前列腺特异性膜抗原靶向的多模式成像纳米气泡，在超声照射下通过激活自噬作用抑制前列腺癌的生长

《Acta Biomaterialia》：Prostate specific membrane antigen-targeted multimodal imaging nanobubbles with ultrasound irradiation inhibit prostate cancer growth via autophagy activation

本研究开发了一种靶向前列腺特异性膜抗原（PSMA）的多模态成像纳米气泡（PSMA-617-ICG NBs），结合超声照射诱导自噬激活和细胞死亡，显著抑制前列腺癌（PCa）生长，并通过超声、光声和荧光成像实现治疗监测与精准定位。

　　

作者列表：尹玲、董勋虎、张军、刘登、李欣、李东、陈雪梅、王洛夫、邓军、郭彦丽

单位：陆军医科大学第一附属医院（西南医院）超声科，中国重庆400038

摘要

超声引导的纳米气泡破坏（UTND）是一种有前景的癌症非侵入性治疗策略。然而，脱靶效应显著影响UTND的治疗效果，并妨碍对肿瘤的准确评估。前列腺特异性膜抗原（PSMA）在前列腺癌（PCa）细胞膜上过度表达，使其成为关键的治疗靶点。在本研究中，我们构建了含有PSMA-617（一种临床用的PSMA小分子抑制剂）和吲哚菁绿（ICG）的靶向纳米气泡（PSMA-617-ICG NBs），并利用机械振动结合生物素-亲和素耦合技术实现其功能。PSMA-617-ICG NBs能够选择性穿透肿瘤血管内皮，与PSMA阳性细胞结合，并在肿瘤组织中有效积聚。在超声照射下，大量PSMA-617-ICG NBs附着在细胞表面，产生近场冲击波和空化效应，有效破坏肿瘤细胞并抑制PCa生长。同时，超声、光声和荧光成像技术可用于监测肿瘤组织中的PSMA表达情况，为UTND介导的靶向治疗提供影像学证据，并协助肿瘤定位。研究发现，治疗过程中自噬体形成增强，自噬体-溶酶体融合增加，表明UTND成功激活了自噬机制并通过诱导自噬相关细胞死亡发挥抗肿瘤作用。因此，本研究证明了将靶向多模态成像纳米气泡与超声照射结合用于PCa治疗的可行性。

意义声明

本研究开发了基于前列腺特异性膜抗原（PSMA）的纳米气泡（PSMA-617-ICG NBs），将多模态成像与超声触发治疗相结合，用于前列腺癌治疗。其意义在于通过精确的分子靶向克服传统超声引导纳米气泡破坏（UTND）的脱靶效应，并实现超声/光声/荧光成像引导的治疗。在超声照射下，这些靶向纳米气泡能激活自噬机制，通过诱导自噬相关细胞死亡发挥抗肿瘤作用。它们在PSMA阳性肿瘤中特异性积聚，实现动态治疗监测，并显著提升对前列腺癌的治疗效果，为前列腺癌治疗提供了一种非侵入性的新方法。

