复旦大学张凡教授Adv. Mater.：超分子工程实现NIR-II区纳米探针与上转换纳米颗粒体内组装和解组装提高生物成像效果

【引言】

纳米材料具有增强渗透和滞留的效应，已被用于肿瘤成像和癌症治疗。如何增加纳米探针在肿瘤部位的富集量和延长纳米探针在肿瘤部位的滞留时间是提高治疗效率的关键挑战。而对于基于光致发光的生物医学成像应用，高信噪比和长肿瘤滞留时间则是实时观测和区分肿瘤病灶与正常组织的两个重要先决条件。但是，目前报道的体内组装方法大多是不可逆的，这会导致纳米颗粒在肝脏和脾脏等网状内皮系统中的非特异性组装，造成生物成像的高背景信号以及对生物体的不可逆损伤。因此，在体内组装的同时实现时空可控的纳米材料解组装以增强活体生物成像信噪比和降低长期生物毒性仍然是一个挑战。

【成果简介】

近日，复旦大学张凡教授课题组报道了一种纳米材料在体内组装和通过近红外光介导的解组装成像策略，该体系基于偶氮苯修饰的稀土上转换纳米颗粒（UCNP @ Azo）和β-环糊精修饰的近红外二区（NIR-II）稀土下转换纳米探针（DCNP @β-CD）之间的主客体相互作用。研究表明，通过这一新颖策略，使得造影剂在肿瘤中富集量增加了约4倍，滞留时间延长至5小时，而且与单次注射策略相比，信噪比提高了1.5倍。此外，980 nm红外光介导的活体解组装会降低成像背景并加速造影剂的清除速率以降低潜在的长期生物毒性。该成果以题为"Supramolecularly Engineered NIR-II and Upconversion Nanoparticles In Vivo Assembly and Disassembly to Improve Bioimaging"发表在国际著名期刊Advanced Materials上。

【图文导读】

图1 纳米探针组装和近红外激光介导的解组装用于NIR-II生物成像的示意图

(a) UCNP@Azo上转换纳米颗粒和近红外二区DCNP@β-CD下转换纳米探针的结构；

(b) 纳米颗粒之间超分子识别诱导的组装和980 nm激光介导的解组装；

(c) 先后两针注射策略以提高纳米探针在肿瘤部位的富集量并且加快探针在肝脏部位的清除速率示意图。

图2 纳米颗粒体外组装和解组装的TEM图像、动态光散射结果和发光光谱

(a) 疏水NaGdF₄:10%Y,25%Yb, 0.5% Tm@NaGdF₄UCNPs的TEM图像和尺寸分布结果；

(b) 亲水UCNP@Azo的TEM图像和DLS尺寸分布结果；

(c) UCNP@lipid和UCNP@Azo的发光光谱；

(d) 疏水NaGdF₄:5%Nd @NaGdF₄DCNPs的TEM图像和尺寸分布结果；

(e) 亲水DCNP@β-CD的TEM图像和DLS尺寸分布结果；

(f) DCNP和DCNP@β-CD的发光光谱；

(g) 体外组装纳米团簇的TEM图像和尺寸分布结果；

(h) 体外解组装纳米颗粒的TEM图像和尺寸分布结果；

(i) DLS监测组装和解组装过程中体系平均粒径随时间的变化。

图3 组装和单次注射策略在肿瘤部位成像的比较

(a) 对带有表皮肿瘤的裸鼠进行单次尾静脉注射策略（DCNP @β-CD）和组装策略（UCNP @ Azo + DCNP @β-CD）的实验时间线示意图和808 nm激发条件下肿瘤NIR-II生物成像结果；

(b) 单次注射策略与组装策略中肿瘤近红外二区（NIR-II）成像信噪比的比较；

(c) 单次注射以及组装策略中第二针注射后2到36小时 DCNP @β-CD在肿瘤内的富集量；

(d) 组装策略和单次注射策略的肿瘤/肝脏比。

图4 980 nm介导的肝脏部位解组装的策略优化

(a) 体内组装与980 nm激光触发的体内解组装的实验时间线示意图和808 nm激发下带有表皮肿瘤的裸鼠腹部在不同时间点的近红外二区（NIR-II）生物荧光成像结果；

(b) (a)图中描述的不同980nm照射策略下肝脏部位近红外二区（NIR-II）成像强度随时间的变化曲线；

(c) (a)图中描述的不同980nm照射策略下DCNP@β-CD纳米探针在肝脏部位的沉积量随时间的变化曲线；

(d) 组装（黑线）和980 nm照射介导的解组装（红线）的肿瘤/肝脏比随时间的变化曲线 。

图5 实时观察活体肿瘤和肝脏中纳米颗粒的组装和解组装以及近红外二区（NIR-II）成像下引导的手术

(a) UCNP@Azo-Cy3在肿瘤中的富集；

(b) DCNP@β-CD-Cy5在肿瘤中的富集；

(c) UCNP@Azo-Cy3和DCNP@β-CD-Cy5在肿瘤中的共定位；

(d) 肿瘤中Cy3和Cy5之间的FRET荧光信号；

(e) 用于活体共聚焦生物成像的实验装置；

(f) UCNP@Azo-Cy3在肝脏中的沉积；

(g) DCNP@β-CD-Cy5在肝脏中的沉积；

(h) UCNP@Azo-Cy3和DCNP@β-CD-Cy5在肝脏中的共定位；

(i) 肝脏中Cy3和Cy5之间的FRET荧光信号；

(j) 在980nm照射后，肝脏中Cy3和Cy5之间的FRET荧光信号；

(k) 近红外二区（NIR-II）成像引导手术的实验装置示意图；

(l) 在808 nm激发下，人卵巢癌腹膜转移小鼠模型在稳定时间窗中的近红外二区（NIR-II）生物成像和光学照片；

(m) 腹膜转移肿瘤在不同时间点的T/NT比率，红色虚线代表Rose判据；

(n) 可疑肿瘤组织的光学照片和H&E染色；

(o) 体内解组装18至22小时内卵巢癌腹膜转移瘤的肿瘤/肝脏比。

【小结】

在本文中，利用Azo/β-CD之间的主客体超分子工程方法实现了纳米颗粒的体内组装和近红外光介导的解组装。该体系不仅能增强近红外二区（NIR-II）纳米探针在肿瘤区域的滞留，近红外激光介导的纳米探针解组装还可以降低生物成像背景信号。此外，该策略还可以用于其他纳米至微米级造影剂，以改善生物成像信噪比并降低长期细胞毒性。

文献链接：Supramolecularly Engineered NIR-II and Upconversion Nanoparticles in Vivo Assembly and Disassembly to Improve Bioimaging(Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201804982)

【个人简介】张凡，男，1977年12月生。复旦大学化学系教授，博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者、教育部青年长江学者。张凡教授于2008年获复旦大学化学系理学博士学位。2008-2010年美国加州大学圣塔芭芭拉分校化学与生物化学系博士后。2010年8月通过复旦大学人才引进计划任化学系副研究员、博士生导师，2012年协调成立复旦-陶氏化学联合研究中心，任研究中心副主任，2013年底开始任化学系教授。主要从事稀土近红外荧光纳米探针用于生物医学分析的研究工作。绕生物医学分析发表SCI论文101篇，多篇发表于Nat. Nanotech.，Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.等权威期刊。近五年总他引6500余次，19篇论文入选ESI“Highly Cited Papaers”。撰写出版英文专著2部。

【相关文献推荐】

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