2023/9/7 17:35:06 阅读：80 发布者：
▲第一作者：Jingsheng Huang
通讯作者：Ruiping Zhang，Jibin Song，Kanyi Pu
通讯单位： 山西省人民医院，福州大学，北京化工大学，新加坡南洋理工大学
DOI：
10.1038/s41563-023-01659-1
01
研究背景
光学成像剂已广泛应用于生物学和医学领域，为诊断和光疗提供分子特异性。然而，光与组织之间的相互作用限制了光学成像剂在表层或内窥镜可触及组织中的成像和治疗能力。因此，能在光照射停止后储存光能并释放光子的余辉剂应运而生。由于消除了组织的自发荧光，这种光余辉剂可以高灵敏度地检测深层组织中的生物标记物。然而，由于光的穿透深度有限，光预照射的前提条件导致光余辉制剂难以在深部组织中重复诱导信号和发挥光治疗作用，限制了其转化潜力。X 射线诱导的余辉和放射动力疗法解决了光学成像和光疗的组织穿透问题。然而，用于这种疗法的无机纳米磷光体的放射余辉动态功能始终处于开启状态，从而限制了检测的特异性和治疗效果。
02
研究问题
本研究报告了有机发光体（IDPAs）在 X 射线照射后产生近红外余辉和 1O2 的情况，该技术可用于癌症治疗。与已报道的无机纳米磷相比，IDPA 的体内放射余辉亮度>25.0 倍，而 1O2 的放射动力学产生量>5.7 倍。IDPAs 的模块化结构允许人们开发一种智能分子探针，只有在癌症生物标记物存在的情况下才能触发其无线电余辉动态功能。因此，该探针能以极高的对比度（肿瘤与背景的比值为 234）对微小肿瘤（0.64 毫米）进行超灵敏检测，并能以低剂量的分子精度对脑肿瘤进行肿瘤特异性放疗。本研究揭示了有机放射余辉制剂的分子指南，并凸显了癌症放射治疗学的新机遇。
图1|无线电余辉动态发光体的合成与表征
要点：
1.基于受体-苯氧基-金刚烷亚基支架，本研究通过聚合方法合成了射电余辉动态发光体。首先，合成了包括二氰亚甲基-4H-喹啉（DBQ）、二氰亚甲基-4H-苯并吡喃（DBP）、二氰亚甲基-4H-苯并噻喃（DBTP）和二氰亚甲基-4H-苯并硒并吡喃（DBSeP）在内的受体。然后，将这些受体分别与带有或不带有重原子（碘）的苯氧基-金刚烷连接，得到 DBQ-苯氧基-金刚烷（DPAN）、DBP-苯氧基-金刚烷（DPAO）、 DBTP-苯氧基-金刚烷亚基（DPAsu）、DBSeP-苯氧基-金刚烷亚基（DPASe）以及相应的含碘对应物，即 IDPAX（X = N、O、Su 和 Se）（图 1a）。所有化合物均已通过核磁共振和液相色谱-质谱法证实。
2.本研究关注了 DPAs 和 IDPAs 在水溶液中的光学特性。在 X 射线照射（250 μGy s-1）20 秒后，DPAs 和 IDPAs 显示出无线电余辉，发射最大值在 624 至 792 nm 之间（图 1c），光谱曲线与其荧光接近。碘的存在并没有改变发射最大值，但却增加了无线电余辉的强度（IDPAO 与 DPAO 相比增加了约 1.62 倍，IDPAsu 与 DPAsu 相比增加了 6.46 倍，IDPASe 与 DPASe 相比增加了 6.65 倍）（图 1d）。它们的半衰期从 9.2 分钟到 196.8 分钟不等（图 1e）。其中，IDPAsu 的亮度最高，在 ~773 nm 处的发射最大值相对较长，射电余辉持续时间长达 ~25 h。同时，IDPAsu 的射电余辉可以重复诱导，十个周期后强度下降极小（图 1f），因为一个周期的辐照只消耗约 3% 的 IDPAsu，这显示了其纵向成像的能力。
图2|深层组织无线电余晖动态过程
要点：
1.本研究将 IDPAsu 射线余辉的组织穿透性与光余辉进行了比较。为了诱导余辉，在信号检测之前，用 X 射线或光照射 IDPAsu，使其穿透鸡胸组织（图 2a,b）。为消除强度差异对组织穿透性的影响，对 X 射线和光照射进行了优化，以确保在不覆盖组织的情况下强度相似。在组织深度为 1 cm 时，由于光散射和反射，光余辉很难诱发，其强度（7.20 × 104 光子 s-1 cm-2 sr-1）略高于背景强度（约 6.10 × 103 光子 s-1 cm-2 sr-1）；相比之下，无线电余辉达到约 1.79 × 106 光子 s-1 cm-2 sr-1（图 2e）。IDPAsu 的射电余辉是可诱导的，即使穿过 ~15 厘米的组织也能探测到，其信号比没有 X 射线照射和组织的 IDPAsu 高 ~4.2 倍（图 2d）。
图3|射线余辉动态癌症治疗体外研究
要点：
