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科研动态

精密测量院开发“变形”纳米粒子用于肿瘤长时MRI与高效治疗

来源:     时间:2023-05-01

      药物过量是造成癌症肿瘤检测与治疗副作用大的主要原因。这是因为现有药物对病灶的靶向不足,难以富集于肿瘤区域,且在病灶部位停留时间短,需要进行大剂量注射以达到预期成像检测与治疗效果。

      近日,精密测量院周欣团队利用肿瘤微环境与正常组织的差异,开发了一种可智能“识别”癌症肿瘤的纳米粒子,通过在肿瘤中不断“变形”,延长纳米药物在肿瘤中的驻留时间、增强药物在肿瘤中的穿透性,以极低的药物剂量实现了癌症肿瘤的长时MRI检测与高效治疗。相关研究成果以Activatable Graphene Quantum Dots-Based Nano-Transformers for Long-Period Tumor Imaging and Repeated Photodynamic Therapy”为题,发表于工程/材料类顶级期刊Advanced Materials

如图1所示,所设计的模块化自组装纳米载体GQD NT,可用很简易的步骤将药物分子封装于其中(图1a),通过肿瘤微环境促发GQD NT变形,一步步提高药物在病灶部位的富集浓度:1) GQD NT(~60nm,图1c)表面RGD肽对αvβ3受体的主动识别EPR效应,使纳米粒子能够准确到达肿瘤病灶部位;2) GQD NT温和的光热效应可改善癌细胞的细胞膜通透性,有利于纳米药物在肿瘤区域积聚;3) GQD NT “识别”肿瘤病灶的酸性微环境,转化为松散状态,直径扩大至~120 nm(图1d),以延长在肿瘤中的滞留时间;4) 随着时间的延长,GQD NT完全瓦解,粒径减小至~15 nm(图1e),有利于穿透至更深层肿瘤当中,“开启”荧光和磁共振信号。


肿瘤微环境诱导“变形”纳米粒子GQD NT

将脂溶性锰-卟啉(Mn-TCPP)负载至GQD NT中,可显著改善其在水中的分散性,使Mn-TCPP@GQD NT水分散液的T1加权MRI对比度随Mn含量的增加而升高(图2a),纵向弛豫率可达12.7 mM-1s-1,是临床用T1 MRI造影剂(r1= 2.5-5.1 mM-1s-1)的2.5-5.1倍。尾静脉注射后,Mn-TCPP@GQD NT经过层层靶向与变形富集于荷瘤小鼠的肺癌肿瘤部位,T1弛豫时间由2.7s下降至1.9s,从而在MRI图像中“点亮肿瘤”(图2b)。本工作中,Mn-TCPP的注射剂量仅为22.4 μM/kg,相较临床用T1 MRI造影剂(100-400 μM/kg)下降了4.5-17.9倍。此外,在注射后4-36小时之内,肿瘤部位的T1 MRI与正常组织的对比度高,边界明显,极大延长了对肿瘤部位的成像时间。TCPP@GQD NT的活体荧光成像结果与MRI相比,具有很好的一致性(图2c)。


 “变形”GQD NT用于活体肿瘤长时MRI

基于以上优良性质,我们设计了一种可重复的光动力学治疗photodynamic therapy, PDT)方法,单次注射之后,可进行四次激光照射(注射后6、122436小时),激活肿瘤内停留的光敏药物,抑制肿瘤生长。单次PDT组所用药物浓度仅1.76 μmol/kg,肿瘤体积下降幅度超过82%。进行两次PDT后,肿瘤被完全消融(图3)。本工作将光敏药物的总剂量降至1.76-3.50 μmol/kg的极低水平,与文献报道相比降低了10~30倍,且所用的低剂量激光不会造成皮肤损伤,有望克服PDT中光敏药物过量的问题。


“变形”GQD NT用于高效光动力学治疗

总之,所开发的“变形”纳米为下一代诊疗提供了一种智能载体,为肿瘤长时MRI和高效治疗开辟了一条新途径。文章第一作者是精密测量院副研究员杨玉琪和博士生王宝龙,通讯作者是深圳大学教授黄鹏和精密测量院研究员周欣。  

该工作得到了国家科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的资助。

  论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202211337