以光之名，让炎症无处遁形！这种新型纳米发光材料，会成为治疗多种急慢性病的关键克星嘛？

研究背景

炎症和氧化应激与许多急/慢性疾病的发生和发展密切相关，如急性肝/肺损伤、心血管疾病、炎症性肠病等。因此，对炎症和氧化应激的精确和动态成像可以加深对许多疾病的分子和细胞机制的理解，为相关疾病的预防和治疗提供新的见解，并促进高通量和高含量的体内药物筛选和开发。尽管有大量的发光材料被设计出来响应炎症细胞中过表达的活性氧（ROS），但其仍存在发光波长的可调性较差、发光时间较短和难降解等问题。在局部或全身使用这些难降解的材料可能会引起不良影响，如启动炎症反应或引起一定程度的氧化应激，从而可能导致发光成像中的伪影。因此，研发新型的发光纳米材料用于检测炎症和氧化应激仍是十分必要的。

工作介绍

近日，中国人民解放军第三军医大学张建祥教授和罗高兴教授团队以维生素E（Vitamin E, VE）为原料，新合成了一种过氧草酸酯类化合物，通过将该VE衍生物（OVE）与不同荧光染料结合，实现了波长可调和长持续发光，成功实现了对多种炎症模型和肿瘤模型的监测，且该材料具有良好的生物相容性和安全性。

1. 通过乙二酰氯与VE的偶联反应合成了OVE，并通过两亲性聚合物DSPE-PEG将OVE与不同荧光染料结合，形成纳米粒子。

2. 合成的OVE可由H₂O₂触发形成具有高能量的中间体，该中间体并不稳定会将其能量传递给荧光染料，从而点亮其荧光。利用该特性，可实现对多种与炎症和氧化应激相关的不同疾病的成像。

3. H₂O₂同时可以引起OVE的降解，产生的VE作为天然维生素具有良好的安全性。

Scheme 1. 用于炎症和氧化应激相关疾病

实时发光成像的原理图

该工作发表在Small上，IF=11.459。

研究思路

论文导读

Figure 1. 不同OVE/荧光染料体系

在有机溶剂中的发光性能

H₂O₂可以有效触发该体系的发光，OVE经H₂O₂诱导产生的中间体可以将能量传递给不同的荧光染料（波长从蓝光至近红外），从而点亮染料的荧光。该发光强度与H₂O₂的浓度有关，且在加入H₂O₂后的5 min内该体系仍能保持显著的发光（Figure. 1）。以上结果表明，H₂O₂触发的OVE可以有效激发不同的荧光染料产生波长可调核范围较宽的发光。

Figure 2. 不同发光纳米探针的物理化学性质

及发光性质的表征

采用水包油（O/W）纳米乳溶剂蒸发法制备了OVE纳米颗粒，两亲性聚合物DSPE–PEG用于包覆OVE与荧光染料形成DPA/OVE、BPEA/OVE和SR/OVE等纳米颗粒（Figure. 2a-c）。以BPEA/OVE纳米颗粒（BPEA/OVE NP）为例，加入H₂O₂后在20 min内仍能保持显著的发光，且该发光与H₂O₂浓度相关，随着曝光时间的延长，其发光寿命超过4 h（Figure. 2d-f）。同样，发光成像显示了该纳米颗粒的发光时间与BPEA/OVE浓度和H₂O₂浓度密切相关 (Figure. 2g-j)。随着BPEA负载含量的增加，更多的荧光分子可被OVE的活性中间体激发，从而导致发光信号显著增强（Figure. 2k）。该体系的发光对H₂O₂具有良好的响应，除了ClO⁻ 和¹O₂外，其他的一些活性氧和活性氮并不会对该体系的发光造成较大的影响（Figure. 2l-m）。对于另一种SR/OVE NP，在不同浓度的H₂O₂或SR/OVE NP下，同样也可以检测到长时间持续发光（Figure. 2n-p），这可能是由于OVE NP在H₂O₂存在下的缓慢水解和荧光染料的持续释放造成的。

Figure 3. BPEA/OVE NP对炎症细胞的体外成像

以中性粒细胞和巨噬细胞（RAW264.7）为模型，负载Cy5的OVE NP（Cy5/OVE NP）在20 min后能够内化到中性粒细胞中，展现出明亮的荧光（Figure. 3a-b）。在RAW264.7细胞中可以观察到同样的结果，在30 min后可以被RAW264.7细胞摄取（Figure. 3c-d）。进一步考察了不同的纳米探针在中性粒细胞和巨噬细胞中的体外发光能力，在中性粒细胞数量恒定的情况下，孵育1 h后 BPEA/OVE NP出现明显的发光信号，其信号强度与BPEA/OVE NP浓度成线性关系（Figure. 3e），随着中性粒细胞数量的增加，同样也可以检测到显著增强的发光强度（Figure. 3f）。同样的，在巨噬细胞体外模型中得到了相似的实验结果（Figure. 3g-h），且PMA激活的中性粒细胞和巨噬细胞中有较高水平的ROS表达（Figure. 3i-j），这与发光成像的结果一致。