1.为了实现癌症的精准诊断和治疗，IDPAsu 被改装成了分子放射余辉动态探针 (MRAP)，只有在肿瘤生物标记物（即 cathepsin B (CatB)）存在的情况下才能激活其放射余辉和放射动力学功能（图 3a）。之所以选择 CatB，是因为它在多种癌细胞中上调，在肿瘤生长和进展过程中发挥作用。MRAP 由三个关键单元组成：肿瘤靶向分子（环精氨酸-甘氨酸-天门冬氨酸（cRGD））、放射余辉动态治疗分子和 CatB 可裂解肽分子（Cit-Val）。
2.在没有 CatB 的情况下，MRAP 产生的放射余辉和放射动力 1O2 微乎其微（图 3b,d），这是因为苯氧基-金刚烷亚基单元中苯酚单元氧原子的电子负载能力减弱，抑制了分子内电荷转移。经 HPLC 证实，在 CatB 存在的情况下，肽分子被裂解，释放出非笼型 MRAP，从而在 ~770 纳米波长处产生活化的放射余辉，信号增强了 312 倍（图 3b）。与碱性磷酸酶（ALP）、氨基肽酶 N（APN）、呋喃、γ-谷氨酰转移酶（GGT）、硝基还原酶（NTR）、β-半乳糖苷酶（β-gal）和尿激酶纤溶酶原激活剂（uPA）等其他酶相比，MRAP 对 CatB 具有更高的选择性（图 3c）。
3.此外，MRAP 的放射余辉强度与 CatB 的浓度呈良好的线性关系，LOD 较低，约为 1.22 ng ml-1。ESR 验证了 MRAP 的生物标志物可激活辐射动力学效应，结果表明 MRAP 与 CatB 共孵育后再进行 X 射线照射，1O2 的 ESR 信号增加了 7.8 倍（图 3d）。
图4|由 MRAP 介导的 RAI 和 RDT
要点：
1.本研究利用荧光素酶表达的 U87 癌细胞系（U87-Luc）在颅内胶质母细胞瘤小鼠模型中验证了 MRAP 的癌症放射余辉动态治疗能力。在 U87-Luc 肿瘤植入 14 天后，向 U87 肿瘤小鼠静脉注射 MRAP 或不含 cRGD 的 MRAP，进行纵向 RAI（图 4a）。
2. MRAP 和不含 cRGD 的 MRAP 的放射余辉信号逐渐增加，并在注射后 24 小时达到最大值（图 4b、c），肿瘤与背景的比率（TBR）分别为约-173 和 38。相比之下，无肿瘤健康小鼠的信号仍与背景一样低。与不含 cRGD 的 MRAP 相比，MRAP 的 TBR 更高，这是因为 cRGD 对肿瘤中过度表达的 αvβ3 整合素具有靶向能力，这也从注射后 24 小时 MRAP 的注射剂量百分比（ID%）（10.4%）高于不含 cRGD 的 MRAP（3.1%）得到了验证。然后，本研究关注了探针和片段的药代动力学。MRAP的血浆消除半衰期（t1/2）约为4.2小时，略长于不含cRGD的MRAP（t1/2 = ~3.1小时）。
图5| MRAP 介导的超小肿瘤检测和精准肿瘤消融
要点：
1.本研究在皮下 U87-Luc 肿瘤小鼠模型中测试了 MRAP 检测癌症的灵敏度。向携带不同大小 U87-Luc 肿瘤的小鼠静脉注射 MRAP，同时腹腔注射生物发光底物（D-荧光素）进行比较（图 5a、b）。与生物发光成像一样，RAI 与肿瘤大小呈线性相关，但其强度略高于生物发光（图 5c）。肿瘤检测的 LOD 值为 1.08 mm3（直径为 0.64 mm），在微转移肿瘤（<2.00 mm）的检测范围内。
2.本研究对 MRAP 介导的 RDT 精确度进行了评估，并与 “始终开启”的对照探针（图 5e，未笼罩的 MRAP）进行了比较。通过常规血液分析确认 MRAP 和不含 cRGD 的 MRAP 在高总剂量（100 μmol kg-1）下具有理想的血液相容性后，将探针颅内注射到患有或不患有颅内胶质母细胞瘤的小鼠体内。由于 CatB 的选择性，MRAP 只在肿瘤中被激活并发出强信号，而对于无肿瘤的健康小鼠，其信号仍然很低（图 5d）；相比之下，对照探针在健康小鼠中的信号始终保持开启。这与体外脑成像结果一致（图 5d,f）
03
结语
总之，本研究开发了一种有机射电发光体，其性能优于无机纳米磷酸盐，能发出更亮的近红外射电余辉，并能在不使用添加剂的情况下自主产生放射性动力 1O2。这些无线电发光体的模块化结构有助于精确控制其生理特性，并构建出具有前所未有的生物标记激活无线电余辉动态功能的智能分子探针（MRAP）。MRAP 的这种生物标志物特异性使其能够以极好的对比度检测微小肿瘤，并以低剂量对深部肿瘤进行分子精确放疗。此外，放射性有机发光体的改性也有可能实现图像引导手术和细胞治疗监测。因此，本工作不仅揭示了填补有机放射余辉剂空白的分子指南，而且还指明了精确治疗学的新转化方向。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-023-01659-1
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