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通過(guò)二維硅納米平臺(tái)進(jìn)行活體全過(guò)程監(jiān)測(cè)熱化療
Adv. Sci.：通過(guò)二維硅納米平臺(tái)進(jìn)行活體全過(guò)程監(jiān)測(cè)熱化療：宏觀指導(dǎo)和長(zhǎng)期微觀精確成像策略
背景
納米診斷醫(yī)學(xué)已廣泛應(yīng)用于大量疾病的診斷和治療。其中zuiremen的研究點(diǎn)之一是腫瘤的診斷和治療。近年來(lái)，為了延長(zhǎng)納米診療制劑的在循環(huán)系統(tǒng)中存留的時(shí)間，增強(qiáng)其腫瘤富集度，提高癌癥的治療效果，表面活性劑和穩(wěn)定劑表面功能化的納米診療制劑得到了廣泛的發(fā)展。選擇具有親水部分和疏水部分的類表面活性劑化療藥物 5-氟尿嘧啶(5-Fu)通過(guò)靜電相互作用引入初始二維硅納米片（Si NSs）。該策略不僅可以提高Si NSs的生物穩(wěn)定性和理化穩(wěn)定性，還可以延長(zhǎng)循環(huán)壽命5-Fu是一種很有前景的嘧啶類似物，也是一種低毒的胸苷酸合成酶抑制劑。通過(guò)抑制癌細(xì)胞中DNA和RNA的合成來(lái)治療許多實(shí)體腫瘤。因此，5-Fu可發(fā)揮雙藥協(xié)同抑制DNA和RNA合成的作用，提高化療效果。在本篇文章中，廈門(mén)大學(xué)的趙慶亮團(tuán)隊(duì)及第四軍醫(yī)大學(xué)的馬恒團(tuán)隊(duì)合作，利用一種簡(jiǎn)便快速的化學(xué)脫鋰和低溫剝落的方法制備得到二維納米硅片，通過(guò)結(jié)合抗癌藥物5-Fu，實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性多功能二維納米診療制劑的構(gòu)建。在該工作中，由北京心聯(lián)光電科技有限公司提供OCTA成像與數(shù)據(jù)分析技術(shù)支持，成果以“Intravital Whole-Process Monitoring Thermo-ChemotherapyVia 2DSilicon Nanoplatform: A Macro Guidance andLong-Term Microscopic Precise ImagingStrategy"為題發(fā)表在《ADVANCED SCIENCE》上。
結(jié)果與討論
01-5-氟尿嘧啶硅納米片（5-Fu-Si NSs）的合成與表征
首先，通過(guò)一種簡(jiǎn)單的方法耦合化學(xué)脫鋰合成2D Si NSs。然后，層狀Si NSs被PVP封端液體剝離。隨后，根據(jù)先前的研究，通過(guò)經(jīng)典的物理靜電力吸附機(jī)制合成了二維5-Fu-Si NSs。簡(jiǎn)而言之，5-Fu 的化療藥物可以吸附在二維Si NSs的表面。以增加其生物相容性、穩(wěn)定性，并延長(zhǎng)在體內(nèi)的循環(huán)時(shí)間。從而提高了聯(lián)合治療的效率。為了進(jìn)一步確認(rèn)5-Fu-Si NSs 的形成，使用透射電子顯微鏡(TEM)和動(dòng)態(tài)光散射(DLS)來(lái)測(cè)量和觀察5-Fu-Si NSs 的形態(tài)和直徑，如圖1a、c所示 .
