- 029-86354885
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本文設(shè)計(jì)并合成了多功能硅(IV)酞菁衍生物PcAF,PcAF在水溶液中通過(guò)自發(fā)組裝形成均勻穩(wěn)定的納米球(NanoPcAF)。與傳統(tǒng)酞菁高度依賴于O2的II型光反應(yīng)不同,NanoPcAF表現(xiàn)出高效的I型光反應(yīng),產(chǎn)生豐富的超氧自由基(O2??)和顯著的振動(dòng)松弛,從而誘導(dǎo)相對(duì)較高的光熱轉(zhuǎn)換效率。在低氧條件下,NanoPcAF產(chǎn)生的O2??是亞甲基藍(lán)(MB)的3.4倍。NanoPcAF的光熱轉(zhuǎn)換效率比吲哚菁綠(ICG)高2.4倍。系統(tǒng)給藥后,NanoPcAF顯示了極好的**聚集,**/肝臟比率高達(dá)5。在臨床前模型中,光治療過(guò)程中和之后沒(méi)有觀察到明顯的毒性。

為了更好地理解PcAF的自組裝行為和組裝機(jī)理,我們采用不含吩噻嗪的硅(IV)酞菁衍生物(PcA)和含兩個(gè)吩噻嗪的硅(IV)酞菁(PcBF)研究它們的聚集現(xiàn)象。PcA在水溶液中自組裝形成100 nm均勻的納米顆粒分布(NanoPcA)。相對(duì)于NanoPcA的良好穩(wěn)定性,PcA在時(shí)效超過(guò)1 h后出現(xiàn)了嚴(yán)重的聚集現(xiàn)象,尺寸約為1200 nm。1 d后PcA形成了團(tuán)聚和沉淀。吩噻嗪基團(tuán)在硅(IV)酞菁的自組裝形成均勻穩(wěn)定的納米粒子中起著關(guān)鍵作用。PcBF在水溶液中自組裝形成均勻的納米顆粒分布(NanoPcBF)。此外,NanoPcBF在水中和含10%胎牛血清的水中表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。與NanoPcAF相比,NanoPcBF在水中表現(xiàn)出類(lèi)似的吸收,但更強(qiáng)的熒光強(qiáng)度。這些結(jié)果再次表明,吩噻嗪基團(tuán)的引入有利于硅(IV)酞菁的自組裝,形成穩(wěn)定的納米顆粒。在酞菁硅(IV)上引入兩個(gè)吩噻嗪基團(tuán)可能使NanoPcBF的內(nèi)部分子排列不夠緊密,因?yàn)镻cBF的自組裝行為可能只是由于疏水性和π?π堆積。然而,除了PcAF分子之間的疏水相互作用和π?π堆積外,PcAF酚羥基之間的氫鍵相互作用也可能促進(jìn)PcAF的自組裝行為。因此,NanoPcBF比NanoPcAF具有更強(qiáng)的熒光發(fā)射,不利于光動(dòng)力和光熱效應(yīng)的改善。

