高效的肾清除率的硫化铜纳米颗粒用于正电子发射断层扫描成像和成像介导光热疗法

Min Zhou,dagger; Junjie Li,dagger; Su Liang,dagger; Anil K. Sood,Dagger;,sect; Dong Liang,^ and Chun Li*,dagger;,sect;

dagger; Department of Cancer Systems Imaging, Dagger; Departments of Gynecologic Oncology amp; Reproductive Medicine and Cancer Biology, andsect; Center for RNA Interference and Non-Coding RNA, The University of Texas MD Anderson Cancer Center, Houston, Texas 77030, United States and ^ Department of Pharmaceutical Sciences, Texas Southern University, Houston, Texas 77004, United States

摘要：纳米粒子(NPs)在临床实践中的转化受到全身给药后 NPs 在健康器官中非特异性积累引起的毒性作用的限制。理想的NPs应该在靶点积累，执行它们的功能，然后最终从体内消除。在这里，我们展示了一个单室、多功能超小硫化铜纳米点(CuS NDs)，可从体内快速清除。这些CuS NDs的直径小于 6nm，能高效吸收近红外光进行光热消融治疗，并稳定地结合⁶⁴Cu放射性同位素进行无创正电子发射断层扫描(PET)。重要的是，约95%的CuS NDs 在24h内通过肾泌尿系统完整排泄，在肝脏和脾脏中的滞留极少。通过PET成像监测，超小CuS NDs 在Balb/c小鼠的4T1肿瘤中蓄积，并在结合近红外光照射时引起肿瘤消融。作为在近红外区域具有峰值吸收的 PET 可见、肾可清除无机纳米材料的第一个例子，CuS NDs 代表了可用于癌症成像和治疗的强大平台。

关键词：肾清除率；CuS纳米点；光热疗法；PET成像；毒性

1 图形概要

纳米颗粒 (NPs) 由于其独特的物理和化学性质，代表了一种很有前途的癌症检测和治疗技术^[1-3]。然而，NPs 的临床应用受到限制，因为大多数具有适用于癌症诊断和治疗的固有理化特性的 NPs 是不可降解的，并且可以在体内长时间保留^[4-6]。在近红外光 (NIR) 区域（700–1100 nm 波长）具有光热效应的 NPs 将 NIR 光转化为热能，使原本良性的光能聚集到肿瘤部位，用于肿瘤细胞的光热消融 (PTA) ^[7-9]。PTA 疗法也可用作常规手术、化学疗法、放射疗法或免疫疗法的辅助疗法^[10]。许多的 NPs 已被研究用于潜在的临床应用，包括各种金纳米结构，如金纳米壳^[11,12]，金纳米棒^[13,14]，金纳米笼^[15,16]，中空金纳米球^[17,18]，碳纳米管^[19,20]，石墨烯^[21,22]，铜基的 NPs^[23–27] 。然而，这些纳米颗粒的 水合动力学直径 (HD) 范围在 10 到 200 nm 之间，最终会在网状内皮系统 (RES) 的器官中积累，例如肝脏和脾脏，并且可以在体内保留一段时间，这引起了人们对不良反应的长期风险的担忧^[28–32]。迄今为止，在 NIR 区域具有峰值吸光度的光热传导纳米颗粒能够快速从体内清除。

全身给药后，NPs 有两种不同的清除途径：通过肝脏清除（进入胆汁）和通过肾脏清除（进入尿液）。由于该过程的快速性，肾脏泌尿途径是可取的。纳米颗粒的尺寸和表面特性是影响清除路径的重要因素。如果针对该途径优化表面电荷，则直径小于 6 nm 的 NPs 可以进行肾脏清除^[33]。然而，由于NIR的有效光热效应的制备方法或结构要求，例如等离子体金属纳米材料的结构各向异性或核壳结构，迄今为止报道的近红外光热偶联剂均未小于 6 nm。事实证明，开发一个稳定的 NPs 平台同时满足实体瘤 PTA 治疗的要求极具挑战性：高的光热转换效率、临床成像可见性和有效的体内清除。在这项实验中，我们解决了这些重要问题，并报导了一种新型的多功能、超小型光热转换剂，聚乙烯吡咯烷酮包埋的 CuS 纳米颗粒（CuS NDs），它在 RES 器官中的非特异性摄取最少，可以有效地通过肾-泌尿系统从体内清除。诸如此类的纳米颗粒可能具有广泛的临床前景和临床意义

