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赵宇亮院士团队Angew:上转换MOFs增强靶向光动力疗法

NanoLabs 奇物论 2022-04-16


第一作者:Chang liuBei LiuJian Zhao

通讯作者:赵宇亮李乐乐 

通讯单位:国家纳米科学中心 

 

研究亮点:

1. 设计了一种可用于近红外光触发、线粒体靶向PDT的Nd3+敏化上转换MOFs(UCMTs)。

2. 使用808 nm光可以有效地避免激光辐照引起的热效应。

3. 近红外光触发线粒体中ROS的原位产生,可引起线粒体膜去极化和促凋亡蛋白的胞浆释放,从而达到放大疗效的目的。

 

背景简介:

由金属离子和有机连接物的配位驱动组装而成的金属-有机框架(MOFs)在纳米医学领域表现出巨大的潜力。卟啉纳米MOFs(nMOFs) 作为一种相当有应用前景的光动力疗法(PDT)纳米光敏剂(nPSs),近年来被广泛研究。然而,基于nMOF的PDT系统的体内应用受到激发卟啉所需的紫外线(UV)/可见光的浅组织穿透的限制。此外,这些系统缺乏对光动力效应的空间控制,因此治疗效率有限。为了解决这些问题,将近红外(NIR)光激活nMOFs技术与精确的空间控制技术相结合,是下一代PDT系统的发展方向。


线粒体作为细胞的动力源和自杀武器储藏库,调节着从生物合成、信号传导到凋亡等多种生物学过程。越来越多的证据表明线粒体稳态在癌症生物学中起着关键作用,如癌症的发生、生长和转移。近年来,线粒体正逐渐成为癌症的潜在治疗靶点,尤其是调节线粒体中ROS水平可以激活细胞死亡机制,,然而,如何有效地调控线粒体ROS的动态平衡目前仍是一个挑战。

 

成果介绍:

作为光学纳米转换器,掺杂镧系元素的上转换纳米颗粒(UCNPs)可以在低能量近红外光(通常约980 nm)的激发下发射高能紫外光或可见光,这对近红外介导的光调节应用显示出日益增长的前景,包括操纵生物传感、神经活性和生物医学。


受此启发,国家纳米中心赵宇亮、李乐乐等人设计了一种可用于近红外光触发、线粒体靶向PDT的Nd3+敏化上转换MOFs(UCMTs)。UCMTs具有由Nd3+敏化的UCNPs和卟啉nMOsF组成的Janus纳米结构,并进一步用三苯基膦(TPP,一种线粒体靶向配体)进行表面功能化。UCMTs通过从Nd3+敏化的UCNP到MOF结构域的有效共振能量转移,实现了808近红外光激活ROS的产生。值得注意的是,使用808 nm光可有效地避免激光辐照引起的热效应,因为生物组织在此近红外波长的吸收最小。此外,近红外光触发线粒体中ROS的原位产生,可引起线粒体膜去极化和促凋亡蛋白的胞浆释放,从而实现疗效放大。


 图1. UCMTs作用机理

 

要点1:UCMTs的制备

通过三步法制备UCMTs:合成双壳UCNPs,卟啉nMOFs在其表面的各向异性生长,以及TPP的进一步表面修饰。采用改进的热分解方法首先制备了平均直径约20 nm的NaGdF4:Yb,Er核,通过外延生长法在其表面生长Nd3+/Yb3+结合壳层(NaGdF4:Nd,Yb)。然后,将纯NaGdF4壳层涂覆在NPs上,通过防止表面相关的猝灭效应来提高上转换发光(UCL)效率,由此得到的核-壳-壳UCNPs的平均直径约为32 nm。接下来,用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)对UCNPs进行修饰,以在其表面选择性生长Zr基MOFs(以制备UCMs)。最后,通过TPP的羧基与MOF结构域表面Zr6簇中的不饱和金属位点的配位相互作用,将TPP分子修饰到Janus UCMs的表面上。

 

图2. UCMT Janus纳米结构

 

