炸死那个癌细胞！
第一作者：Bo Yu
通讯作者：蔡伟波、何前军
通讯单位：深圳大学、美国威斯康星大学麦迪逊分校
研究亮点：
1. 通过多模态成像(包括荧光(FL)、切伦科夫能量转移(CRIT)成像和PET成像)对治疗药物(光敏剂和肿瘤原位光)的优化时间框架进行可视化和量化。
2. 使用“导弹-引爆”方法来减少不利的目标外影响，并在最佳时空设置中最大限度地提高暴击效能。
3. CRIT显著抑制肿瘤生长并导致肿瘤血管构筑碎片化。
背景介绍：
纳米医学是改善癌症靶向治疗的一种有前景的策略，但在临床上的转化有限。在许多情况下，纳米医学应用的转化受到纳米材料的不良毒性效应的阻碍，即网状内皮系统中高积累引起的脱靶毒性，或由有限的治疗有效载荷引起的低效。为实现纳米医学的转化，有效抗癌治疗所面临的两个主要问题是优化给药和可控的细胞杀灭效果。
光动力疗法(PDT)是一种临床认可的治疗各种实体肿瘤的方法。PDT引起的肿瘤血管通透性的改变已被证明可以增强治疗剂的输送。然而，PDT治疗中需要外部光源来触发活性氧物种(ROS)产生，而光的组织穿透性有限阻碍了其临床应用。
最近，研究发现切伦科夫辐射(CR)的低强度蓝光是不受深度影响的光源，CR可单独应用或与光敏剂(例如二氧化钛(TiO2)、量子点和卟啉)联合应用。CR被认为是正电子发射断层扫描(PET)和光学成像之间的桥梁，在临床成像应用中极具吸引力，利用CR作为光源产生ROS为光动力治疗(CRIT)开辟了一种新的策略。
然而，该方法依然具有局限性：1）给药的放射性核素具有相对较短的半衰期，限制了CRIT的治疗窗口。通过静脉注射的给药途径通常需要超过24小时才能实现高肿瘤蓄积，进一步限制了使用短寿命放射性核素可能给肿瘤造成的损伤。2）不整合PET和光学成像会阻碍对治疗结果的评估。3）网状内皮系统对纳米颗粒的非特异性摄取加重了全身毒性并减弱了治疗效果。因此，开发一种高效和肿瘤积累同时尽量减少副作用的CRIT策略具有重要意义，但仍具挑战性。
成果简介：
有鉴于此，美国威斯康星大学麦迪逊分校蔡伟波研究团队联合深圳大学何前军研究团队设计了一种“导弹-引爆”策略来提高肿瘤靶向CRIT的疗效。该策略包括注射高剂量的卟啉-PEG纳米复合物(PPN)作为CR能量接收器/导弹，然后注射低剂量的89Zr标记的PPN(89Zr-Df-PPN)作为CR能量供体/雷管。在最佳时间点，89Zr-Df-PPN雷管将在肿瘤部位点燃PPN导弹，并有效杀死肿瘤细胞。并通过切伦科夫能量转移成像，PET成像和荧光成像实现可视化和量化。基于同源特性，Df-PPN和89Zr-Df-PPN在肿瘤部位的共定位被最大化，并且能够实现有效的CR能量转移，从而在最佳时空环境下最大化肿瘤靶向CRIT的疗效，同时还减少了CRIT的不良脱靶效应。这种精确有效的CRIT策略可导致显著的肿瘤血管损伤，抑制肿瘤生长。
要点1：“导弹-引爆”策略使肿瘤原位光源和治疗剂在肿瘤部位积累
在此策略中，首先给予高剂量的Df-PPNs，并通过增强渗透和滞留效应在肿瘤部位积累，然后在第一次注射后的第三天进行第二次注射低剂量89Zr标记的Df-PPNs(89Zr-Df-PPNs)。基于89Zr-Df-PPNs的同源性质，89Zr-Df-PPNs在先前注射Df-PPN附近的肿瘤部位积累，使89Zr-Df-PPNs雷管能够通过CRIT点火Df-PPNs导弹。实验结果表明，体内用于跟踪Df-PPNs的荧光信号非常强，并且可持续至注射后17天。区域性定量分析显示，在静脉注射后的3天内，肿瘤对Df-PPNs的摄取稳步增加，这进一步证实了Df-PPNs持续循环性能，且光敏剂Df-PPNs保留在肿瘤部位，使得在随后的注射治疗前能够长时间地进行治疗。共聚焦成像进一步显示89Zr-Df-PPNs和Df-PPNs在肿瘤中共定位于一个区域，从而能够以高效的时空方式进行CRIT。此外，与共同给药方法相比，这种“导弹-引爆”策略减轻了毒性。因此，“导弹-引爆”策略使光敏剂和CR光源共定位，在体内实现CR诱导的局部光动力治疗。
