類風濕關節(jié)炎(RA)是一種隱匿的自身免疫性疾病,癥狀是對稱性疼痛、發(fā)紅和周圍關節(jié)腫脹,嚴重時出現(xiàn)永久性殘疾,但是其直接原因尚不清楚。對于常規(guī)成像技術,由于靈敏度低和組織穿透能力弱,很難獲得完整有效的RA信息。眾所周知,NIR-II(1000-1700 nm)光聲(PA)分子成像(PMI)是一種新興的無創(chuàng)診斷策略,在大成像深度下具有高信噪比(SNR)和靈敏度。但是,目前針對RA的NIR-II PMI仍然存在以下挑戰(zhàn):

1)RA關節(jié)的組織環(huán)境更為復雜,需要更深的成像穿透力;

2)RA關節(jié)具有關節(jié)腔,需要生物相容性更好的材料,否則易導致更嚴重的關節(jié)損傷。

其中,有機共軛聚合物材料具有NIR-II吸收強、光穩(wěn)定性高和生物相容性好的優(yōu)勢,是一種有希望的材料。

南開大學丁丹教授《AM》:首創(chuàng)!有機共軛聚合物結合藥物對類風濕關節(jié)炎(RA)進行高效的NIR-II PA成像和治療

【成果簡介】

基于此,南開大學的丁丹教授、中科院深圳先進技術研究院的劉成波副研究員和張鵬副研究員(共同通訊作者)等人報道了一種新型的NIR-II共軛聚合物納米探針(PNPs),該納米探針具有較強的光吸收性、高的光穩(wěn)定性和良好的生物相容性。將具有RA治療和靶向性功能的單克隆抗體(mAb)-托珠單抗(tocilizumab, TCZ)(獲得FDA批準)與PNPs進行偶聯(lián),制備了TCZ-PNPs,進而可以同時對RA靶向、成像和治療。利用膠原誘導的關節(jié)炎(CIA)動物模型進行體內RA的診斷,同時結合設計定制的PA 3D層析成像儀器,發(fā)現(xiàn)NIR-II PA分子成像指導的RA治療,具有高靈敏度、高特異性和SNR。值得注意的是,經(jīng)過長時間治療后,使用具有大樣本量的TCZ-PNPs(40只小鼠)對RA的治療和NIR-II 3D PA監(jiān)測顯示出可顯著的抑制RA。此外,NIR-II PMI對RA小鼠的治療評估,與臨床微軟骨組織(micro-CT)和組織學分析是一致。總之,本文首次展示了使用NIR-II PMI同時進行診斷和治療RA的實例。

TCZ-PNPs的制備與簡單表征

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圖1、TCZ-PNPs的制備和作用示意圖

 

作者合成了一個供體-受體(D-A)型共軛聚合物(PBDTBBT),并通過納米沉淀法利用兩親性共聚物(1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[methoxy-(polyethylene glycol)-2000] (DSPE-PEG2000) DSPE-PEG2000-COOH and DSPE-PEG2000)作為封裝劑制備了水溶性PBDTBBT納米顆粒(PNPs),接著將mAb TCZ與PNPs共價連接獲得了TCZ-PNPs。其中,對TCZ的負載率為29.2%。透射電子顯微鏡(TEM)測定發(fā)現(xiàn)TCZ-PNPs為均勻的球形,平均尺寸為190±5.6 nm。此外,TCZ-PNPs在1200 nm(NIR-II)處很強的吸收帶。

TCZ-PNPs的NIR-II PA性能

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圖2、TCZ-PNP的NIR-II?PA特性

 

在1064 nm激光輻照下,所有測試濃度下TCZ-PNP的PA信號均高于800和1200 nm下的PA信號。在量化SNR后,在1064 nm下的PA圖像顯示了高達26.3 dB的SNR,分別比800和1200 nm高6.8和2.3倍。需注意,TCZ-PNPs的PA強度顯示出與其濃度呈線性關系,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的熒光率清楚的看到其對相應的PA強度。在1064 nm照射4 min后,未觀察到PA信號的明顯變化,表明TCZ-PNPs具有出色的光穩(wěn)定性。此外,在連續(xù)激光照射(1064 nm)10 min后,TCZ-PNPs沒有明顯變化,表明其光穩(wěn)定性極佳。

TCZ-PNPs的NIR-II?PMI效果

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圖3、TCZ-PNPs的成像效果

 

作者利用NIR-II PMI在RA小鼠模型中評估TCZ-PNPs的體內靶向作用,將9只小鼠平均分為三組:對照組-正常-TCZ-PNPs組、RA模型-PNPs組和RA模型-TCZ-PNPs組。在三個組中,前爪均顯示出初始的低PA信號。但是,RA模型-TCZ-PNPs組的PA信號隨時間增強,在注射8 h后達到最大PA強度。需注意,在8 h后,RA的PA圖像顯示出更高的SNR(35.8 dB)。研究發(fā)現(xiàn),NIR-II PA成像不僅可以獲取2D最大振幅投影(MAP)PA/超聲(US)圖像,而且還可以獲取層析成像圖像-深度分辨B掃描PA/US圖像。利用TCZ-PNPs進行3D成像可提供完整的高分辨率圖像,有助于準確的RA診斷。

TCZ-PNPs在體內對RA的療效

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圖4、在體內,對RA的PMI治療監(jiān)測

 

作者將20只患有RA的小鼠平均分成四組,每隔一天分別靜脈注射生理鹽水(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生理鹽水中,連續(xù)30 d。在MAP PA圖所示,正常小鼠在第27 d、第42 d和第57 d顯示出非常低的PA信號。但是,對于TCZ-PNPs治療的小鼠組,第27 d在前爪的關節(jié)區(qū)域觀察到了最初的高PA信號強度,但最終PA信號強度從1.05下降到0.02,接近正常小鼠組的水平,表明TCZ-PNPs對RA有不錯的治療效果。此外,治療后RA的癥狀消失,并且前爪的厚度恢復。因此,TCZ-PNPs的NIR-II PMI是一種軟骨成像和監(jiān)測炎癥的策略。但是,仍缺乏對炎癥細胞因子(白細胞介素-6、白細胞介素-1β等)和C-反應蛋白的生化分析。

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圖5、組織分析,判斷TCZ-PNPs的療效

 

正常組沒有明顯的PA信號,表明TCZ-PNPs在正常小鼠的爪中沒有積累。生理鹽水和PNPs組出現(xiàn)高PA信號,表明TCZ-PNPs大量積聚在關節(jié)中,RA加重。而TCZ組顯示相對較低的PA信號,但不能完全緩解炎癥。需注意,TCZ-PNPs組顯示出最小的PA信號,該水平接近正常組,表明RA被顯著抑制。對比正常對照組(1330 mg/cm3),生理鹽水處理組在micro-CT成像時,出現(xiàn)嚴重的骨侵蝕和低的骨礦物質密度(BMD,1021.3?mg/cm3)。TCZ和PNPs組的BMD分別為1093.6和1002.1 mg/cm3。而TCZ-PNPs組的BMD達到1265.2 mg/cm3,接近正常小鼠的水平。該結果表明TCZ-PNPs顯著抑制RA,并防止RA介導的骨侵蝕。總之,這些結果表明對比TCZ,TCZ-PNPs具有更高的RA治療效果,同時TCZ-PNPs具有輔助NIR-II PMI診斷和監(jiān)測RA治療的附加功能。

全文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202003399

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