要点2:证明UCMTs在808 nm近红外光照下激活产生ROS

Nd3+/Yb3+/Er3+级联敏化的核-壳-壳UCNPs在808 nm激发下用作PDT的能量供体。Nd3+的初级敏化剂在808 nm处吸收光子,而Yb3+作为从Nd3+到Er3+发射器的能量传递的桥离子。Janus-UCMTs的光谱重叠和两个结构域之间的近距离可以促进UCNP侧到MOFs结构域的发光共振能量转移(LRET)。在UCNPs上生长MOF后,UCL的发射强度和寿命都显著降低,表明Janus纳米结构中存在有效的LRET。为了评价光动力性能,使用了1O2指示剂(SOSG)。在808 nm激光照射下,观察到UCMTs在528 nm处SOSG的荧光显著增加。与此相反,未经近红外辐射的UCMTs没有显示出明显的荧光变化。作为对照,MOF NPs和UCNPs的混合溶液在808 nm近红外辐射下不能产生1O2,证实了Janus结构对于近红外光触发1O2产生的重要性。此外,在近红外辐射下的UCMTs的电子自旋共振(ESR)谱中观察到特征的1O2诱导信号。这些数据表明,UCMTs内部的有效能量转移使得MOF能够在808 nm近红外光照射下激活产生ROS。

 

图3. Er@Nd@Gd的结构和能量传递机制

 

要点3:验证UCMTs的线粒体靶向以及激活ROS能力

为了验证UCMTs的线粒体靶向能力,以UCMs为对照,在4T1细胞中进行了共定位实验。实验结果表明TPP配体可以有效推动UCMTs向线粒体的积累。此外,与对照UCMTs和UCMs+NIR组相比,UCMTs+NIR处理的细胞中线粒体介导的凋亡基因(BAD,BAX,BAK和NOXA)的表达上调,证实了线粒体介导的凋亡机制。总之,UCMTs实现了808近红外光触发1O2释放到线粒体中,并导致MMP的去极化,使线粒体凋亡因子释放到细胞质中,激活caspase-3,最终放大细胞凋亡。


目前基于UCNP的PDT系统通常使用980 nm近红外光作为激发源,但由于其加热效应,组织损伤的风险很高。为了研究近红外对组织的加热效应,用不同功率的980 nm和808 nm激光照射小鼠皮肤,实时测量皮肤温度。用808 nm激光照射10min后,照射区域的温度没有明显变化,而在980 nm激光照射下,温度从25.0℃上升到31.8℃,这些结果表明,808 nm激光具有比980 nm激光低得多的过热效应,可以更好地应用于PDT。

 

图4. 细胞实验结果

 

要点4:体内评估UCMTs用于808 nm光触发放大癌症治疗效果

分别用UCMs、UCMTs或生理盐水对4T1荷瘤小鼠进行治疗,注射后2h给予近红外激光照射。治疗后14天,所有组均未显示出明显的体重减轻。在没有近红外辐射的情况下,UCMs或UCMTs处理的小鼠的肿瘤生长速度与生理盐水处理组相似,表明这两种NPs都没有治疗作用。在近红外照射下,UCMs处理的小鼠肿瘤生长延迟;与此相反,UCMTs+NIR处理组在14天的观察期内对肿瘤生长表现出更强的抑制作用,表明线粒体靶向能力的引入增强了PDT的疗效。H&E染色显示,UCMTs处理组的细胞坏死和凋亡比UCMs处理的近红外辐射小鼠更明显。TUNEL分析还显示,UCMTs+NIR处理组比其他组诱导更多的凋亡细胞。


 图5. 体内评估UCMTs肿瘤治疗效果

 

小结:

综上所述,赵宇亮和李乐乐研究团队设计并合成了一种基于卟啉MOFs和UCNPs结合线粒体靶向策略的近红外光激活PDT纳米平台。在Janus UCMTs中,由于Nd3+敏化的上转换过程和从UCNP到MOF结构域的有效能量转移,纳米平台实现了用808nm的激光产生1O2,以最小化激光辐照引起的过热效应。更重要的是,线粒体靶向的PDT诱导了内源性凋亡途径的启动,从而导致了比非靶向治疗更好的治疗效果。这项工作通过引入Nd3+致敏的上转换技术和线粒体靶向工具展示了基于MOF的PDT的有效策略。

 

参考文献:

Chang Liu, Bei Liu, Jian Zhao, et al. Nd3+‐Sensitized Upconversion Metal‐Organic Frameworks for Mitochondria‐Targeted Amplified Photodynamic Therapy. Angew. Chem. Int. Ed., 2019.

https://doi.org/10.1002/anie.201911508

 

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