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內容提要

由于顱骨強光衰減和高背景干擾，腦膠質瘤邊緣的確認仍然是精確成像和靶向治療的挑戰。近紅外二區(NIR II)光聲成像(PAI)具有較深的穿透性和較高的靈敏度，在腦膠質瘤成像中具有很大的潛力。本文合成了包裹克酮酸染料A1094的多肽RGD修飾的乙型肝炎病毒核心蛋白(A1094@RGD-HBc)，利用A1094的聚集誘導吸收增強機制（AIAE）用于腦膠質瘤的NIR II PAI。A1094@RGD-HBc具有增強的近紅外二區吸收，在體內實現了9倍的PA信號放大，腦膠質瘤的PAI深度可達5.9 mm，同時，¹³¹I標記的A1094@RGD-HBc可以精確共定位獲得高分辨率PAI和超靈敏的腦膠質瘤單光子發射斷層圖像（SPECT），展示其在腦膠質瘤的診斷成像和精確治療的臨床應用上的巨大前景。

前言

腦膠質瘤是世界范圍內最致命的顱內惡性**，預后差，死亡率高。目前，影像學檢查后的積極手術切除是臨床的標準治療方法。目前的診斷和治療由于不準確的**位置評估和模糊的手術邊緣的大腦。強烈的光衰減和散射在顱骨往往阻礙光穿透，采用光學方法探測大腦深部區域變得困難。因此，迫切需要一種能夠準確確認深部腦膠質瘤手術邊緣的高靈敏度成像方法。光聲成像(PAI)以其單模態的高空間分辨率和豐富的對比度，近年來受到了科學家和醫生的廣泛關注。這種新技術與有效的PA成像劑是有用的疾病監測，特別是在早期治療和非侵入性**成像。由于灰質比周圍組織(包括肌肉和脂肪組織)表現出更高的散射和更強的吸收，需要高劑量的藥物增強成像反差，這可能會導致嚴重的不良反應或毒性；腦膠質瘤檢測和治療的另一個挑戰是如何克服血腦屏障(BBB)將藥物輸送到**組織。因此發展出安全有效的以膠質瘤為靶點的NIR II強吸收的有機探針對于腦疾病的深層PAI尤為重要。作者報道了π- π共軛的有機分子A1094，在生物相容性載體中聚集時表現出優異的聚集誘導吸收增強(AIAE)，并用于深層PAI(方案1a)，其機理歸因于HOMO和LUMO之間的能隙共振增強(方案1b)，增強聚集體的光吸收。本文通過巧妙的設計和分子工程證實了AIAE效應,在適當的濃度范圍內，A1094@RGD-HBc的NIR II窗口顯示出非線性吸收，并首次應用于深部腦膠質瘤的PAI。

結果與討論

A1094的HOMO和LUMO軌道能量分別為?4.47和?3.57 eV，近紅外吸收的能帶隙很小。在圖1a中，A1094在1094 nm處有很強的吸收峰（圖1a），在乙醇、甲醇、二甲基亞砜(DMSO)等有機溶劑中溶解良好。A1094在不同pH下表現出不同的吸收水平。A1094在酸性pH值(4.1-5.9)中具有較強的吸收能力，這表明A1094適合作為探針用于**酸性微環境成像。在白光或激光照射下，A1094在二氯甲烷中是穩定的。即使濃度低至62.5 μg mL^?1DMSO溶液中，A1094的PA性質也表現出較高的檢測靈敏度(圖1c) 。將A1094被封裝到RGD-HBc蛋白中，聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)和Western Blot分析證實了RGD-HBc的活性。動態光散射和透射電鏡均顯示A1094@RGD-HBc的直徑在30 nm左右(圖1d和1e)。在磷酸鹽緩沖鹽水(PBS)，以及在980 nm激光照射下(0.5 W cm^?2,10 min)， A1094@RGD-HBc的優良光熱穩定性。將A1094加載到RGD-HBc蛋白后，在NIR II區明顯出現AIAE(圖1f)。即使在很低的濃度(25 μg mL^?1)下，A1094@RGD-HBc也具有很強的吸收強度，且呈非線性關系。為了進一步說明AIAE的作用機制，我們將A1094@RGD-HBc用DMSO解離，使RGD-HBc蛋白釋放出A1094，從而導致NIR II吸收減少而在Oil Red O@RGD-HBc中，未發現AIAE效應。為了研究RGD對人原發性膠質母細胞瘤細胞系(U87MG)的選擇性，U87MG細胞分別與RGD-HBc、HBc和PBS孵育。RGD-HBc孵育12 h后，細胞的熒光強度比PBS處理的細胞亮9.6倍，比HBc處理的細胞亮1.6倍(圖1g)。共聚焦顯微鏡結果顯示A1094@RGD-HBc比A1094@HBc更特異的細胞攝取(圖1h)。

圖1. a) A1094在甲醇中的梯度吸收光譜(40-80 μg mL^?1)。b) A1094在DMSO 950 nm處不同濃度(0.0625、0.125、0.25、0.5、1.0 mg mL^?1)的PA圖像。c) DMSO中A1094濃度對PA振幅的影響。d) A1094@RGD-HBc透射電子顯微鏡。e) A1094@RGD-HBc的動態光散射。f) A1094@RGD-HBc在90% DMSO破壞蛋白前后的吸收光譜。g)流式細胞術分析U87MG細胞與RGD-HBc和HBc孵育后不同時間點的變化。h)用標記為A1094@RGD-HBc和A1094@HBc的Cy5.5孵育U87MG細胞后的熒光圖像。