一般情況下,PS吸收的光子可以通過(guò)三種不同的方式釋放,包括熒光、振動(dòng)弛豫產(chǎn)生熱量和進(jìn)行系統(tǒng)間交叉(ISC),生成有利于ROS生成的三重態(tài)。NanoPcAF在水中的熒光較弱,表明NanoPcAF在光熱治療(PTT)和光動(dòng)力治療(PDT)中具有巨大的潛力。為了確認(rèn)NanoPcAF的光動(dòng)力學(xué)特性,在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了NanoPcAF的O2??和1O2生成效率。二氫乙啶(DHE)作為熒光探針檢測(cè)O2??。NanoPcAF在光照射下生成O2??的能力是NanoPcA的3.2倍。與MB相比,NanoPcAF也表現(xiàn)出更好的生成O2??的能力。在低氧條件下,測(cè)量了NanoPcAF生成O2??的能力。在NanoPcAF組中,DHE探針在缺氧條件下的熒光強(qiáng)度與正常條件下相比沒(méi)有顯著降低。這說(shuō)明納米NanoPcAF在光照射下生成O2??與O2水平無(wú)關(guān)。在缺氧條件下,NanoPcAF產(chǎn)生的O2??比MB多3.4倍。我們還探索了NanoPcBF生成O2??的能力。與NanoPcAF相比,NanoPcBF表現(xiàn)出較弱的O2??生成,這可能是因?yàn)镹anoPcBF吸收的光能以熒光的形式釋放更多。與NanoPcBF相比,NanoPcAF具有更高的低氧**PDT潛力。隨后,采用單氧傳感器綠色(SOSG)作為熒光探針檢測(cè)1O2。MB在光照射下產(chǎn)生了顯著的1O2。而NanoPcAF組中SOSG的熒光強(qiáng)度在光照射后幾乎沒(méi)有增加,說(shuō)明NanoPcAF產(chǎn)生1O2的能力可以忽略不計(jì)。這些結(jié)果表明NanoPcAF具有良好的I型光反應(yīng),吩噻嗪基團(tuán)在其中起著關(guān)鍵作用。

以水和ICG作為對(duì)照,研究了NanoPcAF的光熱性能。NanoPcAF在水中的溫度迅速升高,在光照射10 min后升高約30℃,而對(duì)照組的溫度變化不明顯。通過(guò)改變NanoPcAF的濃度和685 nm激光的能量密度來(lái)測(cè)量其在水中的光熱效應(yīng)。功率密度越大,溫度升高越高。當(dāng)激光功率密度保持在0.5 W cm?2時(shí),還觀察到顯著的濃度依賴性溫度升高。當(dāng)NanoPcAF濃度為10 μM時(shí),NanoPcAF在水中的溫度達(dá)到57℃。NanoPcAF的光熱轉(zhuǎn)換效率達(dá)到18.3%,。此外,經(jīng)過(guò)4次加熱/冷卻循環(huán)后,NanoPcAF沒(méi)有觀察到明顯的光漂白。NanoPcAF的紫外-可見(jiàn)光譜在輻照10min后沒(méi)有明顯下降,而ICG在相同輻照時(shí)間內(nèi)明顯下降。這些結(jié)果表明NanoPcAF在PTT過(guò)程中保持了良好的光穩(wěn)定性。NanoPcAF可以將傳統(tǒng)硅(IV)酞菁的光物理和光化學(xué)性質(zhì)從II型光反應(yīng)轉(zhuǎn)移到高效的I型光反應(yīng)和振動(dòng)松弛誘導(dǎo)光熱轉(zhuǎn)換。