引言

前列腺癌（PCa）是老年男性中最常见的恶性肿瘤之一，发病率持续较高。作为男性癌症相关死亡的第五大原因，PCa对男性健康构成重大威胁[1,2]。局部PCa的主要治疗方法包括根治性前列腺切除术、放疗和雄激素剥夺疗法（ADT）。然而，现有方法存在显著局限性：外科切除术后复发风险高，放疗可能对周围正常组织造成不可逆损伤，严重影响患者生活质量；虽然ADT初期有效，但大多数患者在18-24个月后会发展为去势抵抗性前列腺癌（CRPC），并常出现治疗引起的代谢并发症[3,4,5]。因此，亟需开发安全有效的治疗策略，以减少损伤、提高治疗效果并改善患者生活质量。 多项研究表明，超声引导的纳米气泡破坏（UTND）能有效杀死癌细胞[6]，但UTND引起的空化效应缺乏精确定位，导致脱靶效应[7]。为提高UTND的治疗效果并减少对正常组织的损伤，我们将靶向纳米气泡与超声照射结合，将其转化为具有精确杀伤能力的“纳米炸弹”。前列腺特异性膜抗原（PSMA）在PCa细胞膜上过度表达，可作为治疗靶点[8,9]。与单克隆抗体和肽类相比，PSMA的小分子抑制剂（PSMA-617）具有显著优势，如高结合效率、高特异性、低分子量以及易于合成和纯化[10]。最新研究显示，PSMA-617除作为靶向配体外还具有内在生物活性，能通过干扰DNA复制过程抑制PSMA阳性前列腺癌细胞的增殖[11]。因此，我们旨在开发PSMA靶向纳米气泡与超声照射联合使用的方案，探索其在PCa治疗中的潜力。 UTND介导的靶向治疗依赖于精确的肿瘤定位和肿瘤组织中PSMA表达的非侵入性成像。超声分子成像（USMI）因非侵入性、便捷性和实时动态成像能力在肿瘤诊断中发挥重要作用[12,13]，但单模态成像能力有限。多模态成像技术可克服这些局限[14]：光声成像（PAI）可通过非侵入性评估氧代谢率、血氧浓度和血红蛋白浓度实现肿瘤组织的功能成像，提供高对比度和高分辨率图像，有助于肿瘤诊断和快速识别[15]；荧光成像（FLI）是一种高灵敏度的实时成像技术，广泛用于手术导航和早期疾病诊断[16]。结合荧光和光声成像的高对比度以及超声分子成像的深穿透能力，多模态成像可提供更全面的组织信息，有助于实时监测PSMA表达并确定肿瘤位置、数量和边界。 在本研究中，我们通过将PSMA-617的靶向性与吲哚菁绿（ICG）的光声和荧光成像能力结合，开发了多功能靶向纳米气泡（PSMA-617-ICG NBs），在多模态成像指导下提升UTND的治疗效果。静脉注射后，PSMA-617-ICG NBs在PSMA阳性肿瘤组织中积聚，并在穿透肿瘤血管内皮后滞留。足够数量的PSMA-617-ICG NBs在超声照射下产生强烈空化效应，导致细胞死亡，同时最大化治疗效果并减少对正常组织的损伤。超声、光声和荧光成像技术的联合应用有助于监测肿瘤组织中的PSMA表达，协助确定肿瘤位置，为靶向治疗提供影像学支持。此外，自噬体形成和自噬体-溶酶体融合的增强表明自噬激活在UTND介导的PCa治疗中起关键作用（见图1）。这种“纳米炸弹”策略旨在实现更有效的肿瘤攻击，有望成为一种非侵入性的前列腺癌治疗新方法。

试剂

1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺（DPPE）、1,2-二棕榈酰-甘油-3-磷酸（DPPA）、1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱（DPPC）和1,2-二棕榈酰-sn-甘油-3-磷酸甘油（DPPG）购自Corden Pharma（瑞士）；1,2-二硬脂酰-sn-甘油-3-磷酸乙醇胺-PEG-2000-生物素（DSPE-PEG2000-Biotin）购自西安瑞曦生物科技有限公司；全氟丙烷气体（C₃F₈）由天津物理化学研究所提供

PSMA-617-ICG NBs的制备与表征

PSMA-617-ICG NBs通过机械振动结合生物素-亲和素方法成功制备。光学显微镜下观察显示，PSMA-617-ICG NBs颗粒大小均匀，无聚集现象；透射电子显微镜下可见这些纳米气泡呈圆形，边界光滑（图1a）。ICG NBs和PSMA-617-ICG NBs的浓度分别为（20.78 ± 7.14）× 10⁹ NBs/mL和（14.63 ± ……）

讨论

本研究利用PSMA的小分子抑制剂制备了PSMA-617-ICG NBs，作为多模态成像剂，在超声照射下实现PSMA的可视化并提升治疗效果。PSMA在PCa细胞膜上高度且特异性地过度表达，其表达水平与肿瘤侵袭性、转移和复发密切相关[20,21]。注射PSMA-617-ICG NBs后……

结论

我们通过将ICG整合到脂质壳中并在其表面附着PSMA-617，制备了多功能靶向纳米气泡（PSMA-617-ICG NBs），这些纳米气泡具有肿瘤靶向性、多模态成像能力和治疗效果。实验结果表明，PSMA-617-ICG NBs在PSMA阳性前列腺癌组织中积聚，在超声照射下产生的强烈空化效应显著增强了治疗效果。

作者贡献声明

尹玲：撰写原始稿件、方法设计、实验实施、数据整理、数据分析。 董勋虎：方法设计、数据整理、数据分析。 张军：方法设计、数据整理、数据分析。 刘登：方法设计、数据整理。 李欣：实验实施、方法设计。 李东：数据整理、数据分析。 陈雪梅：结果验证。 王洛夫：研究监督、撰写与编辑。 邓军：研究监督、撰写与编辑。 郭彦丽：概念提出、研究监督。

资助信息

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：82171956）和重庆市技术创新与应用发展重点项目（项目编号：CSTB2022TIAD-KPX0153）的支持。