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小動物活體光學(xué)成像技術(shù)在納米材料研究中的應(yīng)用

2024-5-16  閱讀(80)

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Revvity小動物活體光學(xué)成像技術(shù)已在生命科學(xué)基礎(chǔ)研究、臨床前醫(yī)學(xué)研究及藥物 研發(fā)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,其中納米材料研究是該技術(shù)的重要應(yīng)用方向之一近年來, 納米材料在生物醫(yī)學(xué)研究以及藥物研發(fā)過程中表現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛能,吸引了生物學(xué) ,醫(yī)學(xué),材料學(xué)等眾多交叉領(lǐng)域研究人員的關(guān)注。在小動物活體技術(shù)主要應(yīng)用到以下領(lǐng) 域當中:1、納米探針的研發(fā);2、納米藥物載體評價;3、納米材料生物相容性和安全 性評價。下面結(jié)合一些具體的實例進行闡述:

一.納米探針的研發(fā)

納米熒光探針作為一種新型的探針,它所的量子尺寸效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)使其呈 現(xiàn)出的光學(xué)性質(zhì)。與傳統(tǒng)的有機熒光染料相比,納米熒光探針具有較好的激發(fā)及發(fā)射 特性,可通過調(diào)整探針的大小和組成來進行控制,從而調(diào)整到用于小動物活體光學(xué)成像 的光學(xué)波段;同時,熒光強度高,穩(wěn)定性強,壽命長以及生物相容性好等優(yōu)點,使得納 米熒光探針在對病灶以及靶標的標記以及生物體內(nèi)代謝分布研究中呈現(xiàn)出天然的優(yōu)勢。

目前基于小動物活體成像技術(shù)開發(fā)探針的研究中,根據(jù)熒光納米材料不同主要包括 以下幾類:量子點,金屬納米粒子,上轉(zhuǎn)化納米材料,半導(dǎo)體聚合物納米材料等。下面 以量子點,上轉(zhuǎn)化材料以及半導(dǎo)體聚合物納米材料開發(fā)的探針為例子介紹小動物活體成 像技術(shù)的應(yīng)用。

1.量子點

量子點是一種由元素周期表中Ⅱ-Ⅵ主族如CdSe,CdTe,Ⅲ-Ⅴ主族如InP,InAs等組 成的納米顆粒,直徑在1-100nm之間,能夠接受激發(fā)光產(chǎn)生熒光的半導(dǎo)體納米顆粒。量 子點的體積大小嚴格控制著它的光譜特征。量子點由于其量子尺寸效應(yīng),粒徑不同或組 成材料不同可發(fā)射不同顏色的熒光。該探針具有以下顯著特點:發(fā)射光譜窄,光譜重疊 明顯減小,該特性適合作為基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移熒光探針的供體,相比較下,有機熒 光染料寬發(fā)射光譜帶來的紅端拖尾效應(yīng)會造成供體受體發(fā)射光的重疊串擾;具有寬廣的 激發(fā)帶,而發(fā)射波長可以通過調(diào)整粒子徑的大小進行調(diào)節(jié),有利于開展生物樣品多色標 記;具有較高的量子產(chǎn)率,較大的stokes位移,優(yōu)良的穩(wěn)定性以及抗光漂白能力。

Yaping Wang 等開發(fā)了一種MMP-2敏感性的納米探針,用以檢測MMP-2過表達的 腫瘤(Theranostics. 2015)。MMP-2(基質(zhì)金屬蛋白酶-2)在大部分的實體瘤中都有檢 測到過量表達,比如乳腺癌,結(jié)腸癌,前列腺癌等。由于MMP-2在促進癌癥發(fā)展過程 中發(fā)揮重要作用,因此,它可以作為腫瘤診斷和治療的重要靶點。而該探針的原理是將 染料DSY21以及量子點通過MMP2的底物肽段(MMP2-cleavable peptide)連接,此時由于二者接近,F(xiàn)RET效應(yīng)會抑制量子點產(chǎn)生熒光信號,而當探針進入MMP高表達的 相關(guān)腫瘤位點時,MMP2就會水解熒光基團之間的肽段,就會釋放出可以激發(fā)的功能性 量子點,已達到對MMP2的檢測(圖1)。


