乳腺癌(Breast cancer, BC)是一种具有遗传和临床异质性的疾病，有多个亚型。它是最常见的癌症类型，占全世界确诊病例的八分之一。2020年，该病出现了230多万例病例，约有68.5万人死亡1尽管早期检测、手术、化疗和放疗取得了进展，但许多患者仍因肿瘤复发、转移和耐药而预后不良。因此，有必要为BC的治疗建立替代的、有效的策略。
基于此，香港科技大学唐本忠院士和香港大学陈建萍教授创建了由ISL和近红外(NIR)光敏剂TBPI组成的诊疗纳米颗粒，该纳米颗粒显示聚集诱导发射(AIE)，旨在为BC提供联合化学和光动力疗法(PDT)。首先，我们设计了一种不对称的有机分子TBPI，它以一种类似转子的三苯胺作为供体，1-甲基吡啶碘化铵作为受体，从而在线粒体中产生活性氧。然后，我们将TBPI与ISL结合，并将其包裹在DSPE-PEGRGD纳米粒子中，制备出IT-PEG-RGD纳米粒子，该纳米粒子对BC具有较高的亲和力，更好的系统间交叉(ISC)效率，以及TBPI与ISL之间Förster共振能量转移(FRET)（示意图1）。在4T1乳腺癌细胞系和4T1荷瘤小鼠模型中，IT-PEG-RGD纳米粒表现出良好的药物递送，协同抗肿瘤作用，增强肿瘤杀伤效果，减少药物用量和副作用。此外，我们利用TBPI与ISL的光学特性揭示了纳米颗粒在细胞中的释放过程和分布。本研究为进一步探索IT-PEG-RGD纳米粒子及其抗癌机制提供了有价值的基础，凸显了诊疗用纳米粒子在乳腺癌治疗中的潜力。相关工作以“Powerful Synergy of Traditional Chinese Medicine and Aggregation-Induced EmissionActive Photosensitizer in Photodynamic Therapy”发表在《ACS NANO》。
示意图1. 由TBPI和ISL组成的共振能量传递(FRET)纳米系统示意图
分子设计和光物理性质
鉴于FRET是一种被激发的供体分子通过非辐射过程将能量转移到受体分子的现象，因此我们测量了ISL的吸收和发射光谱，作为构建具有FRET效应的诊疗纳米粒子的第一步。在DMSO中，ISL的最大吸收波段为325 ~ 430 nm，摩尔消光系数(ε)为1 × 104 M−1 cm−1，最大发射范围为400 ~ 600 nm(图1a,b)，这是我们设计PS吸收波长范围的基础。
图1. ISL和TBPI的化学结构和光物理性质
IT-PEG-RGD纳米颗粒中的FRET效应
为了证实TBPI和ISL之间存在FRET效应，我们首先检测了TBPI和ISL的吸收和发射波长范围。如图2a所示，ISL的发射带与TBPI的吸收带重叠，而ISL的吸收与TBPI的发射分离得很好，表明ISL与TBPI之间可能存在一个FRET过程。由于FRET效应的距离依赖性质，我们使用DSPEPEG-RGD和DSPE-PEG将TBPI和ISL包裹在一起，以制备IT-PEG-RGD纳米粒子，确保荧光团之间的距离适合FRET发生。
图2. TBPI与ISL之间的共振能量传递(FRET)效应
IT-PEG-RGD体外PDT性能及细胞成像
为了进一步研究纳米粒子在生理条件下的分解速率，我们评估了IT-PEG-RGD在水溶液中的释放速率。结果表明，在37℃6小时后，50%的分解挥发。这一速率比ISL NPs的分解速率慢，表明IT-PEG-RGD中的ISL和TBPI可以在生理环境中缓慢释放(图3a)。
图3. 不同NPs的ROS生成与肿瘤细胞毒性
为了进一步研究TBPI和ISL在细胞内的分布以及IT-PEG-RGD的FRET效应，我们首先使用共聚焦显微镜捕捉了ISL和TBPI纳米颗粒在细胞中的荧光分布。结果显示，ISL主要分布在细胞核中，部分分布在细胞质中，而TBPI主要定位在线粒体上，与商业染料Mitotracker green的共定位系数为0.99(图4)。
图4. ISL和TBPI NPs培养4T1细胞的共聚焦图像
这表明，TBPI可以准确地靶向线粒体，并最大限度地发挥PDT在该细胞器中的作用。通过检测405 nm激发下TBPI的发射，在IT-PEG-RGD组中也观察到FRET现象，而在TBPI NPs组中未检测到明显的TBPI发射。接下来，我们使用FRET效应实时监测4T1细胞中IT-PEG-RGD的释放过程(图5)。
图5. IT-PEG-RGD孵育4T1细胞90 min不同时间点的共聚焦图像
IT-PEG-RGD在体内的肿瘤成像和PDT性能
考虑到近红外发光在活体成像中具有独特的组织透明优势38,39,TBPI荧光属于近红外- I区域，因此我们选择IT-PEG-RGD进行后续的活体肿瘤成像和治疗。我们首先通过皮下注射4T1细胞建立小鼠BC模型(图6a)。瘤内注射IT-PEG-RGD (0.1 mg mL−1)后，荧光信号清晰可见肿瘤部位，24 h内可与周围组织区分，表明IT-PEG-RGD在肿瘤内有效滞留。IT-PEG-RGD在肿瘤部位的荧光强度逐渐衰减，提示这种荧光纳米材料可以被代谢。接下来，我们在肿瘤内注射IT-PEG-RGD (0.1 mg mL−1)或ISL NPs (0.1 mg mL−1)后进行了体内PDT治疗。
图6. 肿瘤模型中IT-PEG-RGD的体内成像和PDT评价
【小结】
在本研究中，我们合成了一种D−A不对称有机小分子TBPI，它具有很强的ICT和AIE特性，并将其作为一种线粒体靶向光敏剂用于肿瘤的光动力治疗。我们还将TBPI与具有抗肿瘤活性的天然黄酮类化合物ISL结合，利用DSPE-PEG-RGD纳米粒构建了IT-PEG-RGD纳米粒。这种联合产生协同作用，既增强了TBPI的ISC效率，提高了PDT效果，又放大了ISL的肿瘤杀伤作用，从而加速了肿瘤的死亡。ISL和TBPI之间的FRET效应能够实时、无创地监测这些化合物在细胞和肿瘤中的释放动力学和分布。此外，ITPEG-RGD纳米粒在体外诱导了显著的细胞毒性，在体内显示了优异的抗肿瘤疗效和安全性，并促进了靶向药物递送到癌细胞，最大限度地减少了对健康细胞的损伤。双作用方法通过靶向多个细胞通路和机制来帮助克服耐药，从而降低发生耐药的可能性。综上所述，我们的工作为乳腺癌的治疗提供了一种有前景的策略，即将天然生物活性化合物与多功能光敏剂相结合。这种创新的方法有可能在未来显著提高癌症治疗的有效性和安全性。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c04342
来源：BioMed科技
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