如圖 1c 所示，去離子水中單分散2D 形狀 Si NSs 的平均直徑約為120 nm。此外，通過(guò)高分辨率 TEM（FEI，Talos 200s）在圖 1b 中觀察到 Si NSs 的清晰晶格。代表性 TEM 圖像顯示 5-FuSi NSs 是單分散的，均勻尺寸為 128.9 ± 3.5 nm（圖 1a），分布相對(duì)較窄（圖 1c）。受益于 5-Fu 修飾，Si NSs 分布更均勻，DLS 尺寸更適合生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。 5-Fu-Si NSs 的元素映射表明 C、N、O、Si 和 F 元素成功地封閉在5-Fu-Si NSs 內(nèi)（圖 1e）。此外，F(xiàn)T-IR 光譜證實(shí)了配位鍵的形成（圖 1k）。如圖 1k 所示，5-Fu-Si NSs 在 3121.30 cm-1 處表現(xiàn)出 N─H 特征峰，在 1719 cm-1 處表現(xiàn)出 C=O（羰基）峰，表明 5- Fu分子和Si NSs。 Si NSs 的表面電荷為負(fù)。并且5-Fu 的表面電荷為正。這進(jìn)一步證明了 5-Fu 分子和 Si NSs 之間存在靜電相互作用。同時(shí)，DLS證實(shí)的5-Fu-Si NSs的Zeta電位集中在-18.60 Mv（圖1d），這使得整個(gè)系統(tǒng)成為一個(gè)相對(duì)納米的系統(tǒng)，可以避免RES的吸附和吞噬作用。此外，高分辨率 TEM 能量色散光譜 (TEM-EDS) 映射顯示 Si NSs 中 Si 元素的均勻分布（圖 1j）。 Fu元素在5-Fu-Si NSs中的含量為2.90%。（圖 S3a，支持信息）?；谏鲜鼋Y(jié)果，我們成功合成了片狀結(jié)構(gòu)的 5-Fu-Si NSs。
圖1. a) 5-Fu-Si NSs的TEM圖像。b) Si NSs晶格的TEM圖像。c)直徑分布和5-Fu-Si NSs。d) 5-Fu-Si NSs的Zeta勢(shì)。e)分散在水中的5-Fu-Si NSs TEM-EDS成像。f)直徑分布5-Fu-Si NPs分散在含有10% FBS和RPMI的PBS DMEM培養(yǎng)基中24 h. g10%胎牛血清和RPMI培養(yǎng)基培養(yǎng)7天。h)分散于水和PBS中的5-Fu-Si NSs的直徑分布。i)直徑分布Si和5-Fu-Si NSs在PBS中分散7天。j)分散在水中的Si NSs TEM-EDS成像。k) 5-Fu-Si nsss的FT-IR光譜。l)累積5-Fu和5-Fu- si nsss在pH 7.4、6.5和5.0下在37°C下的釋放。
02-體外藥物裝載和釋放行為
此外，Si NSs 具有高比表面積的二維片狀結(jié)構(gòu)。 Si NSs 的物理特性使其具有很強(qiáng)的負(fù)載能力。這對(duì)藥品的包裝和運(yùn)輸非常有幫助。因此，選擇 Fu 作為藥物模型來(lái)評(píng)估 Si NSs 的負(fù)載能力。通過(guò)將 Fu 與 Si NSs 混合，F(xiàn)u 通過(guò)弱相互作用力吸附到 Si 表面，根據(jù)公式（1）計(jì)算出的負(fù)載容量（LC）為 30.03%。優(yōu)異的給藥能力將有利于腫瘤區(qū)域釋放更多的藥物，對(duì)進(jìn)一步的化療起到至關(guān)重要的作用?？紤]到腫瘤組織的特性具有低酸度和較高的氧化還原電位，藥物遞送系統(tǒng)必須在腫瘤環(huán)境中保持有效。
為了驗(yàn)證 5-Fu-Si NSs 的 pH 響應(yīng)行為，利用 PBS 介質(zhì)的不同 pH 值來(lái)模擬健康的人體生理?xiàng)l件和腫瘤細(xì)胞環(huán)境情況。接下來(lái)，計(jì)算了在不同 pH 條件下從 5-Fu-Si NSs 釋放的 Fu 量。如圖 1l 所示，5-Fu-Si NSs 顯示出顯著的 pH 依賴性釋放行為。 Fu的釋放量隨著pH值的降低而逐漸增加。有趣的是，在 12 小時(shí)時(shí)，5-Fu-Si NSs 顯示出顯著的 pH 依賴性釋放行為。當(dāng)pH值接近腫瘤微環(huán)境（酸性pH 6.5和5.0）時(shí)，F(xiàn)u的累積釋放分別為≈47.33%和≈71.43%。與中性pH（pH 7.4）條件（模擬正常生理環(huán)境）相比，其累積釋放量?jī)H為≈25.32%（圖1l）。這種現(xiàn)象可歸因于 Si NSs 和 5-Fu 分子之間的靜電相互作用消失，pH 值從 7.4 降低到 5.4。因此，我們的策略可以預(yù)期延遲藥物在健康生理?xiàng)l件下釋放并在被腫瘤細(xì)胞攝取之前保持完整的分層納米結(jié)構(gòu)。