圖1: MMP-2活性納米探針示意圖


利用小動物光學(xué)活體成像技術(shù),監(jiān)測人纖維瘤細胞HT1080皮下瘤小鼠,人乳腺癌 細胞MCF7 皮下瘤小鼠,人膠質(zhì)瘤細胞U87皮下瘤小鼠體內(nèi)該納米探針在腫瘤部位以 及各器官中的分布情況。以皮下腦膠質(zhì)瘤模型為例,U87體外培養(yǎng)細胞系的MMP-2表 達含量很低,但是在皮下瘤模型以及原位腫瘤中組織MMP-2含量卻很高(圖2E),表 明腫瘤細胞在體內(nèi)形成會收到腫瘤環(huán)境的影響。將皮下異質(zhì)瘤模型納米探針在1h后開 始聚集到腫瘤部位,并且熒光信號在隨后6h過程中逐漸升高(圖2A,2B)。24h后離 體檢測各主要器官以及U87腫瘤組織中的熒光強度(圖2C,2D)。結(jié)果顯示,在腫瘤 組織中檢測到熒光強度是最高的,表明該探針用于活體內(nèi)腫瘤的檢測。


圖2:皮下腦膠質(zhì)瘤模型活性中納米探針體內(nèi)分布以及各器官分布情況以及MMP-2在各細胞系以及組織的表達情況


然而,腦腫瘤檢測一個重要的方面是要考慮探針跨越血腦屏障的能力,因此,本工 作又構(gòu)建了原位膠質(zhì)瘤小鼠模型。為了對腫瘤形成進行檢測,通過Luc標記的U87細 胞進行模型構(gòu)建(圖3A左側(cè))。在該探針上整合T7序列(腦靶向序列),用以提高 該探針在腦腫瘤部位的積累。結(jié)果顯示T7功能納米探針在1小時后在腫瘤部位開始積 累,并且熒光強度在10小時內(nèi)逐步增強,并在22小時后逐漸消逝(圖3)。


圖3:原位腦膠質(zhì)瘤模型活性中納米探針體內(nèi)分布的表達情況


量子點包含鎘或其他重金屬,即使在很低的濃度下還是有很強的毒性。因此,在開 發(fā)用于活體成像的量子點探針時,如何降低量子點的毒性也是主要考慮的問題之一。目 前新的替代產(chǎn)物也在逐步的開發(fā)出來,其中碳納米點,石墨烯納米點等低毒性納米材料 已經(jīng)用于活體檢測當中。而且,量子點需要高能量的紫外或近紫外光激發(fā),在采集熒光 探針信號的同時,生物組織在高能量光源激發(fā)下產(chǎn)生的自身熒光也會極大干擾熒光探針 的信號,造成信噪比變差,從而不能檢測深層生物組織的信號。

2.上轉(zhuǎn)化納米材料

稀土離子上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料是一種在近紅外光激發(fā)下能發(fā)出可見光的發(fā)光材料,即可 通過多光子機制把長波輻射轉(zhuǎn)換成短波輻射,所以稱之為“上轉(zhuǎn)換"。其最大的特點是 材料所吸收的光子能量低于發(fā)射的光子能量。

熒光上轉(zhuǎn)換納米粒子吸收兩個或兩個以上的紅外光子,發(fā)射一個可見光子或近紅外 光子。通過改變摻雜離子度,可以實現(xiàn)從紫光到近紅外的發(fā)光調(diào)控。與量子點和有機熒 光染料相比,熒光上轉(zhuǎn)換納米材料具有化學(xué)穩(wěn)定性好、熒光量子產(chǎn)率高、毒性低、不會 產(chǎn)生背景熒光、信噪比好等特點。最重要的是,熒光上轉(zhuǎn)換納米粒子的激發(fā)光為紅外光 (常用808nm,980nm),這個波段的光在生物組織和血液中的吸收極低,是人體的透明窗口,因此可以用于檢測更深層的生物組織情況,且不會對生物組織產(chǎn)生光損傷。此 外,紅外激光器小巧緊湊、功率高、價格低廉,為熒光上轉(zhuǎn)換納米粒子的實際應(yīng)用提供 了良好的條件。以上這些優(yōu)點使得熒光上轉(zhuǎn)換納米粒子在生物分析,特別是在生物體內(nèi) 成像上有著廣闊的應(yīng)用前景。

