电荷转换纳米颗粒（NPs）可深入穿透肿瘤，但传统的电荷转换策略具有局限性，包括肿瘤微环境中的低选择性和缓慢、不一致的转化率。因此，韩国首尔国立大学Dae-Duk Kim、Jae-Young Lee合成了一种七甲川菁两性离子近红外环糊精衍生物，并与二茂铁络合，开发了一种多功能纳米疗法。本研究中的NPs显示出增强的肿瘤靶向能力，使直肠肿瘤的高度特异性成像成为可能，肿瘤-直肠信号比高达7.8。在880 nm的近红外激光照射下，NPs的两性离子表面电荷在肿瘤内迅速转化为阳离子电荷，通过胞吞作用促进NPs的肿瘤穿透。穿透后，使用660 nm激光开始光动力学/化学动力学治疗。NPs根除临床相关大小的异位肿瘤（约250 mm3）和原位直肠肿瘤，显示出了作为靶向直肠癌的治疗纳米平台的潜力。
相关研究成果以“Photobleaching-mediated charge-convertible cyclodextrin nanoparticles achieve deep tumour penetration for rectal cancer theranostics”为题于2024年8月21日发表在《Nature Nanotechnology》。
图1 用于肿瘤靶向和增强穿透的P-ZWNIR NPs的设计
图2 P-ZWNIR NPs的表征
本研究利用β-环糊精（CD）衍生物和光敏剂之间形成的包涵体配合物构建了P-ZWNIR NPs；NIR荧光团和肿瘤靶向部分共价附着在CD核心上，从而形成P-ZWNIR CD；P-ZWNIR NPs的外部ZWNIR结构在NIR暴露时由于氧化裂解而发生不对称降解，两性离子P-ZWNIR NPs在808 nm激光照射后可以转化为带正电荷的NPs（图1a）。如图1b所示，静脉注射P-ZWNIR NPs时：（1）它们以两性离子的形式在血液中循环；（2）通过外渗和主动靶向在肿瘤中逐步积累。在808 nm激光暴露于肿瘤区域时：（3）肿瘤中的NPs发生电荷转化为阳离子NPs；（4）通过胞吞作用增强肿瘤的穿透能力。在随后的660 nm激光照射下，（5）光动力疗法和化学动力疗法的协同效应可能会增强抗癌效果。
激光照射诱导NIR荧光团Gly-S-IR783的不对称降解，导致酮和醛片段的两种不同组合（a + b或 c + d）（图2a）。在相同照射条件下，评价P-ZWNIR NPs的光漂白特性（图2b）。NIR激光将绿色的P-ZWNIR NPs漂白成深黄色的悬浮液，其光吸收减弱（图2c、d）。生理相关介质中的P-ZWNIR NPs在808 nm照射下的NIR荧光减弱，90%的荧光在4 min内发生光漂白，表明P-ZWNIR NPs具有快速光漂白特性（图2e）。P-ZWNIR NPs的zeta电位在NIR激光照射下逐渐增加，并在5 min后趋于稳定，表明完成光漂白介导的电荷转换（图2f）。动态光散射（DLS）分析显示，P-ZWNIR NPs和阳离子NPs（光漂白后的P-ZWNIR NPs）表现出相似的尺寸分布轮廓（图2g）。透射电子显微镜（TEM）图像也显示相应的颗粒尺寸（图2h）。接下来，本研究评估了Pheo-Fc的光动力学和化学动力学活性（图2i）。利用DCFH作为探针，评估活性氧（ROS）的生成，结果显示与808 nm预照射的P-ZWNIR NPs相比，660nm照射下的P-ZWNIR NPs表现出更高的ROS生成（图2j）。
图3 P-ZWNIR NPs的体外细胞摄取、ROS产生、胞吞作用和渗透
在HT-29细胞中评估P-ZWNIR NPs的细胞摄取效率。P-ZWNIR NPs + 808 nm组的荧光强度明显高于ZWNIR NPs + 808 nm组（图3a）。共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）分析显示，在P-ZWNIR NPs + 808 nm组的荧光信号最明显（图3b）。接下来，以Pheo-Fc荧光为探针，在Transwell培养系统中探索P-ZWNIR NPs的胞吞能力。P-ZWNIR NPs + 808 nm组的荧光强度明显高于P-ZWNIR NPs组（图3c）。综上，光漂白介导的电荷转换提高P-ZWNIR NPs的胞吞效率。接下来通过3D HT-29多细胞肿瘤球状体（MCSs）评估NPs的肿瘤穿透能力。P-ZWNIR NPs主要定位于MCSs外围（图3d）。相比之下，P-ZWNIR NPs+808nm（预照射）比两性离子显示出更深的渗透。原位照射的NPs比预照射的NPs具有更高的渗透效率。图3e的荧光强度-距离图证实了结果，其中原位照射组表现出的平均强度最高。综上结果表明，光漂白驱动的电荷转换通过提高P-ZWNIR NPs的胞吞效率促进其对肿瘤的渗透。使用MCS模型评估P-ZWNIR NPs辅助光疗治疗的抗肿瘤疗效（图3f、g）。与P-ZWNIR NPs（暗）相比，660 nm激光照射P-ZWNIR NPs显著抑制球体生长。与P-ZWNIR NPs +660 nm组相比，P-ZWNIR NPs+808nm（预照射）+660nm组有效地抑制MCS的生长（球体体积减少3.0倍），表明NPs对肿瘤穿透性的增强加强了其抗肿瘤疗效。
