胞间钙离子通量。此外，在近红外激光治疗的同时，LMs纳米囊显示出活体动物光声效应，使该系统成为生物成像的有力工具。

【图文导读】

图一：构成LM纳米囊的材料及其聚合示意图

(a) LM纳米囊的交联示意图

(b) 负载LM纳米粒子的两亲性分子结构式及示意图

图二：LM纳米囊的表征

(a) LM纳米囊的悬浮液（LM浓度：115 μg ml^-1）

(b) LM纳米囊的TEM图像，标尺：200 nm

(c) LM纳米囊的紫外-可见-近红外吸收光谱（LM浓度：500 μg ml^-1）

(d) 不同材料不同浓度处理的细胞存活率

(e) 老鼠的存活率变化

(f) 老鼠的体重变化

图三：激光诱导LM纳米囊的形态变化

(a) 785 nm近红外激光照射5 min前后的LM液滴明场和温度变化图

(b) DSPE-PEG₂₀₀₀-Amine-DC和PC-LM溶液在785 nm激光照射下的温度响应

(c) DSPE-PEG₂₀₀₀-Amine-DC和PC-LM在808 nm激光照射前后光促降解（红圈表示激光照射的位置）

(d) LM纳米囊的TEM图像

(e) 785 nm激光照射1 min后的LM纳米囊的TEM图像

(f) 785 nm激光照射3 min后的LM纳米囊的TEM图像

图四：激光诱导LM纳米囊的光学变化和药物控制释放

(a) 空气中激光诱导的LM液滴热膨胀

(b) 1M NaOH中激光诱导的LM液滴热膨胀

(c) 激光照射前后LM悬浮液的形态学变化

(d) DSPE-PEG₂₀₀₀-Amine-DC和PC-LM溶液在785 nm激光照射30 min前后的ROS产量

(e) 激光诱导包载卡莫夫的LM纳米囊的控制释放

图五：微流体装置中LM纳米囊的光控转化

(a) 基于直线微通道的微型设备的实验系统和设计图的示意图

(b) LM纳米胶囊在微型设备中的激光诱导转化的控制力学

(c) 微通道中快速温度变化

(d) 不同功率激光照射下LM纳米囊的温度变化曲线

(e) 激光持续开-关切换下高精度的温度循环

(f) 可视化的超快低温控制

图六：激光诱导的LM纳米囊转化导致X射线增强成像

(a) 含有不同浓度LM纳米囊小瓶的X射线成像

(b) 注射LM纳米囊后不同器官的图像

(c) 注射LM纳米囊后不同器官的3D-X射线图和剖视图

(d) 注射LM纳米囊后的小鼠图像

(e) 注射LM纳米囊后小鼠的3D-X射线图

图七：LM纳米囊激光照射引起的肿瘤消除

(a) LM纳米囊在808激光照射前后的Hela细胞消除实时成像

(b) 不同处理方法下的细胞存活实验

图八：肿瘤处的光动治疗和光热治疗

(a) 用于靶向肿瘤消除的抗体功能化LM纳米胶囊的示意图

(b) 在肿瘤细胞移植后7天，其左侧和右侧具有较大肿瘤的小鼠

(c) 用抗EGFR-生物素-抗生物素蛋白-DSEE-PEG₂₀₀₀-Amine-DC (8,9)PC-LM处理3天后（第10天）的小鼠，其左侧背部的肿瘤激光照射

(d) 激光照射下相对肿瘤体积大小

(e) 无激光照射下相对肿瘤体积大小

图九：LM纳米囊在激光照射下对细胞的刺激作用

(a) 当暴露于激光源（808nm，133mW，~86μWμm^-2）时，钙流入ND7/23和HeLa细胞变化

(b) 荧光强度随时间的变化

(c) 对多个激光照射的响应

图十：LM纳米囊的活体PA成像

(a) 不同波长下LM纳米囊的PA信号强度

(b) 激光照射前后活体PA成像的设备图

(c) LM纳米囊在小鼠皮下的PA成像信号图

(d) 较宽波长范围内通过抗体表面修饰增强的PA成像信号

(e) 抗体功能化的LM纳米囊靶向活体小鼠的肿瘤成像图

(f) 抗体功能化的LM纳米囊在小鼠的肿瘤3D成像图

【小结】

本文作者设计合成了一种可近红外刺激响应的LM纳米囊，通过引入修饰的脂质体单体，可以将LM纳米囊交联使之稳定。包封的LM纳米囊具有较好的水溶性和生物相容性，在近红外干激光照射下可以发生形态变化，达到药物控释的目的，产生热量和ROS可以杀死肿瘤细胞，还有X射线增强的器官成像作用和PA成像的作用。研究还发现，LM纳米囊可以控制细胞间的钙离子通量。

文献链接：Light-driven liquid metal nanotransformers for biomedical theranostics (Nat. Comm., 2017, DOI: 10.1038/ncomms15432)

本文由材料人编辑部李兵编译，刘宇龙审核，点我加入材料人编辑部。

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