Liyuan Pan 報道了小尺寸、高熒光信號強度的上轉(zhuǎn)化納米探針,用來對活體內(nèi)胃腫瘤進 行靶向標記(Theranostics.2013)。如圖 4,首先通過反應(yīng)以 SiO2 納米材料包裹上轉(zhuǎn)化材 料NaYbF4: 25%Gd, 2%Tm ,用以增加該材料的組織相容性;之后,通過氨基官能團將葉酸 FA 連接到材料上,從而合成用于特異性識別葉酸受體的納米探針。


圖4:上轉(zhuǎn)化納米探針UCNP-FA合成示意圖


葉酸受體(Folate Recetor)是一種細胞膜上的糖蛋白,在正常情況下只在胎盤組織, 腎小管等中有少量表達,但是在許多惡性腫瘤中,受體的表達數(shù)量以及活性都遠遠超過 正常水平。因此,可以將它作為腫瘤的標志物。通過小動物活體成像技術(shù)可以檢測該納 米探針對胃癌的靶向作用。首先裸鼠皮下接種胃癌細胞MGC803,待到腫瘤組織生長到 5mm 后,尾靜脈注射UCNP-FA熒光探針(圖5A),并同時注射未連接FA的材料作 為對照(圖5B)。然后,通過外接激光器進行激發(fā),并利用小動物活體設(shè)備進行檢測。 結(jié)果發(fā)現(xiàn),UCNP-FA熒光探針具有很好的生物學(xué)靶向作用。


圖5:皮下MGC803瘤小鼠熒光成像,分別通過尾靜脈注射 NaYbF4: 25%Gd, 2%Tm-FA (A) 以及 NaYbF425%Gd, 2%Tm @SiO2-NH2:


在上轉(zhuǎn)化材料用于活體成像研究中,由于涉及到外置激光器,因此,儀器整合的同 步性,安全性方面都是研究過程中需要考量的重要因素。

3.復(fù)合型納米探

有機半導(dǎo)體聚合物是一類因共軛電子而產(chǎn)生半導(dǎo)體性質(zhì)的高分子材料,在高靈敏的 化學(xué)和生物傳感器領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用 。半導(dǎo)體聚合物具有光學(xué)吸收截面大、熒光量 子效率高、輻射躍遷速率快等特性,這些優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)特別適合于開發(fā)生物應(yīng)用方面的 納米熒光探針。這些小尺寸高亮度的納米材料可以通過表面功能化與生物分子偶聯(lián),從而 在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

Shuhendler 等報道了一種納米探針,可以實時的同時監(jiān)測小鼠肝內(nèi)部的活性氧 (ROS)以及活性氮(RNS),從而對藥物的急性肝毒性進行評價(Nat Biotechnol. 2014)。 藥物毒性是現(xiàn)代藥物研發(fā)過程存在已久的問題,而其中藥物導(dǎo)致的肝毒性是影響藥物上 市的一個最重要的因素。因此,在臨床前實現(xiàn)對藥物肝毒性的監(jiān)測,能夠在藥物研發(fā)的 初期盡量降低肝毒性,大大提高藥物研發(fā)的成功性并且降低研發(fā)成本。ROS 以及 RNS 可以作為藥物安全性評價的標志物:ROS(包括 H2O2)可以通過藥物代謝過程中的 I 型氧化酶直接產(chǎn)生,或者間接通過自由基藥物代謝產(chǎn)物與氧發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生;藥物代謝過程 中,電子傳遞鏈的斷裂會造成線粒體毒性,進而導(dǎo)致RNS的產(chǎn)生。由于ROS以及RNS生 成來源不同,對它們的同時監(jiān)測能夠更加全面地反映肝毒性機制,從而可以對藥物的毒性作 出更加精確的評價。

