Adv. Mater. 核壳结构Au@MOF纳米探针用于神经胶质瘤的多模态诊断

【引言】

神经胶质瘤简称胶质瘤，是最常见的原发性中枢神经系统肿瘤，具有较高的致死率。尽管在胶质瘤诊断上已经取得了显著进展，但仍存在许多挑战，例如早期和综合诊断。然而，单模态成像无法提供不同类型肿瘤的特征信息。传统的成像手段（如计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）和光声成像（PAI）等）存在一些固有缺陷，例如分辨率有限、穿透成像深度浅、空间分辨率差等等。为了解决这个问题，许多研究致力于发展多模态成像探针，在单个系统中整合多种图像增强行为，以实现多模态成像功能。包含一个金属核的纳米级金属有机框架（NMOFs）材料表现出丰富的光学和磁学特性，同时具有强的X射线衰减，因此是组装多功能显像剂的理想候选材料。

【成果简介】

近日，中国科学院自动化研究所田捷研究员、王坤副研究员和西安电子滚球体育 大学王忠良教授（共同通讯作者）等人采用微乳液方法在N,N-二甲基甲酰胺相中合成了小粒径的核壳结构Au@MIL-88（A）纳米粒子。这种核壳纳米复合材料同时具备了金纳米棒内核的CT增强和PAI光学特性以及NMOF外壳的T2加权磁共振成像特性。该纳米复合物的表面采用PEG-COOH修饰以防止其在体内试验的过程中结块。修饰后的纳米粒子Au@MIL-88（Fe）在神经胶质瘤的体内试验中，其CT、MRI和PAI成像效果显著增强。该成果以“Core–Shell Gold Nanorod@Metal–Organic Framework Nanoprobes for Multimodality Diagnosis of Glioma”为题于2016年11月18日发表在Advanced Materials期刊上。

【图文导读】

流程图1 Au@MIL-88（Fe）纳米星的合成及应用

（a）Au@MIL-88（Fe）纳米星的合成路线；

（b）在基于多模态成像的肿瘤诊断中的应用。

图1 Au@MIL-88（A）纳米粒子的表征

（a）Au@MIL-88（A）纳米粒子的TEM照片；

（b，c）Au@MIL-88（A）纳米粒子的SEM照片；

（d）磷酸盐缓冲液中的Au@MIL-88（A）的DLS粒径；

（e）Au纳米棒和Au@MIL-88（A）的紫外可见吸收光谱；

（f）Au@MIL-88（A）、MIL-88（Fe）和模拟得到的Au晶体的X射线粉末衍射图谱；

（g）Au@MIL-88（A）纳米粒子的STEM-EDS面扫描元素分布。

图2 纳米粒子的性质

（a，d）不同浓度的Au@MIL-88（Fe）的T2加权核磁共振成像（a）和T2弛豫率（d）；

（b，e）不同浓度的Au@MIL-88（Fe）的CT图像（b）和CT值（e）；

（c，f）不同浓度的Au@MIL-88（Fe）水溶液的光声成像（c）和光吸收值（f）；

（g）磷酸盐缓冲液中光吸收的稳定性。

图3 纳米粒子对细胞内吞作用和细胞毒性的体外评价

（a）不同浓度Au@MIL-88（Fe）下的细胞活性分析；

（b）孵育不同细胞系后的细胞活性；

（c-e）加入ICG/ Au@MIL-88（Fe）培养后U87MG细胞的荧光显微图像

图4 皮下荷有肿瘤U87MG的小鼠的体内三模态成像

（a，b）静脉注射Au@MIL-88（Fe）（2mg/mL，200μL）12小时前后小鼠的CT图像；

（c，d）静脉注射Au@MIL-88（Fe）（2mg/mL，200μL）12小时前后小鼠的T2加权核磁共振成像；

（e，f）静脉注射Au@MIL-88（Fe）（2mg/mL，200μL）12小时前后小鼠体内肿瘤的光声成像；

（g）静脉注射Au@MIL-88（Fe）（2mg/mL，200μL）12小时前后小鼠体内肿瘤的定量MRI信号和CT值；

（h）肿瘤的生物发光成像。

图5 荷有U87MG原位瘤小鼠的体内三模态成像

（a，b）静脉注射Au@MIL-88（Fe）（2mg/mL，200μL）12小时前后小鼠的CT图像；

（c，d）静脉注射Au@MIL-88（Fe）（2mg/mL，200μL）前后小鼠的T2加权核磁共振成像；

（e，f）静脉注射Au@MIL-88（Fe）（2mg/mL，200μL）12小时前后小鼠体内肿瘤的光声成像；

（g）静脉注射Au@MIL-88（Fe）（2mg/mL，200μL）12小时前后小鼠体内肿瘤的定量MRI信号和CT值；

（h）肿瘤的生物发光成像。

图6 静脉注射Au@MIL-88（Fe）后裸鼠体内胶质瘤组织切片的H&E染色

（a，d）只采用H&E染色；

（b，e）脑的插图和切片；

（c，f）普鲁士蓝染色的照片

【总结与展望】

该团队合成的核壳结构Au@MIL-88（Fe）纳米粒子，在神经胶质瘤的多模态成像上表现出良好的效果，尤其是有望减少中风病人在CT成像时受到的辐射。其CT和MRI图像穿透深度大且结构清晰，其PAI图像探测清晰、空间分辨率和对比度高。尽管这项研究还处于初期阶段，但研究人员相信，这种核壳结构纳米复合材料为三模态分子成像提供了机会，将有望从临床前研究走向临床研究。

文献链接:Core–Shell Gold Nanorod@Metal–Organic Framework Nanoprobes for Multimodality Diagnosis of Glioma(Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201604381)

【通讯作者简介】

田捷，工学博士，IEEE Fellow，IAMBE Fellow，SPIE Fellow。现为中国科学院自动化研究所研究员，中国科学院大学博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者，中科院“百人计划”入选者，国家“百千万人才工程”国家级人选，全国优秀滚球体育 工作者，两项国家重点基础研究发展计划（973计划）首席科学家，中国自动化学会常务理事、副秘书长兼中国自动化学会模式识别与机器智能专业会员会主任，中国生物物理学会分子影像学专业委员会主任（首届），分子影像北京市重点实验室和中国科学院分子影像重点实验室主任。（资料来源：中国科学院自动化研究所官网）

王坤，中国科学院自动化研究所副研究员，中国生物物理学会分子影像专业委员会，副秘书长。2011年获英国纽卡斯尔大学医学院医学影像博士，主要研究领域为光学、光声、超声、磁共振等多模态分子影像的成像方法研究、成像设备研制和生物医学应用。（资料来源：中国科学院自动化研究所官网）

王忠良，西安电子滚球体育 大学生命科学技术学院副院长，教授，博士生导师，中组部第十一批“青年千人计划”（2014年）入选者。2015年初开始组建“分子影像与转化医学”研究室并担任组长。近年来，一直从事多模分子影像和纳米医学方面的研究工作，并取得了一系列重要的研究成果。截至目前，在Science、PNAS、Angew、AM、ACS Nano等国际核心期刊上发表SCI论文20余篇，总影响因子达到143。多篇文章发表后被Nat. Mater., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Angew. Chem.等国际顶级期刊选为亮点报道、专题新闻或者期刊封面。拥有1项美国授权发明专利和2项中国授权发明专利。（资料来源于王忠良课题组主页）

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