在A1094@RGD-HBc的NIR II區高效的靶向性和高增強的吸收，促使我們進一步探索其在不同波長的吸收(圖2 a)。1200-1300 nm處聚集體的PA振幅明顯強于800-950 nm處(圖2c)，說明AIAE的性能。圖2d顯示了具有AIAE特性的1200 nm處顯著的PA振幅。PA信號在解聚狀態下表現出微弱的PA信號，表明增強的PA振幅是由A1094聚集引起的。將A1094@RGD-HBc皮下注射到小鼠皮膚中。在1200 nm左右的激發下檢測到優良的PA信號(圖2b)，無AIAE特性的對比在體內表現出較低的PA信號。RGD-HBc中A1094的聚集可在體內實現9倍吸收增強，表明其作為深部腦**PAI具有明顯優勢(圖2e)?？紤]到在小鼠顱骨中已被證明在1064 nm處相對較弱的光衰減，選擇1064 nm進行體內原位腦膠質瘤的PAI。

圖2. 探針在800-1400 nm解聚前后的PAI a)體外，b)體內。c) (a)對應PA信號強度。d) PA信號在1200 nm處在150分鐘內的穩定性A1094@RGD-HBc。 e) (b)對應PA信號強度。

利用自制的聲分辨光聲顯微鏡(AR-PAM，圖3 a)，經過低劑量A1094@RGD-HBc(100 μg×mL^?1)靜脈注射，PA模型監測A1094@ RGD-HBc的積累，超聲(US)模型顯示**位置(圖3b-d)。PA和US的b級掃描顯示，**來自腦皮膚的深度為5.9 mm (圖3e-g)。由于AIAE的性質，A1094@RGD-HBc的劑量僅為ICG@RGD-HBc的四分之一。

圖3。a) AR-PAM系統用于U87MG荷瘤小鼠成像。OPO:光參量振蕩器;NDF:中性密度濾波器;M:鏡子;HWP:半波板;L:鏡頭;ConL:凸透鏡;BS:分束器;FC:光纖耦合器;帕金森病:光電二極管;CL:錐形透鏡;WT:水箱;UPR:超聲波脈沖發生器/接收器;DAQ:數據采集卡;PC:個人電腦。b) PA, c) US，和d) U87荷瘤小鼠合并的大腦圖像。e) PA, f) US, g)注射后2 h**合并圖像對應的b掃描圖。

注射后2 h后，偽彩色顯示**在1064 nm處增強的PA信號(圖4a)，而灰色顯示顱骨的共定位圖像，A1094@RGD-HBc作為一種有效的腦**PA成像劑。經過¹³¹I標記的 ¹³¹I-A1094@RGD-HBc SPECT/CT圖像顯示，注射后2小時**放射性攝取增強(圖4b)，這與PAI結果一致。成像后，腦組織用于放射自顯影研究，并收集主要器官進行H&E染色。與正常腦片相比，**腦片具有較高的放射性攝取，具有良好的特異性(圖4c)。結果表明，¹³¹I-A1094@RGD-HBc具有極高的效率、特異性和生物相容性，可作為原位深部腦膠質瘤PAI和超靈敏SPECT成像的理想造影劑。

圖4。活體PA/US和microSPECT/CT成像。a) PA/US圖像和b) U87MG荷瘤小鼠在注射¹³¹I放射性標記A1094@RGD-HBc后2小時的大腦SPECT/CT圖像。c)注射¹³¹I-A1094@RGD-HBc后，對照組(左)和荷瘤組(右)的放射自顯像。比例尺= 2毫米。R:吻鼻靜脈;S:矢狀竇;T:橫竇。

結論

本研究利用AIAE機制，克服傳統發色團聚集猝滅效應而對成像的不利影響，實現在NIR II窗口對腦深部**PAI的作用。A1094@RGD-HBc在有限的空間封裝成蛋白載體后，表現出增強的NIR II吸收和強大的PA造影增強能力，在原位腦深部**成像中具有廣闊的應用前景。利用AIAE效應這種光吸收過程來構建合適的吸收聚集體，表現出優異的光穩定性、特異性**靶向性和高效的濃度依賴性吸收，可以將其深度PAI的優勢延伸到臨床轉化。

參考文獻

Yajing Liu, Huanhuan Liu, Huixiang Yan, Yingchao Liu, Jinsen Zhang, Wenjun Shan, Puxiang Lai, Honghui Li, Lei Ren, Zijing Li,* and Liming Nie*, Aggregation-Induced Absorption Enhancement for Deep Near-Infrared II Photoacoustic Imaging of Brain Gliomas In Vivo, Adv. Sci. 2019, 6, 1801615. DOI: 10.1002/advs.201801615. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.201801615

產品提供

克酮酸染料A1094

外觀：粉末黑色，溶液紫紅色

純度：95%以上

溶解性：脂溶性 DMSO DMF 等溶解

保存條件:-20度 避光 保存

備注：相關檢測/圖譜均有提供。

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