這種探針將兩種探測元件整合到半導(dǎo)體聚合物納米熒光材料上(CPN)(圖6A): H2O2敏感的化學(xué)發(fā)光底物通過化學(xué)發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移(CRET)導(dǎo)致CPN發(fā)光,該模式 不需要外源光的激發(fā);另外,激發(fā) CPN 材料通過熒光共振能量轉(zhuǎn)移至可氧化降解的熒 光染料,并通過發(fā)生共振轉(zhuǎn)移的熒光比率來對ONOO?進行檢測,該模式需要外源光的 激發(fā)。這種將 CRET 以及 FRET 整合到 SPN 上的這種探針稱為 CRET-FRET-SPN (CF-SPN),該探針中納米材料CPN在CRET中作為光受體,而在FRET中則作為光供 體(圖6B)。另外,在 CF-SPN 上連接了乳糖殘基,會靶向性的結(jié)合到肝細胞竇狀隙 膜上表達的非唾液酸糖蛋白受體,以實現(xiàn)該探針對肝器官的定位(圖6A)。通過IVIS 的生物發(fā)光以及熒光成像功能,可以為該探針的兩種檢測模式提供完善的監(jiān)測解決方案。


圖6:ROS以及RNS檢測探針的CF-SPN的模式圖。A.CF-SPN組成的分子部件:PFODBT,近紅外熒光半導(dǎo)體聚合物;IR775S,通過ONOO?或?OCl氧化會發(fā)生降解;PS-g-PEG-Gal,通過galactose residues樹脂連接半乳糖殘基,用于定位肝組織;CPPO,H2O2特異性的化學(xué)發(fā)光底物 B. 通過熒光以及化學(xué)發(fā)光分別監(jiān)測RNS以及ROS


為了驗證 CF-SPN 的效果,我們利用退燒藥 APAP 誘導(dǎo)的肝毒性模型進行檢測。 APAP 誘導(dǎo)肝毒性的機制已經(jīng)研究的很清楚了,主要是由于I型藥物毒性代謝途徑。過 量的APAP誘導(dǎo)生成過量的ROS以及RNS,從而產(chǎn)生氧化和氮化壓力。隨后,關(guān)鍵的 細胞抗氧化劑GSH的消耗會啟動一系列的信號反應(yīng),導(dǎo)致細胞的壞死。通過尾靜脈注 射APAP,15min后注射CF-SPNs后即時進行持續(xù)的生物發(fā)光以及熒光圖像采集(圖7A)。 結(jié)果顯示,18min的化學(xué)發(fā)光圖顯示在一個APAP過量劑量(300 mg/kg)的情況下,光信 號有一個顯著的增強過程;然而在低劑量(75,150 mg/kg)情況下,光信號的強度與對照 組的強度相近(圖 7B)。這種閾值劑量型的毒性特性(比如,低于關(guān)鍵毒性劑量的劑 量非依賴性特征)與APAP誘導(dǎo)肝毒性的機理是一致的。熒光圖片結(jié)果顯示出與生物發(fā) 光類似的閾值劑量型毒性,不過這種信號在53min后才顯示出了明顯的差異性(圖7C)。 這個結(jié)果說明了APAP過量誘導(dǎo)的ONOO?生成要晚于H2O2的產(chǎn)生。


圖7:實時活體成像監(jiān)測APAP注射小鼠的肝毒性


之后,根據(jù)以上模型的結(jié)果,又利用CF-SPN檢測了另外一種廣泛使用的化療藥物 INH 誘導(dǎo)的肝氧化和氮化壓力。INH在3%-13%的病人中表現(xiàn)出了肝毒性,但是相關(guān)的 機制還不是很清楚。通過尾靜脈注射INH,15min后注射CF-SPNs后即時進行持續(xù)的生 物發(fā)光以及熒光圖像采集。結(jié)果顯示,與APAP閾值型毒性不同,INH在H2O2的產(chǎn)生 上表現(xiàn)出閾值劑量型,而在ONOO? 的產(chǎn)生中表現(xiàn)出劑量依賴型。而且,氧化壓力以及 氮化壓力的動力也顯著的不一樣。INH誘導(dǎo)了更加快速短暫的氧化激增,之后會快速的 回復(fù);而誘導(dǎo)的氮化壓力表現(xiàn)出緩慢且持續(xù)的增長(圖8)。