首先評(píng)估了在常氧和缺氧條件下,NanoPcAF在人肝癌(HepG2)細(xì)胞內(nèi)生成O2??的能力。缺氧條件下厭氧指示器(ROS-ID)的熒光強(qiáng)度比正常條件下高6.9倍,說(shuō)明后續(xù)體外實(shí)驗(yàn)成功構(gòu)建了缺氧條件。隨后,用DHE作為O2??熒光指示劑檢測(cè)NanoPcAF細(xì)胞內(nèi)O2??生成能力。在沒(méi)有光照的情況下,NanoPcAF不能在細(xì)胞中產(chǎn)生O2??。在685 nm光照射下,無(wú)論在常氧或低氧條件下,細(xì)胞都能觀察到明顯的DHE熒光。與常氧條件下相比,低氧條件下DHE熒光強(qiáng)度沒(méi)有顯示任何降低,表明NanoPcAF在常氧和低氧環(huán)境下均能誘導(dǎo)體外O2??效率。此外,添加自由基清除劑維生素C (VC)后,細(xì)胞內(nèi)O2??降低了4.0倍,證實(shí)了NanoPcAF具有較強(qiáng)的生成O2??的能力。我們還使用2,7-二氯熒光素二乙酸酯(DCFH-DA)作為探針,檢測(cè)HepG2細(xì)胞中NanoPcAF細(xì)胞內(nèi)ROS的生成。當(dāng)細(xì)胞與NanoPcAF孵育而沒(méi)有光照射時(shí),不產(chǎn)生ROS。然而,在685 nm激光照射后,DCFHDA在常氧和缺氧條件下都顯示出明亮的綠色熒光,說(shuō)明無(wú)論在常氧或缺氧條件下,NanoPcAF都能有效地產(chǎn)生ROS。與常氧狀態(tài)相比,低氧狀態(tài)下細(xì)胞內(nèi)ROS并沒(méi)有降低,這與O2??檢測(cè)結(jié)果一致。采用3-(4,5-二甲基-2-噻唑基)-2,5 -二苯基- 2h -四唑溴化銨(MTT)比色法評(píng)價(jià)NanoPcAF的體外光治療效果。NanoPcAF在黑暗環(huán)境下未觀察到明顯的毒性。而在685 nm光照,NanoPcAF在常氧和低氧條件下均表現(xiàn)出顯著的濃度依賴性細(xì)胞毒性,90%的抑制濃度(IC90)分別為0.45±0.08 μM和0.42±0.10 μM。這些結(jié)果表明,O2濃度對(duì)NanoPcAF的細(xì)胞毒性沒(méi)有影響。為了進(jìn)一步證實(shí)NanoPcAF的體外光療機(jī)制,一方面用VC處理細(xì)胞清除自由基。與NanoPcAF +光組相比,NanoPcAF + VC +光組的治療效果明顯下降,這應(yīng)該是PDT受到抑制的結(jié)果。另一方面,冰袋被用來(lái)控制細(xì)胞的溫度。與NanoPcAF +光組相比,NanoPcAF +冰+光組的細(xì)胞抑制作用也降低。NanoPcAF +冰+光組的IC50達(dá)到3.69±0.12 μM,是NanoPcAF +光組的8.2倍。這些結(jié)果表明PTT在光細(xì)胞毒性中也起重要作用。活/死細(xì)胞染色實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明PTT和PDT在NanoPcAF誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的光細(xì)胞毒性中發(fā)揮了重要作用。NanoPcAF由于其優(yōu)越的I型PDT和PTT能力,在常氧和缺氧條件下均具有較高的體外光治療效果。這些結(jié)果進(jìn)一步表明,NanoPcAF在光動(dòng)力治療中表現(xiàn)出高的I型光反應(yīng)和光熱作用協(xié)同效率來(lái)克服缺氧條件。