03-5-Fu-Si NSs 的細(xì)胞毒性和熱化療分析
接下來(lái)，在進(jìn)一步研究生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用之前，納米材料的低毒性是其臨床轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素。首先通過(guò) MTT 測(cè)定評(píng)估 Si NSs 的細(xì)胞毒性。 U87-MG 細(xì)胞的活力保持在 94.27 ± 6.1% 以上，顯示出良好的生物相容性，即使 Si NSs 的濃度達(dá)到 200 µg mL-1（圖 2a）。 然而，在與相同濃度的 5-Fu-Si NSs 孵育 24 小時(shí)后，細(xì)胞活力下降到 67.45 ± 3.3%。 這些結(jié)果顯示了化療中有效的腫瘤細(xì)胞殺傷能力，接下來(lái)，在進(jìn)一步研究生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用之前，納米材料的低毒性是其臨床轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素。首先通過(guò) MTT 測(cè)定評(píng)估 Si NSs 的細(xì)胞毒性。 U87-MG 細(xì)胞的活力保持在 94.27 ± 6.1% 以上，顯示出良好的生物相容性，即使 Si NSs 的濃度達(dá)到 200 µg mL-1（圖 2a）。 然而，在與相同濃度的 5-Fu-Si NSs 孵育 24 小時(shí)后，細(xì)胞活力下降到 67.45 ± 3.3%。 這些結(jié)果顯示了化療中有效的腫瘤細(xì)胞殺傷能力，這是濃度依賴性的（圖2a）。 5-Fu是一種臨床抗癌藥物，對(duì)癌細(xì)胞有很好的殺傷作用。
有趣的是，在相應(yīng)濃度下，聯(lián)合激光組（Si NSs 加激光和 5-Fu-Si NSs 加激光組）的細(xì)胞活力與未使用激光的組相比急劇下降，表明熱化學(xué)療法的協(xié)同作用更多的是細(xì)胞-殺死比單一化療有效（圖2b）。 808 nm激光（1.0 W cm?2）照射5分鐘后，Si NSs加激光和5-Fu-Si NSs加激光組的殺傷效率分別急劇下降至60.86 ± 6.20%和31.48 ± 4.8%（圖） 2b)。為了進(jìn)一步研究，分別使用 Calcein-AM（綠色熒光）和 PI（紅色熒光）對(duì)活細(xì)胞和死細(xì)胞進(jìn)行染色。在與 5-Fu-Si NSs 孵育 24 小時(shí)和激光照射（808 nm，10 分鐘）后，如圖 2c 所示，對(duì)照組（Si NSs）顯示出明顯的綠色熒光，表明 Si NSs 的毒性較低。相比之下，聯(lián)合PTT組（Si NSs加激光和5-Fu-Si NSs加激光）中的細(xì)胞顯示出明顯的紅色熒光，表明熱化療聯(lián)合治療引起廣泛的癌細(xì)胞死亡并具有*的細(xì)胞殺傷效果。
圖2. a) Si NSs和5-Fu-Si NSs作用于U87-MG細(xì)胞12 h后的細(xì)胞活力呈濃度依賴性。b) Si NSs +激光和5-Fu-Si NSs +激光處理U87-MG細(xì)胞12 h后，濃度為依賴的細(xì)胞活力。c) Calcein-AM(綠色，活細(xì)胞)和PI(紅色，死細(xì)胞)染色U87-MG細(xì)胞的熒光圖像，評(píng)價(jià)5-Fu-Si nsss不同處理的熱化療效果。
04-光聲和光熱效應(yīng)的體外評(píng)價(jià)