圖8:實時活體成像監(jiān)測APAP注射小鼠的肝毒性


因此,這種利用CF-SPN對藥物肝毒性誘導(dǎo)的氧化和氮化壓力的持續(xù)監(jiān)測,可以使 用于各種類型的藥物生物反應(yīng)機制,并且可以通過不同的動力學(xué)表現(xiàn)特征將它們區(qū)分開 來。而要實現(xiàn)這一檢測的前提,除了納米探針的巧妙設(shè)計之外,還需要小動物活體光學(xué) 成像技術(shù)的支持。不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)生物發(fā)光以及熒光的檢測,同時,可以對小動物 進行連續(xù)持續(xù)的動力學(xué)檢測。

另外,除了以上基于本身有熒光特性的納米探針之外,利用能夠裝載有機熒光染料 的納米載藥系統(tǒng)也可以作為納米探針進行使用。而這種改造大大提高了原有機熒光染料的穩(wěn)定性,持續(xù)性以及光學(xué)特性。這一部分工作在以下納米藥物載體部分進行相應(yīng)闡述。

二.納米藥物載體研究

納米藥物載體已經(jīng)成為國內(nèi)外醫(yī)藥學(xué)研究的重要領(lǐng)域。納米載藥系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)藥 物展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢:首先,納米載藥系統(tǒng)可以通過連接的特異性化合物,多肽,抗體 等基團提高藥物的靶向性;其次,納米藥物載體可以通過細胞內(nèi)吞等機制而非跨膜轉(zhuǎn)運 機制進入細胞,大大提高了藥物生物膜的透過性,從而提高細胞內(nèi)有效的藥物濃度;再 次,藥物靶向性的提高以及生物膜通透性的增強,就相對降低了非有效作用部位藥物的 濃度,藥物的毒副作用相應(yīng)會降低;另外,納米緩釋特性以及高度分散性,也提高藥物 的時效性以及利用率。

應(yīng)用小動物活體成像技術(shù)對納米藥物載體的研究,主要是對納米藥物載體在小動物 體內(nèi)分布特性以及靶向性評價,用以評價藥效的提高以及毒副作用。該技術(shù)可以通過兩 個方面來研究納米載藥系統(tǒng):通過對疾病細胞進行熒光或者生物發(fā)光標記,觀測納米藥 物載體對藥物藥效的提高;通過直接對納米載藥系統(tǒng)進行熒光標記,觀測納米藥物載體 在動物體內(nèi)分布以及定位情況。下面我們以納米藥物載體提高阿霉素Doxorubicin 對腫 瘤的藥效以及靶向性研究為例對這兩種方式進行闡述。

Rong Xu 等開發(fā)了一種可注射納米粒子發(fā)生器,能夠在小鼠的肺轉(zhuǎn)移瘤內(nèi)生成納米 粒子,從而治療肺轉(zhuǎn)移性腫瘤(Nat Biotechnol.2016)。該研究從突破體內(nèi)生物屏障角 度出發(fā),創(chuàng)新性構(gòu)建了新型納米藥物iNPG-pDox。與傳統(tǒng)化療藥物阿霉素僅能穿透細胞 膜單一生物屏障相比,設(shè)計使 iNPG-pDox 能突破體內(nèi)多種生物屏障,高效靶向 乳腺癌的肺轉(zhuǎn)移瘤。


圖9:新納米藥物 iNPG-pDox模式圖, pDox前體藥物裝配, pDox 納米材料裝配釋放


該納米藥物iNPG-pDox由裝配多鏈聚合物(pDOX)的納米多孔硅材料組成,而每 條單體鏈都含有阿霉素。一旦進入腫瘤,硅材料就會降解,釋放出單體鏈。由于自然動 力學(xué)力量,這些鏈就會形成可以被癌細胞吸收的納米粒子(pDOX NP),被內(nèi)吞進入細 胞核周酸性區(qū)域。聚合物上鏈接阿霉素的PH值敏感的連接基團斷開,釋放出阿霉素,從而大大提高藥物進入細胞的濃度(圖9)。納米藥物的每個部件在突破不同生物學(xué)屏 障過程中發(fā)揮不同的作用(圖10)。


圖10:iNPG-pDox獨立部件在突破系統(tǒng)屏障過程中發(fā)揮的作用
圖11:肺部MDA-MB-231腫瘤轉(zhuǎn)移的生物發(fā)光檢測。