2结果

2.1 CuS NDs 的合成、表征和稳定性

我们开发了 CuS NDs 的一步合成工艺，该工艺需要在聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 存在下Cu² 离子与 S^2-离子发生化学反应。为了合成直径小于 6nm 的 CuS NDs，我们系统地研究了 PVP 的分子量和浓度对颗粒形成的影响。我们发现 PVP 包埋的 CuS NPs 的大小与 PVP 分子量和浓度具有函数关系。通过控制这两个变量，我们能够将 CuS NPs 的直径从几纳米调整到几十纳米（支持信息表 S1）。使用分子量为 10 kDa、浓度为 100 mg/mL 的 PVP 合成 CuS NDs，动态光散射结果显示其在水溶液中的平均直径仅为 5.6 nm（图 1a）。用高分辨率透射电子显微镜测量的干燥状态下相应 NDs 的平均直径为 4.3 nm（图 1b）。CuS NDs 的 X 射线光电子能谱测量表明，CuS NDs 由铜和硫组成，铜和硫的摩尔比为 49%：51%。相应的 N 1s、C 1s 和 O 1s 峰则来自于表面的 PVP涂层（支持信息图 S1）。zeta; 电位分析测量结果表明NDs 的表面电荷几乎是中性的（支持信息图 S2）。重要的是，5.6 nm CuS NDs 在约在990 nm 处表现出强烈的 NIR 吸收峰（图 1c）。在功率为 2 W/cm² 的808 nm 连续波 NIR 激光照射下，将 2 OD（光密度 = 100 mu;g/mL）CuS NDs 溶液暴光10 分钟后，溶液温度从 23 ℃升至50 ℃（图 1d）。因此，超小型 CuS NDs 是一种有效的光热偶联剂。这些 NDs 可以被冻干并重新悬浮在水中，并且这种处理不会显著的改变它们的光吸收性能图 1e）。

纳米材料的生理稳定性对其生物医学应用至关重要。我们在 37 ℃下在 PBS（磷酸盐缓冲盐水）和含有 10% 牛胎血清 (FBS) 的 PBS 中孵育 5 天后测量了 NDs 的 UV-vis 光谱和 DLS。在观察期间没有观察到颗粒聚集。UV-vis 分析表明，在两种培养基中，基线和孵育 5 天之间的光谱和吸收强度基本上没有差异。DLS 分析显示基线和孵育 5 天之间 ND 的 HD 几乎没有变化（支持信息图 S3）。这些发现表明 CuS NDs 在这些储存条件下是稳定的。

2.2 放射性标记⁶⁴Cu 到 CuS NDs

使用类似于我们之前报道的用于合成聚乙二醇 (PEG) 涂层的 PEG-[⁶⁴Cu] CuS NPs 的程序实现了铜 64 (⁶⁴Cu) 的放射性标记^[23]。 [⁶⁴Cu]CuS NDs 的结构示意图如图 1f所示。在这里，放射性同位素前体，⁶⁴CuCl₂，是与非放射性前体 CuCl₂ 具有相同的元素成分；⁶⁴Cu 被整合到制备成均匀的 [⁶⁴Cu]CuS NDs 。因此，[⁶⁴Cu]CuS NDs 显示出极高的放射性标记效率。放射薄层色谱法（radio-TLC）显示99%以上的放射性与[⁶⁴Cu]CuS NDs 相关，其保留在原始位置，（图 1g）。在 37 ℃ 下，在 PBS 和 FBS 溶液中孵育2 天后，超过 90% 的放射性与 NDs 相关（图 1h 和支持信息图 S4)。

图 1 CuS NDs 的表征。(a) CuS NDs 的动态光散射分析显示水溶液中的平均直径为 5.6 nm。(b) CuS NDs 的代表性透射电子显微镜图像，显示平均核心直径为 4.3 nm（插图）。(c) CuS NDs 在水溶液 (50 mu; g/mL ) 中的紫外-可见光谱显示在 NIR 区域的吸收峰。(d) 用 808 nm NIR 激光以 2 W/cm²照射 CuS NDs (2 OD) 水溶液中的温度随时间变化10 分钟。插图：激光照射开始 10 分钟后 ND 溶液的红外热图像。（e）CuS NDs 在冻干前（original”）和冻干之后（“resuspended”）的紫外可见光谱。插图：冻干前后 ND 水溶液和冻干 CuS NDs 粉末的照片。(f) [⁶⁴Cu]CuS NDs 的结构示意图和 (g) 放射性标记效率。(h) [⁶⁴Cu]CuS NDs 的放射性标记稳定性，在 [⁶⁴Cu] CuS NDs 在磷酸盐缓冲盐水中在 37 ℃ 下孵育 2 天后，超过 90% 的放射性与 NDs 相关。

2.3 CuS NDs 的药代动力学、生物分布和 PET/CT 成像

为了研究 PVP 包埋的 CuS NPs 的大小如何影响它们的体内行为，我们比较了 5.6 nm [⁶⁴Cu] CuS NDs 和 19 nm [⁶⁴Cu] CuS NPs 在雌性 Swiss 小鼠 中的药代动力学。根据表 1 中总结的条件合成了19 nm [⁶⁴Cu]CuS NPs 。如图 2a，单次静脉注射 (i.v) 后两种类型 NPs 的血液浓度 - 时间曲线显示双指数分布。因此，

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[598103]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word