基于上面顯示的 5-Fu-Si NSs 的光吸收和低毒性，我們進(jìn)一步評(píng)估了 5-Fu-Si NSs 作為造影劑增強(qiáng) PA 成像和同時(shí)作為光敏PTT劑殺死腫瘤。如圖 3a、b 所示，PA 信號(hào)強(qiáng)度與 5-Fu-Si NSs 濃度呈正相關(guān)，顯示出強(qiáng)烈的濃度依賴性。為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)5-Fu-Si NSs在體內(nèi)的腫瘤光熱效應(yīng)，與去離子水（對(duì)照組）相比，5-Fu-Si NSs組250 µg mL-1的溫度從28.01迅速升高到5 分鐘內(nèi)達(dá)到 46.56 °C，照射 10 分鐘后達(dá)到最高溫度 50.10 °C（圖 3c）。分別研究了不同濃度 5-Fu-Si NSs（25、50、100、250 和 500 µg mL-1）在 808 nm 激光照射（1.0 W cm-2）下的光熱圖像（圖3d)。此外，我們還研究了在 808 nm 波長(zhǎng)下激光照射 (1.0 W cm-2) 后 5-FuSi NSs (18.75 µg mL-1) 中 5-Fu 的釋放。隨著激光照射時(shí)間的增加，一些 5-Fu 從 5-Fu-Si NSs 中釋放出來(lái)。接下來(lái)，還研究了在不同激光功率照射下 5-Fu-Si NSs 的溫升效應(yīng)濃度為 250 µg mL-1（圖 3e）。這些發(fā)現(xiàn)表明 5-Fu-Si NSs 具有出色的 PTT 能力。其溫升效應(yīng)與激光功率呈正相關(guān)。隨后，還研究了 5-FuSi NSs 的光熱穩(wěn)定性。如圖 3f 所示，經(jīng)過(guò) 5 次加熱/冷卻循環(huán)后，光熱轉(zhuǎn)換行為甚至沒(méi)有變化。這些結(jié)果表明，5-Fu-Si NSs 在激光照射前后具有出色的光熱穩(wěn)定性。此外，計(jì)算出的光熱轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到45.8%，遠(yuǎn)高于先前報(bào)道的結(jié)果。[40,41] 這些結(jié)果表明 5-Fu-Si NSs 可以用作潛在的 PTT 劑。
圖3. a)不同濃度的5-Fu-Si NSs在808 nm處的體外PA信號(hào)。c)不同濃度(25、50、100、250、500µg/mL)的5-Fu-Si納米ss在808 nm激光照射(1.0 W cm?2,10 min)下的光熱效應(yīng)。d)不同濃度(25、50、100、250、500µg mL?1)的5-Fu-Si納米ss在808 nm激光(1.0 W cm?2,10 min)照射下的熱像。e) 250µg mL?1的5-Fu-Si在不同激光能量下的光熱效應(yīng)。f) 5-Fu-Si NSs的循環(huán)光穩(wěn)定性。
05-PA成像和光熱效應(yīng)的體內(nèi)評(píng)估
在體外PA造影劑和PTT劑驗(yàn)證提示下，我們繼續(xù)開(kāi)展體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。如圖 4a（頂行）和圖 4b 所示，PA 信號(hào)是在給藥前 0 小時(shí)獲得的。 然后，靜脈注射后腫瘤區(qū)域的PA信號(hào)顯著逐漸增加。 分別在 2、5、8、12 和 24 小時(shí)將 Si NSs（50 mg kg-1）注射到 U87-MG 腫瘤模型中。 從圖 4a 中三排的 5-Fu-Si NSs (50 mg kg-1) 也觀察到相同的現(xiàn)象。如圖 4b 所示，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，腫瘤區(qū)域的 PA 信號(hào)強(qiáng)度逐漸增加。5-Fu-Si NSs 和 Si NSs 的 PA 信號(hào)分別在注射 5 小時(shí)和 8 小時(shí)后達(dá)到峰值。值得注意的是，如圖 4b 所示，注射 5 小時(shí)后，5-Fu-Si NSs 的 PA 信號(hào)強(qiáng)度高于 Si NSs。 并且，5-Fu-Si NSs 的峰值 PA 信號(hào)比將 5-Fu-Si NSs 注入相應(yīng)腫瘤區(qū)域之前的初始 PA 信號(hào)大 3.6 倍（圖 4b）。 此外，5 小時(shí)的 SaO2 峰值濃度比注入 5-Fu-Si NSs 前 SaO2 的初始濃度高 3.76 倍（圖 4c）。 還評(píng)估了不同時(shí)間點(diǎn)的 HbT，表明它具有改善脫氧環(huán)境的能力（圖 4d）這些結(jié)果充分證明了 Fu 修飾的 Si NSs 由于均勻分散和穩(wěn)定性而更快地到達(dá)腫瘤部位，并且還表明 EPR 效應(yīng)增強(qiáng)了滲透性和保留。 