為了觀察納米藥物對肺轉(zhuǎn)移腫瘤的效果,利用生物發(fā)光標記的轉(zhuǎn)移性 MDA-MB-231 細胞構(gòu)建肺轉(zhuǎn)移模型,從而比較納米藥物相對于相同量傳統(tǒng)藥物對癌細 胞肺轉(zhuǎn)移的抑制情況。結(jié)果顯示,納米藥物iNPG-pDoX相對于傳統(tǒng)的DOX來說展現(xiàn)出 更好的治療效果(圖11)。


圖12:不同給藥組小動物生存曲線及相應(yīng)數(shù)據(jù)


之后的生存數(shù)據(jù)進一步驗證了這一結(jié)果,在接受該藥物治療的小鼠當中,有50%的 小鼠在八個月后沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)移性疾病的跡象(圖12)。這相當于人類轉(zhuǎn)移性疾病約24 年的遠期生存。這種新的藥物可以幫助醫(yī)生治療其他來源的肺轉(zhuǎn)移癌,以及原發(fā)性肺癌。

小動物活體成像技術(shù)保證了對疾病模型小鼠長達8個多月的持續(xù)性檢測,極大的降低了實驗成本,提高了實驗的準確性。反映了納米藥物載體相對于傳統(tǒng)藥物在靶向作用 以及療效上展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢。除此之外,利用熒光標記藥物則可以對納米藥物載體 進行示蹤,從而更加直觀的觀測靶向作用以及生物體內(nèi)分布情況。

Hai Wang 等則在納米藥物載體上連接了熒光染料,從而可以對這一治療性納米藥 物進行監(jiān)測(Nat Commun. 2015)。他們開發(fā)了一種強大的仿真核細胞納米載藥系統(tǒng)用 以裝配治療和診斷試劑,從而精確的控制藥物的運輸。


圖13:LC60S 納米載藥系統(tǒng)合成示意圖


該仿真核細胞載藥系統(tǒng)LC60S 由富勒烯(C60),介孔氧化硅以及磷脂(DPPC) 組成,具有很好的真核細胞結(jié)構(gòu),包括磷脂膜(DPPC),細胞骨架(介孔氧化硅)和 細胞核(C60)(圖13)。


圖14:a,活體內(nèi) ICG 標記藥物載體體內(nèi)分布;b,藥物在離體器官以及腫瘤中的分布;c,d,藥物在血液中含量


利用該載藥系統(tǒng)可以同時裝載ICG以及DOX,從而實現(xiàn)對腫瘤的靶向治療以及對 該納米材料實時監(jiān)測的雙重功能。結(jié)果顯示,在注射后2h,三種含有ICG成分藥物注 射的小鼠全身都可以檢測到ICG熒光。然而,重要的是在只有LC60S-DI組小鼠的腫瘤 區(qū)域觀測到較強的熒光,而且該熒光強度在4-6小時后逐漸增強;而與之相反,DOX&ICG 或 C60S-DI 組小鼠的腫瘤區(qū)域則沒有 ICG 熒光信號。并且,28 小時后仍然可以在 LC60S-DI 組小鼠中監(jiān)測到ICG熒光(圖14a)。為了進一步驗證,28小時后將各個器官以及腫瘤進行離體熒光檢測,同樣顯示只有LC60S-DI的腫瘤中檢測到熒光(圖 14b)。通過對血液中ICG熒光進行檢測發(fā)現(xiàn):游離ICG快速從血液循環(huán)中消逝,2小 時以后熒光強度下降70%;血液中C60S-DI的代謝速度也是一樣。而與之相反,LC60S-DI 納米材料血液中仍然可以檢測到很強的熒光強度,而且在8小時以后的熒光強度也在初 始的一半以上(圖 14c,d)。這些結(jié)果表面, LC60S-DI 納米材料在體內(nèi)有更長的半 衰期,并具有更加符合藥物傳輸?shù)募{米材料特性。

該工作充分體現(xiàn)了小動物活體成像技術(shù)的優(yōu)勢,不僅可以對活體進行實時觀測,還 可以對離體器官以及血液體液中藥物濃度進行檢測。從而,實現(xiàn)對納米藥物的多方面研 究需求。而該技術(shù)在對納米藥物載體示蹤研究中已經(jīng)極為成熟。