以肝癌(H22)小鼠為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,靜脈注射N(xiāo)anoPcAF,觀察NanoPcAF的生物分布。選擇H22是因?yàn)樗鄬?duì)容易建立**模型。利用熒光成像技術(shù)評(píng)價(jià)NanoPcAF在體內(nèi)的生物分布。熒光圖像連續(xù)監(jiān)測(cè)至24 h,發(fā)現(xiàn)**部位的熒光信號(hào)逐漸增加,在10 h時(shí)達(dá)到最大值。雖然NanoPcAF在水中的熒光非常弱,熒光成像結(jié)果顯示,注射N(xiāo)anoPcAF 10 h后,熒光信號(hào)清晰,且?guī)缀踔怀霈F(xiàn)在**部位,這可能是由于NanoPcAF具有顯著的**聚集能力,并在**部位恢復(fù)了熒光生成。老鼠犧牲24小時(shí)接受和**的熒光強(qiáng)度和其它主要器官包括皮膚、心、肝、脾、肺、腎進(jìn)行評(píng)估。**部位的熒光信號(hào)遠(yuǎn)高于其他器官。**的熒光強(qiáng)度是肝臟的5.1倍。這個(gè)**/肝臟的比值比大多數(shù)報(bào)道的PSs要高得多,表明NanoPcAF具有出色的**靶向能力。為了研究NanoPcAF在體內(nèi)的穩(wěn)定性,還利用體內(nèi)熒光成像技術(shù)評(píng)價(jià)了NanoPcAF在含10%胎牛血清的水中的生物分布。如圖6a所示,熒光成像結(jié)果與在純水中注射N(xiāo)anoPcAF的小鼠相似。此外,由于CEL是一種常見(jiàn)的表面活性劑,可以破壞PSs的自組裝,因此在注射小鼠之前,我們使用cremoophor EL (CEL)破壞NanoPcAF的結(jié)構(gòu)。在含1% CEL (v/v)的水中,PcAF在吸收光譜中呈現(xiàn)強(qiáng)烈吸收,在610 nm激發(fā)下發(fā)出強(qiáng)烈的熒光,說(shuō)明NanoPcAF的納米結(jié)構(gòu)被CEL破壞。將含1% CEL的NanoPcAF注入荷瘤小鼠體內(nèi),熒光信號(hào)迅速擴(kuò)散至全身,然后逐漸減弱,無(wú)明顯**積聚。體外熒光分布也顯示,熒光信號(hào)主要存在于肝臟。這些結(jié)果表明,NanoPcAF在生理環(huán)境中具有良好的穩(wěn)定性,而未斷裂的納米結(jié)構(gòu)在**選擇性中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其次,利用光熱成像監(jiān)測(cè)NanoPcAF在體內(nèi)的**積累。H22**小鼠靜脈注射N(xiāo)anoPcAF。使用685 nm激光(0.5 W cm?2)每隔一小時(shí)照射**部位3分鐘。在照射過(guò)程中,通過(guò)紅外熱像儀持續(xù)評(píng)估**部位的溫度。熱成像持續(xù)監(jiān)測(cè)至24小時(shí)。注射N(xiāo)anoPcAF 10小時(shí)后,**部位溫度明顯升高,約升高28°C。光熱成像觀察到的**富集時(shí)間與上述熒光成像結(jié)果一致。

由于NanoPcAF具有良好的**聚集能力,我們進(jìn)一步對(duì)H22荷瘤小鼠進(jìn)行了體內(nèi)光治療。小鼠分為6組:(1)對(duì)待PBS(控制),(2)關(guān)照1(激光波長(zhǎng)685 nm),(3)光照2(激光波長(zhǎng)685 nm),(4) NanoPcAF,(5) NanoPcAF + light 1, 和(6) NanoPcAF + light 2,NanoPcAF聯(lián)合光2照射小鼠后,溫度升高約30°C。僅用光2處理的小鼠和先用NanoPcAF再用光1處理的小鼠的溫度都有輕微變化。然后,每隔一天對(duì)各組小鼠的體重和**體積進(jìn)行評(píng)估。各組小鼠體重?zé)o明顯差異,并在治療過(guò)程中保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。小鼠**體積在不同組之間顯示出顯著的變化。所有對(duì)照組(包括PBS、light 1、light 2和NanoPcAF單獨(dú))均顯示出顯著水平的**生長(zhǎng),而NanoPcAF + light 1組和NanoPcAF + light 2組的**生長(zhǎng)均受到明顯抑制。14天之后,**治療的老鼠1 NanoPcAF其次是光輻照表現(xiàn)出抑制增長(zhǎng)64%,這應(yīng)該來(lái)自PDT的影響是引起**部位的溫度顯示一個(gè)微不足道的增加后,老鼠接受NanoPcAF光1緊隨其后。與NanoPcAF + light 1組相比,NanoPcAF + light 2組的**抑制效果顯著提高(94%),這應(yīng)該得益于PDT和PTT的聯(lián)合作用。因此,這些結(jié)果表明,NanoPcAF通過(guò)PTT與I型PDT聯(lián)合具有高效的抗**能力。代表性圖像和**平均重量進(jìn)一步證實(shí)了NanoPcAF在光照射下具有顯著的抗**效果。

https://doi.org/10.1021/jacs.1c07479
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