5-Fu-Si NSs 可以顯著增強(qiáng)腫瘤切片中的 PA 信號(hào)強(qiáng)度，這是由于血管豐富，血管壁空間寬，結(jié)構(gòu)完整性差，無(wú)淋巴回流。注射24小時(shí)后仍觀察到腫瘤區(qū)域PA信號(hào)的增強(qiáng)，表明5-Fu-Si NSs在體內(nèi)相對(duì)較長(zhǎng)的循環(huán)時(shí)間可能與Fu分子的表面修飾有關(guān)。注射Si NSs和5-Fu-Si NSs后，還提供了不同時(shí)間點(diǎn)（0、5和24小時(shí)）腫瘤區(qū)域PA信號(hào)強(qiáng)度和SaO2的3D分布（圖4e）。體外生物學(xué)分布表明，5-Fu-Si NSs 可以在 24 小時(shí)后在大多數(shù)組織中減少和清除（圖 S5，支持信息）。在確認(rèn)了 5-Fu-Si NSs 在體內(nèi)腫瘤中的蓄積作用后，我們隨后評(píng)估了 5-Fu-Si NSs 在體內(nèi)的熱化學(xué)治療效果。帶有 U87-MG 腫瘤的小鼠在靜脈注射后暴露于 808 nm 激光（1.5 W cm-2）5 小時(shí)。通過(guò)紅外熱成像監(jiān)測(cè)腫瘤區(qū)域的溫度變化。 5-Fu-SiNSs組腫瘤區(qū)溫度在5分鐘內(nèi)迅速升高12℃，顯示出良好的PTT效果，而PBS對(duì)照組幾乎沒(méi)有升溫效應(yīng)。相反，由于麻醉下的生理原因，溫度略有下降（圖 4f，g）?？傮w而言，這些結(jié)果表明 5-Fu-Si NSs 是一種用于腫瘤診斷和治療的有前途的生物相容性熱化學(xué)治療試劑。
圖4. a)靜脈注射Si NSs和5-Fu-Si NSs后不同時(shí)間點(diǎn)腫瘤體內(nèi)PA顯像。b)腫瘤不同時(shí)間點(diǎn)PA強(qiáng)度。c)不同時(shí)間點(diǎn)腫瘤SaO2強(qiáng)度。d)不同時(shí)間點(diǎn)腫瘤HbT信號(hào)強(qiáng)度。e) Si NSs和5-Fu-Si NSs不同時(shí)間點(diǎn)的腫瘤體內(nèi)3D重建PA成像。f) 808 nm激光照射(1.5 W cm2)下不同組U87-MG荷瘤小鼠熱像圖。g)不同時(shí)間點(diǎn)腫瘤區(qū)域溫度變化的定量分析。
06-OCTA/LS 成像對(duì)微血管變化的體內(nèi)跟蹤和評(píng)估
微血管是輸送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和清除組織中廢物的Unique通道。特別是，它在腫瘤生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移中起著重要作用。 鑒于此，為了研究腫瘤早期生長(zhǎng)和熱化療過(guò)程中的腫瘤血管生成和微血管形態(tài)學(xué)變化，我們對(duì)帶有 U87-MG 神經(jīng)膠質(zhì)瘤的 BALB/c 裸鼠進(jìn)行了背部皮膚窗口，用于長(zhǎng)期 OCTA 和 LS 成像（圖 5a)。 圖 5b 顯示了代表性的白光、OCTA 和 LS 圖像（從左到右列），它們是從一個(gè)對(duì)照組 (PBS) 和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組（5-Fu-Si NSs 和 5-Fu-Si NSs plus）收集的 激光）共 13 天。隨著腫瘤的生長(zhǎng)，在用PBS處理之前，對(duì)照組中腫瘤區(qū)域的微血管（用白色虛線標(biāo)記）從中心到邊緣逐漸縮?。▓D5c）。 并且，基于這種現(xiàn)象，腫瘤中心區(qū)域的 RBF 也降低了（圖 5f）。腫瘤內(nèi)血管塌陷可能是由于癌細(xì)胞在相對(duì)狹窄的空間內(nèi)快速增殖所致。在第七天，PBS 溶液是 i.v.注射到荷瘤裸鼠體內(nèi)作為對(duì)照組。之后，腫瘤ROI內(nèi)的血管保持了較低的MVD和RBF的特征。另一方面，隨著腫瘤組織的快速生長(zhǎng)，腫瘤細(xì)胞會(huì)分泌大量的血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子，促使新生血管形成，為腫瘤細(xì)胞提供足夠的氧氣和營(yíng)養(yǎng)，以供腫瘤細(xì)胞繁殖。]