Changying Shi 等也做了類似的工作(Nat Commun. 2016),利用線性分枝狀聚合 物構(gòu)建納米藥物載體,并利用該載體裝載的 DOX-2nd GNP 相對于 Dox 以及 Doxil® (DOX脂質(zhì)體)對淋巴瘤具有更好的治療效果(圖15)。


圖15:游離DiD遠紅外熒光染料以及DiD-DOX-2nd GNP在Raji淋巴瘤小鼠活體和離體器官的熒光強度


三.納米材料生物相容性和安全性評價

與其他應(yīng)用于生物學(xué)活體研究一樣,納米材料進入機體,穿過生理性屏障以及靶向 特定部位的這些過程都與材料的生物相容性密切相關(guān)。不管是在納米探針開發(fā)還是在納 米藥物載體的構(gòu)建過程中,組織相容性都是需要考慮的重要方面。以前文為例,量子點 探針中的LMWP,上轉(zhuǎn)化探針中SiO2納米材料,納米藥物iNPG-pDox中的聚合物以及 LC60S 納米載藥系統(tǒng)的類真核細胞設(shè)計都是納米材料生物相容性考慮的直接體現(xiàn)。因 此,這里就不再進行贅述.

而所有納米材料作為活體研究工具,都需要進行安全性評價,其中肝毒性評價實驗 通常被用來進行材料以及藥物毒性評價。下面以軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院的研究為例,Zhang Y 等構(gòu)建了肝臟急性炎癥反應(yīng)模型,可以用來評價納米材料的肝毒性(Small.2016)。


圖16:肝臟SAA長期穩(wěn)定表達模型示意圖以及活體檢測結(jié)果


納米金作為一種常見的高組織相容性納米材料,廣泛應(yīng)用于疾病的診斷和治療當 中。最近越來越多的研究表明,納米金注射到動物體內(nèi)以后,會在肝臟和脾臟中積累。 而在這些免疫細胞富集的區(qū)域,這種積累會造成一系列的局部或者全身炎癥反應(yīng)。急性 期蛋白SAA主要分布于肝細胞中,在急性炎癥反應(yīng)中表達量水平上升了1000倍,因此 可以作為急性炎癥反應(yīng)模型。通過水動力高壓轉(zhuǎn)染并且結(jié)合噬菌體整合技術(shù)建立肝臟 SAA長期穩(wěn)定表達模型,可以對肝臟SAA進行連續(xù)、動態(tài)、實時監(jiān)測,并用LPS進行 驗證(圖16)。


圖17:不同尺寸形狀的納米金激活肝臟SAA的情況


應(yīng)用該模型發(fā)現(xiàn)納米金因形貌和粒徑的不同激活SAA表達程度的差異。以4~6周 齡雄性Balb/c 小鼠為模型,尾靜脈注射 GNP10,GNP30,GNP50,GNP80(不同納米 尺寸),GNRs,GNCs等6種納米金材料,分別在注射材料前,注射后4h/8h/12h/24h/48h 進行活體生物發(fā)光檢測成像監(jiān)測。結(jié)果發(fā)現(xiàn),GNP50球形金顆粒會激起機體急性 炎癥反應(yīng)(圖17)。


圖18:納米金激活肝臟SAA的過程依賴于NF-κB通路


為了研究該激活途徑的具體機制,用類似的NF-κB模型小鼠進行研究。結(jié)果表明 GNP50 能夠激活NF-κB通路,這種激活過程可以被NF-κB抑制劑PDTC所阻斷。進 一步發(fā)現(xiàn)GNP50 誘導(dǎo)SAA激活的過程可以被PDTC所抑制,證明該效應(yīng)是通過NF κB通路激活的(圖18)。

四.總結(jié)

納米材料的研究已經(jīng)越來越頻繁的使用小動物活體成像技術(shù)。它在各種類型的熒 光,化學(xué)發(fā)光探針的檢測方面展現(xiàn)出了極大的兼容性;同時,對于納米藥物載體的評價 以及毒性的評價方面也表現(xiàn)出極大優(yōu)勢。今后,隨著納米技術(shù)與生物醫(yī)學(xué)研究的進一步 融合,小動物活體成像必將在這一領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。


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