沈折玉/陈小元/吴爱国/范文培: 用于高对比度磁共振成像和肿瘤特异性化疗的具有智能孔道开关的中空介孔有机硅纳米粒

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中空介孔有机硅纳米粒（HMONs）带有内腔的空心结构为药物包封提供了更大的空间，被广泛认为是一种有良好前景的药物载体，但负载的小分子治疗药物也很容易从HMONs中提早泄漏，导致药物装载率（DLC）显着降低，并且在血液循环过程中容易释放，对正常组织和细胞产生不必要的毒副作用。因此，急需开发出一种智能的孔道封堵策略，以防止药物从HMONs介孔孔道泄漏，最大限度地提高其DLC。此外，孔道封堵物（“守门员”）最好具备成像功能，有利于肿瘤位置的定位和药物释放的监测。

鉴于此，南方医科大学沈折玉教授、新加坡国立大学陈小元教授、中国科学院宁波材料技术与工程研究所吴爱国研究员和中国药科大学范文培教授率先使用具有磁共振成像(MRI)功能的核/壳Fe₃O₄/Gd₂O₃复核纳米粒(FG)作为“守门员”来封堵粒径小于50 nm HMONs的孔道，以优化药物递送和肿瘤特异性药物释放。在将化疗药物阿霉素（DOX）充分封装到HMONs的腔内后，将FG通过静电和氢键作用稳定锚定在孔壁上，并在HMONs表面偶联具有肿瘤主动靶向功能的RGD二聚体（R2），以构建D@HMON@FG@R2，实现了高对比度MRI功能与高效化疗的集成。该研究成果以“Intelligent Pore Switch of Hollow Mesoporous Organosilica Nanoparticles for High Contrast Magnetic Resonance Imaging and Tumor-Specific Chemotherapy”为题发表在Nano Letters (DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03130)。

通过“化学同源”原理制得具有良好水相分散性的HMONs（< 50 nm），并通过简单地调整有机二氧化硅前体与无机硅前体（BTES/TEOS = 0.5，1和2）的比例，实现了HMONs的孔径（3.4 nm，4.8 nm和5.7 nm）的精准调节，以匹配通过一锅湿化学法制得的FG NPs的粒径（图1）。

图1 不同介孔大小的HMONs1-3的制备与表征

由于FG的粒径（4.7 nm）与HMON2（4.8 nm）的孔径最为匹配，FG可以有效阻塞孔道并防止DOX从HMON2中泄漏。经过5次洗涤后，D1@HMON2@FG3仍具有20.4%的DOX装载率，远高于先前文献报道的结果（8.9%）。TEM结果显示，D1@HMON2@FG3表面看起来很暗，没有可见的空腔结构，并且在其能量色散X射线光谱（EDS，图 2）中可以清楚地看到 Fe/Gd 峰，表明FG稳定存在于HMON介孔中。

图2 D@HMON1-3@FG的制备与表征

D1@HMON2@FG3@R2纳米粒能响应GSH降解，随着孵育时间从0天增加到7天，纵向弛豫率r1值从13.0增加到19.3 mM^-1s^-1，r₂/r₁比值从19.01减少到6.99（图3）。GSH孵育前后r₁值和r₂/r₁比值的巨大变化表明D1@HMON2@FG3@R2可使正常组织变暗并使肿瘤（具有高GSH）变亮，有助于肿瘤的高对比度MRI。

图3 D1@HMON2@FG3@R2响应GSH的降解及对应的体外弛豫率评价结果

U87MG 和 HBEC-5i细胞的摄取结果如图4a所示，整合素αvβ3阳性表达的U87MG细胞具有显着的D1@HMON2@FG3@R2摄取。相反，整合素αvβ3阴性的HBEC-5i细胞对D1@HMON2@FG3@R2的摄取非常少。U87MG细胞的生物TEM图像（图 4b）进一步证实了U87MG细胞对D1@HMON2@FG3@R2的大量摄取。另外，HMON2@FG3@R2在没有DOX负载的情况下具有良好的生物相容性（图 4c）。GSH预培养的D1@HMON2@FG3@R2的细胞毒性远高于没有GSH预培养的组（**P < 0.01，***P < 0.001），这证明了D1@HMON2@FG3@R2的GSH响应性生物降解导致大量DOX释放，以有效杀死癌细胞。

图4 U87MG或HBEC-5i细胞对D1@HMON2@FG3@R2的摄取评价及其对细胞的杀伤效果

U87MG荷瘤小鼠尾静脉注射D1@HMON2@FG3@R2（Gd剂量为5.0 mg/kg）的MR图像中肿瘤MRI信号增强并在48 h到达峰值（图 5a-d），但肝脏MRI信号减弱（图 5e-h），定量分析结果表明，肿瘤的ΔSNR最高为283 ± 33%，肝脏的最低ΔSNR为-176 ± 26%（图 5i，j），揭示了肿瘤与正常组织之间的高对比度MRI结果。另外，体内治疗结果表明D1@HMON2@FG3@R2能有效抑制肿瘤生长，而对正常组织的毒副作用很小。

图5 实验小鼠体内的MR成像结果及体内的治疗评价

这项工作发展了一种简便的具有智能孔道开关的中空介孔有机硅纳米颗粒用于高对比度磁共振成像和肿瘤特异性化疗。体外和体内结果表明，D1@HMON2@FG3@R2中聚集的FG可使正常组织和细胞变暗，并且由于还原性TME触发的HMON降解而释放的FG可以使肿瘤变亮。更重要的是，还原性TME响应性释放足够的DOX可以实现高效的肿瘤特异性化疗，对正常组织的副作用极低，在肿瘤的MRI成像及治疗方面具有良好的应用前景。

南方医科大学黄林博士和南方医院冯捷医生是该论文的共同第一作者，南方医科大学沈折玉教授、新加坡国立大学陈小元教授、中国科学院宁波材料技术与工程研究所吴爱国研究员和中国药科大学范文培教授是共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金和广州市重点研发计划等项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03130

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