如 LS 圖像所示。圖 5b 中的對(duì)照組，隨著腫瘤的生長(zhǎng)，腫瘤周圍的供血網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，原有血管的新生血管形成，其中 LS 圖像中的血管被顏色編碼以表示來(lái)自紅色的 RBF（較高) 到藍(lán)色（下）。此外，與腫瘤生長(zhǎng)早期（0-3天）相比，生長(zhǎng)后期（9-13天）腫瘤區(qū)域周圍的RBF相對(duì)增加，以維持腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)。對(duì)于用 5-Fu-Si NSs 治療的實(shí)驗(yàn)組，在實(shí)體瘤中心，我們還觀察到與對(duì)照組相似的微血管變化，包括較低的 MVD 和 RBF（圖 5d，g），在靜脈注射之前。注入 5-Fu-Si NSs。 隨后，靜脈注射后注射 5-Fu-Si NSs（7-13 天），在腫瘤的 ROI 中，我們觀察到幾個(gè)新血管，MVD 和 RBF 略有增加（圖 5d，g）。 這些結(jié)果表明，作為單一化療方法，5-Fu-Si NSs在一定程度上抑制了腫瘤細(xì)胞的快速生長(zhǎng)，相對(duì)減輕了實(shí)體瘤內(nèi)的組織壓力，使腫瘤內(nèi)的血管得以恢復(fù)。 . 此外，被腫瘤破壞的微血管網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有*恢復(fù)，腫瘤周圍的RBF相對(duì)高于腫瘤早期，這意味著我們實(shí)驗(yàn)過(guò)程中5-Fu-Si NSs并未*清除腫瘤細(xì)胞。此外，我們監(jiān)測(cè)和評(píng)估了在熱化療策略（靜脈注射 5-Fu-Si NSs 加激光照射）下動(dòng)物腫瘤模型的微血管變化。從圖5b中可以看出，在熱化療治療之前，實(shí)體瘤中心的原始血管結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致ROI的RBF明顯下降（圖5h）。 此外，腫瘤區(qū)域內(nèi)的外圍含有致密的新血管（圖 5b），這導(dǎo)致 MVD 略有增加（圖 5e）。 熱化療后，腫瘤組織和受累血管均被清除。 更重要的是，腫瘤區(qū)域周圍的血管逐漸恢復(fù)，為修復(fù)受損組織提供氧氣和營(yíng)養(yǎng)（9-13天）。
由此可知，OCTA/LS 成像技術(shù)能夠精確跟蹤和評(píng)估腫瘤生長(zhǎng)過(guò)程中和治療后的體內(nèi)微血管變化，可以成為為醫(yī)生提供有價(jià)值的腫瘤診斷和治療效果信息的有力工具。
圖5. a) 5-Fu-Si NSs小鼠模型、治療及監(jiān)測(cè)方案示意圖。b)各組不同時(shí)間點(diǎn)有代表性的白光、OCTA、LS圖像。白色虛線代表腫瘤區(qū)域和ROI區(qū)域。c) PBS處理定量血管總密度。d) Si NSs處理量化總血管密度。e) 5-Fu-Si NSs加激光照射定量血管總密度。f) PBS治療RBF定量。g)用Si NSs處理定量RBF。h) 5-Fu-Si NSs加激光照射定量RBF。標(biāo)尺:2毫米。
07-體內(nèi)藥代動(dòng)力學(xué)
由于表面氟尿嘧啶修飾提高了生物相容性，5-Fu-Si NSs 可能比 Si NSs 具有更長(zhǎng)的循環(huán)壽命。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一點(diǎn)，通過(guò)靜脈注射探索了體內(nèi)藥代動(dòng)力學(xué)。 向 SD 大鼠注射 Si NSs 和 5-Fu-Si NSs。如圖 6g 所示，在 SD 大鼠中，5-Fu-Si NSs 的血漿濃度隨時(shí)間衰減比 Si NSs 慢得多。這些結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了5-Fu-Si NSs在血液中的循環(huán)壽命更長(zhǎng)，并且比Si NSs具有更好的藥物特性，這將有利于增強(qiáng)5-Fu-Si NSs在腫瘤部位的富集和滲透性。
08-熱化學(xué)療法的體內(nèi)抗腫瘤活性