图4 P-ZWNIR NPs的肿瘤靶向性和穿透性
本研究将P-ZWNIR NPs在肿瘤分布阶段（~8 h）的体内肿瘤靶向能力与ZWNIR NPs进行比较（图4a）。ZWNIR NPs与P-ZWNIR NPs具有相似的积累模式，但P-ZWNIR NPs在肿瘤内的荧光强度是ZWNIR NPs的1.5倍（图4b）。除肾脏外，两种NPs在脱靶组织中的分布谱表现出显著的相似性（图4c）。由于P-ZWNIR NPs在肌肉和肠道组织中的荧光强度很低，本研究评估了它们在直肠肿瘤成像中的潜力。P-ZWNIR NPs对直肠肿瘤成像表现出明显的选择性（图4d）。P-ZWNIR NPs对肌肉、小肠、大肠和直肠等邻近正常组织的肿瘤-背景比值（TBR）显著高于ZWNIR NPs（图4e）。接着利用NIRF成像和基质辅助激光解吸电离（MALDI）质谱成像（MSI）可视化肿瘤中P-ZWNIR NPs的原位光漂白。肿瘤区域的荧光强度在808 nm激光照射下逐渐降低，随后稳定，表明光漂白在照射后5 min内完成（图4f）。激光照射5 min后，在肿瘤组织中检测到酮片段信号明显增加（图4g），表明了P-ZWNIR NPs的光氧化反应。进一步研究了P-ZWNIR NPs在耳部荷瘤小鼠的体内肿瘤穿透效率。静脉注射P-ZWNIR NPs后，用双光子显微镜直接观察肿瘤组织（图4h）。在808 nm激光照射前，P-ZWNIR NPs的荧光信号主要定位于血管内，在距离血管约20µm处检测到细微的荧光信号；808nm激光照射后，血管周围的荧光信号强度逐渐增强，且信号分布范围明显扩大，在距离血管100µm处检测到荧光信号（图4i、j）。
图5 在RC小鼠模型的P-ZWNIR NPs辅助联合光疗
本研究评估了P-ZWNIR NPs在皮下HT-29肿瘤移植小鼠中的光疗效果。当肿瘤体积达到250 mm3时，静脉注射。分别在注射后8h和10 h进行808和660 nm激光照射（图5a）。然后在没有进一步干预的情况下监测肿瘤体积20天（图5b）。第20天终止实验，切除肿瘤并称重（图5c、d）。PBS+808 nm+660 nm组的肿瘤生长速率与PBS组相当，表明单独激光治疗对肿瘤生长没有抑制作用。与PBS组相比，P-ZWNIR NPs单独治疗和P-ZWNIR NPs辅助的单次激光治疗显示出对肿瘤生长的改善抑制作用，但并没有导致肿瘤缩小。而P-ZWNIR NPs+808 nm+660 nm治疗完全消除了肿瘤。在6只小鼠中，有5只达到完全缓解，表明深层肿瘤渗透显著放大光动力/化学动力治疗的疗效。随后采用不同激光治疗方案进行抗肿瘤疗效研究，结果如图5e-g所示。在原位直肠肿瘤模型中评估P-ZWNIR NPs辅助光疗的疗效（图5h、i）。结果表明，P-ZWNIR NPs辅助的联合光疗实现肿瘤缓解。三组小鼠的体重分布无显著性差异，表明P-ZWNIR NPs毒性很小（图5j）。疗效研究结束后，切除直肠组织进行生物发光成像（图5k）。定量分析显示，PBS组和P-ZWNIR NPs组之间具有相似的信号。相比之下，P-ZWNIR NPs辅助光疗组的生物发光强度与自身生物发光强度相当，表明肿瘤完全缓解（图5l）。
全文小结：
综上所述，光漂白介导的电荷可转换P-ZWNIR NPs增强肿瘤的靶向性和穿透性，并促进晚期RCs的光疗。本研究是第一个利用七甲川菁染料快速光漂白特性实现肿瘤内NPs的高效电荷转换的研究。
多模态P-ZWNIR NPs有以下几个优点：
（1）直肠肿瘤的高度特异性成像，肿瘤靶向性增强；
（2）在NIR照射诱导的光氧化反应介导的电荷转换后，胞吞作用介导的深层肿瘤穿透；
（3）治疗效果良好，可根除临床相关大小的肿瘤和原位植入的直肠肿瘤，且没有任何明显的全身毒性。
因此，P-ZWNIR NPs辅助光疗的选择性肿瘤成像和强大的治疗效果可能为RC治疗提供一种常规手术或放疗的替代方案。
文章来源：
https://doi.org/10.1038/s41565-024-01757-4
