类风湿关节炎(RA)是一种隐匿的自身免疫性疾病,症状是对称性疼痛、发红和周围关节肿胀,严重时出现永久性残疾,但是其直接原因尚不清楚。对于常规成像技术,由于灵敏度低和组织穿透能力弱,很难获得完整有效的RA信息。众所周知,NIR-II(1000-1700 nm)光声(PA)分子成像(PMI)是一种新兴的无创诊断策略,在大成像深度下具有高信噪比(SNR)和灵敏度。但是,目前针对RA的NIR-II PMI仍然存在以下挑战:
1)RA关节的组织环境更为复杂,需要更深的成像穿透力;
2)RA关节具有关节腔,需要生物相容性更好的材料,否则易导致更严重的关节损伤。
其中,有机共轭聚合物材料具有NIR-II吸收强、光稳定性高和生物相容性好的优势,是一种有希望的材料。
【成果简介】
基于此,南开大学的丁丹教授、中科院深圳先进技术研究院的刘成波副研究员和张鹏副研究员(共同通讯作者)等人报道了一种新型的NIR-II共轭聚合物纳米探针(PNPs),该纳米探针具有较强的光吸收性、高的光稳定性和良好的生物相容性。将具有RA治疗和靶向性功能的单克隆抗体(mAb)-托珠单抗(tocilizumab, TCZ)(获得FDA批准)与PNPs进行偶联,制备了TCZ-PNPs,进而可以同时对RA靶向、成像和治疗。利用胶原诱导的关节炎(CIA)动物模型进行体内RA的诊断,同时结合设计定制的PA 3D层析成像仪器,发现NIR-II PA分子成像指导的RA治疗,具有高灵敏度、高特异性和SNR。值得注意的是,经过长时间治疗后,使用具有大样本量的TCZ-PNPs(40只小鼠)对RA的治疗和NIR-II 3D PA监测显示出可显着的抑制RA。此外,NIR-II PMI对RA小鼠的治疗评估,与临床微软骨组织(micro-CT)和组织学分析是一致。总之,本文首次展示了使用NIR-II PMI同时进行诊断和治疗RA的实例。
TCZ-PNPs的制备与简单表征
作者合成了一个供体-受体(D-A)型共轭聚合物(PBDTBBT),并通过纳米沉淀法利用两亲性共聚物(1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy-(polyethylene glycol)-2000] (DSPE-PEG2000) DSPE-PEG2000-COOH and DSPE-PEG2000)作为封装剂制备了水溶性PBDTBBT纳米颗粒(PNPs),接着将mAb TCZ与PNPs共价连接获得了TCZ-PNPs。其中,对TCZ的负载率为29.2%。透射电子显微镜(TEM)测定发现TCZ-PNPs为均匀的球形,平均尺寸为190±5.6 nm。此外,TCZ-PNPs在1200 nm(NIR-II)处很强的吸收带。
TCZ-PNPs的NIR-II PA性能
在1064 nm激光辐照下,所有测试浓度下TCZ-PNP的PA信号均高于800和1200 nm下的PA信号。在量化SNR后,在1064 nm下的PA图像显示了高达26.3 dB的SNR,分别比800和1200 nm高6.8和2.3倍。需注意,TCZ-PNPs的PA强度显示出与其浓度呈线性关系,表明其可用于定量分析。在1064 nm下,TCZ-PNPs(12 µg/mL)能以6 mJ cm-2的荧光率清楚的看到其对相应的PA强度。在1064 nm照射4 min后,未观察到PA信号的明显变化,表明TCZ-PNPs具有出色的光稳定性。此外,在连续激光照射(1064 nm)10 min后,TCZ-PNPs没有明显变化,表明其光稳定性极佳。
TCZ-PNPs的NIR-II PMI效果
作者利用NIR-II PMI在RA小鼠模型中评估TCZ-PNPs的体内靶向作用,将9只小鼠平均分为三组:对照组-正常-TCZ-PNPs组、RA模型-PNPs组和RA模型-TCZ-PNPs组。在三个组中,前爪均显示出初始的低PA信号。但是,RA模型-TCZ-PNPs组的PA信号随时间增强,在注射8 h后达到最大PA强度。需注意,在8 h后,RA的PA图像显示出更高的SNR(35.8 dB)。研究发现,NIR-II PA成像不仅可以获取2D最大振幅投影(MAP)PA/超声(US)图像,而且还可以获取层析成像图像-深度分辨B扫描PA/US图像。利用TCZ-PNPs进行3D成像可提供完整的高分辨率图像,有助于准确的RA诊断。
TCZ-PNPs在体内对RA的疗效
作者将20只患有RA的小鼠平均分成四组,每隔一天分别静脉注射生理盐水(200 µL)、TCZ(1 mg kg-1)、PNPs(3.5 mg kg-1)和和TCZ-PNPs(3.5 mg kg-1的PNPs)溶解在200 µL生理盐水中,连续30 d。在MAP PA图所示,正常小鼠在第27 d、第42 d和第57 d显示出非常低的PA信号。但是,对于TCZ-PNPs治疗的小鼠组,第27 d在前爪的关节区域观察到了最初的高PA信号强度,但最终PA信号强度从1.05下降到0.02,接近正常小鼠组的水平,表明TCZ-PNPs对RA有不错的治疗效果。此外,治疗后RA的症状消失,并且前爪的厚度恢复。因此,TCZ-PNPs的NIR-II PMI是一种软骨成像和监测炎症的策略。但是,仍缺乏对炎症细胞因子(白细胞介素-6、白细胞介素-1β等)和C-反应蛋白的生化分析。
正常组没有明显的PA信号,表明TCZ-PNPs在正常小鼠的爪中没有积累。生理盐水和PNPs组出现高PA信号,表明TCZ-PNPs大量积聚在关节中,RA加重。而TCZ组显示相对较低的PA信号,但不能完全缓解炎症。需注意,TCZ-PNPs组显示出最小的PA信号,该水平接近正常组,表明RA被显着抑制。对比正常对照组(1330 mg/cm3),生理盐水处理组在micro-CT成像时,出现严重的骨侵蚀和低的骨矿物质密度(BMD,1021.3 mg/cm3)。TCZ和PNPs组的BMD分别为1093.6和1002.1 mg/cm3。而TCZ-PNPs组的BMD达到1265.2 mg/cm3,接近正常小鼠的水平。该结果表明TCZ-PNPs显着抑制RA,并防止RA介导的骨侵蚀。总之,这些结果表明对比TCZ,TCZ-PNPs具有更高的RA治疗效果,同时TCZ-PNPs具有辅助NIR-II PMI诊断和监测RA治疗的附加功能。
全文链接:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202003399