上述研究證實(shí)了 5-Fu-Si NSs 的體外治療效果，進(jìn)一步證明 5-Fu-Si NSs *的蓄積性和滲透性可以實(shí)現(xiàn)體內(nèi)增強(qiáng)的抗腫瘤活性和協(xié)同熱化療，U87-MG 腫瘤將荷瘤裸鼠隨機(jī)分為以下六組：1) PBS, 2) PBS 加激光, 3) Si NSs, 4) Si NSs 加激光, 5) 5-Fu-Si NSs, 6) 5-Fu -Si NSs 加激光。如圖6a-d所示，5-Fu-Si NSs對(duì)腫瘤生長(zhǎng)有抑制作用，但作用不顯著。與此形成鮮明對(duì)比的是，5-Fu-Si NSs加激光對(duì)腫瘤生長(zhǎng)具有更高的抑制作用。 Si NSs加激光組雖然有抑制作用，但由于缺乏化療藥物清除殘留腫瘤組織，消融一段時(shí)間后出現(xiàn)二次生長(zhǎng)。值得注意的是，在治療期間，5-Fu-Si NSs荷瘤裸鼠的體重沒(méi)有顯著變化（圖6e），并且在連續(xù)隨訪期間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)荷瘤裸鼠死亡在該組中（圖 6f）。
接下來(lái)，為了驗(yàn)證這些 NTAs 的體內(nèi)生物安全性，還通過(guò)蘇木精和伊紅 (H&E) 染色評(píng)估了上述涉及心臟、肝臟、脾臟、肺和腎臟的主要器官的病理生物學(xué)。如圖S6，支持信息所示，用5-Fu-Si NSs處理的荷瘤裸鼠的主要器官未顯示明顯異常，這清楚地表明5-Fu-Si NSs在體內(nèi)是安全的。此外，腫瘤切片的H&E染色顯示腫瘤結(jié)構(gòu)受損，治療組癌細(xì)胞密度顯著降低。細(xì)胞核縮小，腫瘤細(xì)胞被破壞（圖 6h）。所有這些結(jié)果表明，5- Fu-Si NSs 可以作為潛在的 PA 顯像劑，通過(guò)結(jié)合化療和 PTT 的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)有效的 PA 引導(dǎo)的癌癥治療，以及實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期高分辨率的腫瘤監(jiān)測(cè)在顯微 OCTA 和 LS 成像策略下。因此，具有生物相容性的5-Fu-Si NSs有望作為光子誘導(dǎo)治療藥物用于腫瘤的診斷和治療。
圖6. a)各種治療U87-MG荷瘤小鼠的代表性照片。b)各組相對(duì)腫瘤體積(*P < 0.05， **P < 0.01)。c)結(jié)束時(shí)不同組小鼠腫瘤的代表性照片。d)切除腫瘤重量。e)各組荷瘤小鼠體重。f)不同配方處理的成活率。g) Si和5-Fu-Si NSs在SD大鼠體內(nèi)的藥代動(dòng)力學(xué)譜。h)終點(diǎn)小鼠腫瘤組織的H&E染色。標(biāo)尺:100µm。
小結(jié)
通過(guò)弱相互作用力開(kāi)發(fā)的新型多模態(tài)光學(xué)對(duì)比納米平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)按需藥物釋放和體內(nèi)協(xié)同熱化學(xué)療法。受益于材料的二維物理特性，釋放的藥物表現(xiàn)出優(yōu)異的體外抗腫瘤活性。 更有趣的是，系統(tǒng)和體內(nèi)研究表明，由于增強(qiáng)的腫瘤富集和有效的藥物遞送，5-Fu-SiNSs不僅具有光聲成像的效果，而且可以在引導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的長(zhǎng)期顯微監(jiān)測(cè)。 光聲，在光誘導(dǎo)下也能實(shí)現(xiàn)良好的腫瘤消融。 因此，5-Fu-Si NSs 是一種很有前途的近紅外光子試劑，具有出色的治療效果和生物安全性，可用于臨床轉(zhuǎn)化。
參考文獻(xiàn)：Doudou Huang, et al. "Intravital Whole-Process Monitoring Thermo-ChemotherapyVia 2DSilicon Nanoplatform: A Macro Guidance andLong-Term Microscopic Precise ImagingStrategy." ADVANCED SICENCE, ,2101242(2021).