《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Bimodal silica nanoparticles co-doped with Mn2+
and Ru2+
complexes, variously conjugated with folates, for targeting cells and high hydrophilicity
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本研究通过共掺杂Mn2?和[Ru(dipy)?]2?复合物，成功制备出具有双模特性的氨基修饰二氧化硅纳米颗粒（SNs），其发射峰位于612 nm，弛豫率r?(2)为17.7(30.3) mM?1s?1。表面修饰（如BSA和PEG）显著影响SNs的靶向效率和细胞摄取动力学，发现BSA预涂层增强靶向性但延缓摄取，而PEGyl化加速摄取但降低靶向效果，验证了非共价表面修饰对纳米颗粒行为调控的有效性。
奥尔加·博奇科娃（Olga Bochkova）|阿纳斯塔西娅·贝比亚基娜（Anastasiya Bebyakina）|阿列克谢·斯捷潘诺夫（Alexey Stepanov）|蒂穆尔·哈伊布林（Timur Khaybullin）|丹尼尔·斯梅卡洛夫（Daniil Smekalov）|布拉特·法伊祖林（Bulat Faizullin）|亚历山德拉·沃洛希娜（Alexandra Voloshina）|安娜·卢比纳（Anna Lubina）|基里尔·霍林（Kirill Kholin）|伊雷克·尼扎梅耶夫（Irek Nizameev）|艾拉特·哈马特加利莫夫（Ayrat Khamatgalimov）|马克西姆·博奇科夫（Maxim Bochkov）|欧内斯特·卡拉林（Ernest Karalin）|阿西亚·穆斯塔菲娜（Asiya Mustafina）
俄罗斯科学院喀山科学中心A.E.阿尔布佐夫有机与物理化学研究所，阿尔布佐夫街8号，喀山420088，俄罗斯
摘要
通过将Mn2?草酸盐和[Ru(dipy)?]2?复合体共掺杂到氨基修饰的二氧化硅纳米颗粒（SNs）中，实现了其双模特性。这种双模性表现为在612纳米处具有最大发射峰的发射带，以及r?(2)松弛率为17.7(30.3) mM?1 s?1。在合成过程中逐步引入这些掺杂剂可以增加锰的含量，并由于阳离子复合体与草酸盐之间的静电吸引作用而减少Mn2?离子的渗出。叶酸通过氨基基团的共轭作用不仅提高了纳米颗粒的有效靶向性，还增强了它们在细胞内的移动性。蛋白质冠层（PC）的形成在这些共轭纳米颗粒的细胞摄取过程中起着关键作用，因此用牛血清白蛋白（BSA）对它们进行预涂层处理会影响其靶向性和移动性。为了寻找靶向性与移动性之间的平衡，研究人员通过表面吸附F127或PEG-300对叶酸共轭的纳米颗粒进行了PEG化处理；另一种方法是未共轭纳米颗粒上先涂覆F127后再进行PEG化处理。当叶酸共轭纳米颗粒预先涂覆BSA时，在更多癌细胞中观察到了更明显的靶向效果。然而，这种预涂层会减缓细胞对这些纳米颗粒的摄取速度，而PEG化则能加速细胞摄取，尽管它降低了纳米颗粒的靶向效果。所有这些结果表明，对叶酸共轭和未共轭的氨基修饰锰掺杂二氧化硅纳米颗粒进行非共价表面修饰是控制其移动性和靶向性的有效方法。
引言
靶向对比效应被认为是提高MRI诊断效率的一种有前景的方法。与钆基造影剂相比，锰基造影剂具有更高的生物相容性，尽管Mn2?复合体的零场分裂贡献较低、稳定性较差以及热力学稳定性较低等缺点被认为是其局限性[1][2][3]。将Mn2?分子复合体结合到亲水性纳米颗粒中可以克服上述一些局限性。此外，核壳纳米颗粒的结构便于在颗粒表面结合多种生物分子，从而有助于提高其靶向性[2][4][5][6]。然而，靶向效率可能受到多种因素的影响，这些因素可以通过体外和体内研究来识别。体外研究揭示了纳米颗粒靶向细胞的效率。这类研究先于体内研究，因为纳米颗粒在体内的相互作用还可能受到“增强渗透性和保留”（EPR）以及“主动运输和保留”（ATR）效应的影响[7][8]。
为了确定影响纳米颗粒-细胞相互作用水平的因素，必须将靶向造影剂与荧光团结合，这是一项复杂的任务。二氧化硅纳米颗粒（SNs）提供了独特的机遇，可以在每个颗粒中结合具有不同功能的纳米级或分子级组分，这一点已经通过结合顺磁性和发光组分得到了验证[9][10][11][12][13][14]。SNs的另一个优点是它们可以通过表面基团轻松与生物分子共轭，从而确保它们能够结合到癌细胞膜上的受体上[14][15][16][17][18][19][20][21][22][23][24][25]。通过表面氨基基团将SNs与叶酸共轭是一种众所周知的策略，可以加速它们被各种癌细胞的摄取[24]。