图1. “导弹-引爆”方式对肿瘤原位光源和治疗试剂的递送
要点2：CRIT的体内分布及抑制肿瘤效果
用较低剂量89Zr(Df-PPNs+89Zr-Df-PPNs 400µCi)处理的CRIT组小鼠也显示出对CRIT的有效反应，平均肿瘤体积比PBS组小约8倍，在Df-PPN+89Zr-Df-PPN 1.1 MCI，Df-PPN+89Zr-DF-PPN 400µCi和89Zr-Df-PPN 1.1 MCI组中89Zr的瘤内蓄积相对较高，PET成像也证实了肿瘤对89Zr-DF-PPNs的高摄取，使得CRIT长保留期得以实现。这些结果表明，“导弹-引爆”策略成功地将光敏剂和放射性核素有效地传递到肿瘤中，并通过CRIT抑制肿瘤生长。
图2. CRIT的评价和体内生物分布。
要点3：CRIT联合CR诱导PDT
抗血管生成治疗被认为是治疗临床上常见的几种实体肿瘤类型的一种有前景的且众所周知的策略。然而，很多临床经验报道了与抗血管生成药物相关的严重脱靶事件，这些不良事件涉及不同类型的癌症，因此，开发抗血管生成策略来治疗肿瘤是肿瘤学的关键目标。CRIT和CR诱导的PDT联合治疗会导致肿瘤组织和肿瘤部位周围/内的血管受损，Df-PPNs和89Zr-Df-PPNs共处理组中的大多数肿瘤组织是坏死的，残留的肿瘤组织有严重的坏死中心和碎裂结构。在H&E和共聚焦荧光图像中都发现了间隙，这种间隙被认为是由于血管破裂造成的，并通过CD31免疫染色证实。因此，CRIT联合CR诱导的PDT能显著抑制肿瘤生长并导致肿瘤血管碎裂。
图3. “导弹-引爆”策略CRIT的治疗效果
小结：
本研究提出了一种“导弹-引爆”策略，分别提供纳米光敏剂(Df-PPNs)和89Zr-Df-PPNs以限制全身毒性，并在肿瘤部位共定位，在最佳时空条件下使弱CR对CRIT的效用最大化。其中，光敏剂(mTCPP)和放射性核素(89Zr)的空间邻近性赋予了光学和PET成像极好的整合。将89Zr中的CR转移到Df-PPNs中的mTCPP上，在没有外部光源的情况下产生单线态氧。此外，这种冲击显著抑制肿瘤生长，并导致肿瘤中的血管构筑碎裂。在CRIT过程中，Df-PPNs与89Zr-Df-PPNs在肿瘤中的聚集产生ROS，损伤肿瘤部位细胞。研究表明，通过将多模态成像与损伤肿瘤血管结合起来，可将弱CR作为一种有效的癌症治疗方法。
参考文献：
Bo Yu, Dalong Ni, Zachary T. Rosenkrans, et al. A “Missile‐Detonation” Strategy to Precisely Supply and Efficiently Amplify Cerenkov Radiation Energy for Cancer Theranostics. Adv. Mater., 2019.
https://doi.org/10.1002/adma.201904894
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