用于癌症磁共振成像、光热及光动力治疗的混合纳米晶诊疗剂设计

《Nano Select》：Hybrid Nanocrystalline Theranostic Agents Designed for Magnetic Resonance Imaging, Photothermal, and Photodynamic Therapies Against Cancer

　　

光动力治疗(PDT)是一种前景广阔、高效且非侵入性的浅表癌症治疗手段，其利用诱导光照射的光敏剂(PS)产生的活性氧(ROS)诱发癌细胞死亡。光热治疗(PTT)则依赖光照射的PS产热实现有效的肿瘤热疗。两种疗法单独应用时均存在局限性，而将PDT与PTT联用的协同策略可克服这些不足。原卟啉IX(PpIX)是一种高效且广泛应用的PDT光敏剂，但其分子形式存在显著生物药剂学缺陷，如高疏水性，限制了实际应用。针对这一问题，研究人员制备了稳定的PS纳米晶悬浮液，相比游离药物溶液，其具备纳米药物的预期优势：更高的活性药物负载量、在肿瘤微环境中被动富集的可能、外源性触发后表观溶解度提升，从而在纳米晶可控溶解后增强治疗效果。研究人员成功制备了PpIX纳米晶(PpIX–NC，粒径124.5±0.5 nm)，并设计了由PpIX纳米晶与铁氧化物组成的新型纳米诊疗系统(PpIX–NC–IO，粒径195.1±11.5 nm/25.6±2.0 nm)，可通过红外荧光与磁共振成像(MRI)实现治疗纳米系统在微观至宏观层面的生物分布监测，这一有机/无机杂化全合一诊疗纳米系统集成了PDT与PTT特性，同时具备光学与MRI T2成像能力，可用于影像引导治疗。体外研究显示，645 nm照射(2.5 mW/cm2)下，PpIX–NC与PpIX–NC–IO系统均表现出显著的ROS生成能力，对CT26结肠肿瘤细胞系的IC50值为0.56 μM，对3T3参考细胞系的IC50值为6.2 μM；此外，PpIX–NC–IO系统在808 nm照射下的光热转换效率高达η=87%，可用于PTT；同时MRI结果显示，该系统的r2弛豫率高达214 mM?1s?1（7 T条件下），表明其具备MRI成像应用潜力。综上，PpIX纳米晶-铁氧化物杂化系统有望作为一种新型纳米诊疗剂，实现协同PDT与PTT治疗，同时为生物医学应用提供磁共振成像支持。

这篇发表于《Nano Select》的研究聚焦癌症治疗中光动力治疗(PDT)与光热治疗(PTT)的协同应用瓶颈，针对经典光敏剂原卟啉IX(PpIX)的高疏水性缺陷，开发了兼具磁共振成像(MRI)功能的有机/无机杂化纳米晶诊疗系统，系统验证了其在肿瘤诊疗中的应用潜力。

研究背景方面，2020年全球癌症新发病例达1810万，死亡病例1000万，现有放疗、化疗等手段常因损伤正常组织引发严重副作用，亟需开发精准局部治疗策略。PDT通过光敏剂受激产生活性氧(ROS)杀伤肿瘤，具有选择性高、微创的优势，但多数卟啉类光敏剂疏水性强，限制生物应用；PTT通过光热转换剂将光能转为热能消融肿瘤，但高温易损伤周围组织，温和热疗疗效有限。二者联用可互补优势，但传统载体如脂质体存在药物泄漏、稳定性差的问题，纳米晶药物因高载药量、无载体毒性、可控释放的特性成为理想替代方案。此外，整合成像功能可实现治疗过程的实时监测，铁氧化物(IO)是成熟的MRI T₂对比剂，将其与PpIX纳米晶结合可构建多功能诊疗平台。

关键技术方法上，研究采用溶剂/反溶剂法制备PpIX纳米晶，通过优化搅拌速率、药物/稳定剂比例筛选最佳工艺；测试两种铁氧化物复合策略（结晶前添加与结晶后添加），通过动态光散射(DLS)与透射电镜(TEM)表征粒径与形貌；采用紫外-可见光谱与荧光光谱分析光学特性；通过DPBF、DHR123等探针检测溶液中ROS生成类型与持续性；在7 T磁场下测定MRI弛豫率；利用808 nm激光评估光热转换效率与稳定性；通过共聚焦显微镜与电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分析CT26肿瘤细胞和NIH-3T3非肿瘤细胞的摄取差异；采用DCFH-DA探针检测细胞内ROS生成；通过细胞活力实验与7-AAD死细胞染色评估单独及联合光照下的治疗效果。

研究结果部分，首先，合成与表征显示：采用四氢呋喃(THF)为溶剂、650 rpm搅拌、PpIX/泊洛沙姆F127质量比0.5的配方可制备均一PpIX–NC，结晶前添加铁氧化物的策略所得产物均一性更优（PDI=0.4），最终PpIX–NC粒径124.5±0.5 nm，PpIX–NC–IO呈双峰分布（游离IO约24.6 nm，杂化颗粒约195.1 nm），4℃储存3个月粒径与多分散指数无明显变化，稳定性良好。其次，光学特性与ROS生成研究显示：PpIX–NC与PpIX–NC–IO保留PpIX的特征吸收峰，645 nm激发下无明显荧光，能量更多用于ROS或产热；两种体系在645 nm照射下均可持续生成ROS，且能同时产生单线态氧(¹O₂)与超氧阴离子自由基(O₂^•?)。第三，MRI性能显示：PpIX–NC–IO的r₂弛豫率达214±5 mM^?1s^?1，较单一铁氧化物提升22%，r₂/r₁比值达178.3，是典型的T₂型对比剂。第四，光热性能显示：PpIX–NC–IO的光热转换效率随铁氧化物浓度升高从59%增至87%，808 nm、2 W/cm²照射10分钟升温可达38.6℃，且经5次开-关循环后仍保持稳定。第五，细胞实验显示：CT26细胞对PpIX–NC与PpIX–NC–IO的摄取效率显著高于NIH-3T3细胞，ICP-MS定量证实肿瘤细胞内铁含量是非肿瘤细胞的3倍；细胞内ROS生成能力与游离PpIX相当；暗毒性实验中，PpIX–NC对CT26细胞的IC₅₀为6.22 μM，是对非肿瘤细胞的2倍，安全性良好；光毒性实验中，645 nm照射下PpIX–NC的IC₅₀降至0.56 μM，优于游离PpIX；联合645 nm与808 nm照射时，PpIX–NC–IO诱导的细胞死亡率显著高于单独PDT或PTT，证实协同效应。

讨论与结论部分，研究人员指出，该杂化系统通过纳米晶形式解决了PpIX的疏水性问题，避免了脂质体的药物泄漏风险，载药量可达90%–100%，远高于传统载体的5%–10%；铁氧化物的引入赋予其MRI成像与PTT功能，实现了“荧光成像-MRI- PDT-PTT”四合一的诊疗一体化。结论明确：优化的溶剂/反溶剂法可制备产率63.5%的稳定PpIX纳米晶，与铁氧化物复合后粒径约195 nm，兼具高效ROS生成能力（645 nm照射）与光热转换效率（最高87%），对肿瘤细胞的选择性摄取与杀伤效果显著，r₂弛豫率达214 mM^?1s^?1，可作为潜在的影像引导协同治疗纳米诊疗剂，为疏水性光敏剂的临床应用提供了简便、低成本的解决方案。