显然，负载Mn2?的SNs应同时具备高T?加权对比度，并且能够通过一步合成方法轻松制备。值得注意的是，利用水包油微乳法用Mn2?配位化合物加载SNs被认为是一种满足这些要求的有前景的方法[13][24][25]。锰离子在SNs外层的定位显著增强了它们的T?加权对比度，这通常通过纵向松弛率（r?）来衡量[13][25][26]。这与已知趋势一致，即包含在纳米颗粒中的Mn2?离子需要有效水合才能获得高松弛率[27]。先前的研究表明，SNs外层存在草酸锰会提高松弛率，但在这些SNs进行氨基修饰后这种效果会减弱[25]。本研究表明，在SNs中结合发光[Ru(dipy)?]2?复合体和顺磁性草酸锰复合体是一种实现双重顺磁-发光模式和足够松弛率的有前景的方法，即使对于氨基修饰的SNs及其叶酸共轭类似物也是如此。这一发现与文献中的趋势一致，即SNs内不同离子掺杂剂的相互作用可能导致协同或拮抗效应[7][21][22]。这是由于当离子在二氧化硅微孔的有限空间内被捕获时，带有相反电荷的离子之间的静电吸引力增强所致[7][23]。
由于氨基修饰的SNs在与叶酸共轭后仍会显著聚集，因此用血清白蛋白预涂层处理这些共轭SNs是一种常用的方法，以便于对其进行操控[13][24][25]。然而，由于SNs在培养基中容易形成蛋白质冠层（PC），这也引起了关注。由于PC的形成可能会促进单核吞噬系统对纳米颗粒的摄取并限制其靶向性[28][29]，因此对纳米颗粒表面进行PEG化处理是一种有效的方法，可以限制PC的形成、提高胶体稳定性并延长其在血液中的寿命[28][30][31][32][33][34][35]。本研究表明，PEG-300和F127分子在表面氨基/铵基团上的强吸附会导致形成在培养基中保持完整的PEG化外层。值得注意的是，将PEG化与叶酸的靶向效果结合起来具有挑战性，因为PEG链可能会阻塞叶酸[36]。尽管有一些关于叶酸共轭PEG化二氧化硅纳米颗粒的细胞依赖性靶向的成功案例[37][38]，但这并不能完全解决这个问题。因此，本研究展示了在双模纳米颗粒表面进行PEG化和叶酸共轭的两种不同途径，并在图1中进行了示意图说明。
利用基于[Ru(dipy)?]2?([Ru])复合体发射特性的流式细胞术评估了含叶酸的双模纳米颗粒及其BSA涂层类似物以及各种PEG化类似物的靶向效果。对这些效果的比较分析揭示了BSA和PEG化分别对表面叶酸靶向性的协同和拮抗作用。
商业化学品Triton X-100（98%）、四乙基正硅酸盐（TEOS）98%、氢氧化铵（28–30%）、正庚醇98%、环己烷99%、丙酮99%、乙醇99.5%、3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）99%、1,1'-羰基二咪唑（CDI）、β-丙氨酸和荧光胺均购自Acros Organics。Mn(NO?)?·4H?O、叶酸（FA）≥97%、1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺（EDAC）99%、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）98%、草酸钾一水合物99%均购自其他供应商。
众所周知，静电吸引在二氧化硅纳米颗粒捕获离子物种过程中起着重要作用。因此，之前发表的一种用于合成负载草酸锰（MnOX）的氨基修饰SNs的微乳法[25]被改进为在沉积草酸盐和Mn2?离子之前对二氧化硅纳米颗粒表面进行正电荷处理，如图2a所示。
总之，本研究表明，当Mn2?与草酸盐和[Ru(dipy)?]2?复合体一起掺入SNs的外层时，发光[Ru(dipy)?]2?复合体作为共掺杂剂具有协同效应。这种共掺杂SNs的另一个优点是在最终合成步骤中进行氨基修饰后，它们具有双模对比度和较低的两种掺杂剂的渗出率。
这些双模纳米颗粒的表面氨基基团允许进行共价共轭。
本工作得到了俄罗斯科学基金会（项目编号22-13-00010-П）的支持。
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
数据可应要求提供。
伊雷克·尼扎梅耶夫（Irek Nizameev）：研究工作。
艾拉特·哈马特加利莫夫（Ayrat Khamatgalimov）：数据可视化与分析。
奥尔加·博奇科娃（Olga Bochkova）：撰写、审稿与编辑、研究工作。
布拉特·法伊祖林（Bulat Faizullin）：研究工作。
亚历山德拉·沃洛希娜（Alexandra Voloshina）：研究工作。
安娜·卢比纳（Anna Lubina）：研究工作。
基里尔·霍林（Kirill Kholin）：研究工作。
欧内斯特·卡拉林（Ernest Karalin）：研究工作。
阿纳斯塔西娅·贝比亚基娜（Anastasiya Bebyakina）：撰写、审稿与编辑、数据可视化、研究工作。
阿西亚·穆斯塔菲娜（Asiya Mustafina）：撰写、审稿与编辑、研究指导与概念设计。
阿列克谢·斯捷潘诺夫（Alexey Stepanov）：研究工作。
蒂穆尔（Timur）：其他辅助工作。
作者衷心感谢俄罗斯科学院喀山科学中心指定的光谱分析中心提供了进行物理化学测量所需的设施。