Figure 4. BPEA/OVE NP和Cy5/OVE NP探针

对腹膜炎的成像研究

通过腹腔注射巯基乙酸诱导小鼠急性腹膜炎模型，刺激后6 h，疾病小鼠的典型炎症因子水平显著升高，表明了该模型的成功构建（Figure. 4a-b）。腹腔注射BPEA/OVE NP后，仅在腹膜炎模型小鼠中可观察到明显的发光信号，且发光可以持续45 min左右（Figure. 4c-d）。巯基乙酸注射6 h后腹膜炎较为严重，能够产生较多的H₂O₂，BPEA/OVE NP在此时间节点产生的发光强度最高，且与H₂O₂的浓度呈线性关系（Figure. 4e-h）。同样的，Cy5/OVE NP在急性腹膜炎模型中展现出良好的发光成像能力，发光持续时间超过1小时（Figure. 4i-j）。

Figure 5. BPEA/OVE NP和Cy7.5/OVE NP探针

对急性肝损伤的成像研究

用酒精灌胃法建立小鼠酒精性肝损伤（ALI）模型，不仅丙氨酸转氨酶（ALT）和天冬氨酸转氨酶（AST）两种与肝功能相关的典型生物标志物的表达明显升高，而且小鼠肝脏内的H₂O₂浓度也有明显的上升（Figure. 5a-c）。静脉注射BPEA/OVE NP后在ALI小鼠炎症部位检测到明显的发光，且该发光可持续20 min（Figure. 5d-e）。此外，在阿霉素诱导的急性肝损伤（DALI）小鼠模型中得到了相同的结果，BPEA/OVE NP可以在炎症部分被点亮（Figure. 5f-j）。在对乙酰氨基酚（APAP）诱导的急性肝损伤（AALI）小鼠模型中检测Cy7.5/OVE NP的体内成像性能，静脉注射后同样观察到了炎症部分较强的发光强度，证明了OVE衍生的探针优异的成像能力（Figure. 5k-n）。

 Figure 6. BPEA/OVE NP探针

对急性肺损伤的成像研究

通过脂多糖（LPS）诱导建立小鼠急性肺损伤（ALuI）模型，其肺组织中TNF-α和IL-1β水平显著升高（Figure. 6a-b）。静脉注射BPEA/OVE NP后，在炎症部分的发光信号显著升高（Figure. 6c），且在LPS刺激后的不同时间节点可以观测到不同的发光强度，这与肺内H₂O₂水平变化一致（Figure. 6d-f）。

 Figure 7. BPEA/OVE NP探针

对4T1肿瘤模型的成像研究

以小鼠乳腺癌细胞4T1中会表达较高浓度的H₂O₂，孵育BPEA/OVE NP后可观察到逐渐增加的发光信号，其强度与BPEA/OVE NP的浓度和4T1细胞的数量成线性关系（Figure. 7a-b）。在4T1肿瘤小鼠模型中，BPEA/OVE NP的发光能够在肿瘤部位被点亮，证明了该材料在高表达H₂O₂的肿瘤中优异的成像能力（Figure. 7c-d）。

论文亮点

1. 以VE为原料，制备的OVE可以作为能量的供体，被H₂O₂触发后形成中间体并将能量转移给荧光染料并点亮其荧光。

2. OVE可以与不同的荧光染料相结合，实现了波长可调。

3. 该体系可成功实现对多种炎症模型和肿瘤模型的成像，且OVE NP的缓慢水解和荧光染料的持续释放使得该体系能够实现长时间的持续发光。

4. 分解后的OVE以VE的形式存在，使得该材料具有优异的生物相容性和安全性。

4. 该研究有助于实现在体内精确定量和实时跟踪与炎症和氧化应激相关的不同疾病中的活性氧水平，加深对许多疾病的分子和细胞机制的理解。

文献链接

Xinhao Yan, Wenjie Lin, Huan Liu, Wendan Pu, Junhong Li, Peng Wu, Jun Ding, Gaoxing Luo* and Jianxiang Zhang*

Wavelength-Tunable, Long Lifetime, and Biocompatible Luminescent Nanoparticles Based on a Vitamin E-Derived Material for Inflammation and Tumor Imaging, Small, 2021, 2100045. DOI: 10.1002/smll.202100045.

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